大型真空退火爐電氣控制系統設計研究

張凱 鄧寧嘉

【摘要】真空退火爐利用稀有金屬材料，如：鈦、鋯等，真空退火。真空退火爐具有容積大、溫控精度高、溫度差異小、結構簡單，可靠性高的特點。真空退火爐根據工藝流程利用工業人機交換界面的電氣控制的設計方法，主要以PLC為核心，來實現爐體的恒溫控制。還利用上位機進行實時監控，監控現場工況。從而該控制系統達到了工業的工藝流程和控制要求，系統穩定可靠。

真空退火爐主要是由電氣控制系統、電機系統、高真空系統、爐體系統和外圍系統構成。高真空系統主要由高真空機組組成，主要用于抽空爐體和維持真空。其優點如下：第一，退火改變了晶體的結構，消除了內應力以及軟化材料。第二，防止了氧化脫碳脫脂，從而提高了表面的光亮度以及力學性能。第三，爐體容積大，溫度控制精度高，溫區溫差小，系統穩定。第四，爐溫控制系統復雜，該數據具有時變性、非線性以及滯后性的特點。所以隨著加熱時間增加、加熱溫度的升高和真空度的增大，將產生不同的退火效果。第五，可編程控制器（PLC）結構簡單、抗干擾能力強、通用性好，可以很好的提高系統的穩定性和準確性，從而提高生產效益。本設計中采用以PLC為核心，閉環控制PID功能模塊來實現恒溫控制，達到爐溫控制。利用PLC編程軟件中的梯形圖語言進行編程，來控制整個過程。上位機監控系統包括工況監控中的真空和溫度畫面的監控，使數據能夠實時反映和控制。

1、真空退火爐的總體設計

1.1 真空退火爐的構成

真空退火爐是利用外循環式、單室內加熱的方式，是一種快速冷卻臥式的電阻爐。真空退火爐由爐體系統、傳動系統、高真空系統、加熱系統和冷卻系統構成。

1） 爐體系統：爐體系統是由爐門、爐體外殼、加熱室和電阻帶。爐門的開關為自動控制，是利用緊壓缸傳動裝置來控制的。爐體外殼是采用了圓筒形的結構，不銹鋼材料。爐體有多個加熱溫區，每個溫區有電阻帶加熱。

2） 傳動系統：傳動裝置是指料架、平板車和電動機的控制。將工件放在料架上，并且將工件的料車都放在平板車上。將其放入爐門口，由電機控制傳送。送到爐口時，限位開關關閉，再將其托送到爐內加熱區，也是由電機控制裝置驅動。

3） 高真空系統：由真空機組組成，都位在爐體的一側，每套真空機組的組成是擴散泵、羅茨泵、維持泵、斷路器、接觸器和相應的管道，主要作用是控制驅動泵的啟停以及電磁閥門的開關。真空系統的控制程序是機組的順序控制，其順序為：第一，對的擴 散 泵 預 熱的控制。第二，對爐體的粗抽閥門和高真空閥門的控制。

4） 加熱系統：加熱系統的加熱方式是電加熱，是利用電阻帶進行加熱。爐內分布著不同的溫區，也設置了相應的控溫設備。爐體加熱程序是對加熱器的控制，根據爐內的溫度曲線進行控制。當爐內的真空度小于設定值時，進行加熱。

5） 冷卻系統：冷卻系統的降溫方式是利用水冷卻的方式，使爐內以及真空泵降溫。爐體利用在外殼夾層中進行水循環，外殼纏繞著水管。真空泵也布置了水管。

1.2真空退火爐的工藝過程

真空退火爐的工藝過程為：送料、抽真空、加熱、冷卻、真空釋放、工件出爐。其中鈦材料的送料和工件出爐是控制系統的次要部分，主要部分是真空控制和溫度控制。上位機的啟動和監控、電動機的啟動、料車的控制緊壓缸裝置的控制、真空泵的控制以及冷熱系統的控制都其中的控制部分。上位機啟動進行監控，進而電動機啟動控制料車送料，送入爐內，爐門關閉，真空泵開啟，進行抽真空。抽真空完畢后，關閉真空泵，進行加熱和冷卻。最后，開啟爐門，真空釋放，工件出爐。

1.3 控制系統的硬件設計

西門子PLC能控制多種功能和指令，能滿足真空退火爐的工藝要求和控制要求。本設計的控制系統硬件由工控機控制，控制系統采用分布式的I/O控制方式，系統由工控機、PLC控制系統、工業觸摸屏組成。工控機主要用于系統的監控，對工作狀態實時顯示，還有參數的設定和修改的功能。PLC控制系統主要用于接受一些實時的信號和數據，并對數據進行分析和處理，進而控制整個系統。包括熱電偶的參數采集和設定，各個行程開關的信號采集與處理，料車的速度與位置的數據處理，還有真空系統、加熱系統的數據控制。上位機采用工業計算機IPC-610H系列，下位機采用西門子中的PLC S7-300系列，進行對各個傳感器數據的處理，從而達到整個系統的控制，包括邏輯控制、恒溫控制，以及故障報警的控制。將真空退火爐的工作狀態傳送到上位機中。PLC系統與上位機通訊，獲取真空退火爐的實時數據。根據此設計的要求選取PLC的擴展模塊，選取數字量輸入模塊作為接受主要電氣、檢測開關等的輸入信號，還要選取數字量輸出模塊作為控制閥門和真空泵的執行元件。CPU模塊作為核心模塊，功能如下：第一，實時反映溫度、壓力等參數給上位機。第二，實時控制整個系統。根據擴展模塊的數量和程序的復雜程度選擇

2、結論

1）針對真空退火爐的工藝要求，西門子PLC滿足了多溫區的恒溫性和高真空的精度，實現了連續的PID 控制，充分保證了系統的穩定性和準確性，滿足了工業企業的要求，降低了成本，提高了工作效益。

2）工控機IPC、西門子PLC S7-300系列以及工業觸摸屏等系統實現了實時監控、實時數據采集和處理，達到了方便化，自動化的時代要求。還實現了上位機監控以及下位機控制的功能。

3）通過實踐表明，真空退火爐抗干擾能力強，具有良好的控溫精度、調整時間短、超調量小等優點。通過以往的數據表明，真空退火爐的設計沒有出現過電氣故障，操作安全，具有良好的發展前景。

參考文獻

[1]楊衛林.真空退火爐電氣控制系統改造.《節能》，2010年10期 .

[2]周志文，馬安仁，王曉燕.基于單片機的真空退火爐溫度程序控制器設計.《工業儀表與自動化裝置》，2012年6期.