重力熱管自動退火除氣線及其控制系統設計

楊曉東，廖正貴，王成君

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024)

在新能源利用中，太陽能熱水器、太陽能熱水系統的應用最為廣泛，熱管式真空集熱管是一種先進的太陽能集熱裝置。熱管是一種利用工質變相進行熱量傳遞的高效傳熱器件，擁有很大的導熱系數和良好的溫度均勻性。重力熱管屬于熱管的一種，是太陽能熱水器中最常應用的熱管，一般以銅為殼體材料。

銅殼熱管在制造工藝過程中，為提高其韌性以便于后續的檢測工序，需要進行真空退火除氣處理，目前太陽能熱管主流的退火工藝在單室真空爐中完成，采用手工送料、取料的方式，銅管進入真空爐后，需要在爐內完成抽真空、升溫、保溫、降溫的過程，存在效率低、易污染、能耗高等問題。也有用單機組、雙真空室交替工作的真空爐，雖然在工作效率上有所提升，但依然存在加熱室直接暴露在空氣中的情況，導致加熱室抽真空速度變慢，而且每次加熱完成需要冷卻至常溫取料，加熱帶由于不斷的冷熱很容易變形，縮短加熱帶壽命。

圖1 退火線示意圖

本文中設計的自動連續式退火線采用臥式、三室連續、步進結構，速度可調。其整體結構如圖1 所示，系統包含6 個工件位置（由左至右）：送料車、進料車、預備室、加熱室、冷卻室、出料車，三室的配合使用保證了加熱室一直處于高溫、高真空狀態下，避免外界污染，同時節約了抽真空時間和冷卻時間，最大程度的提高了生產效率，保證了批量生產的需要。

1 工藝過程

人工通過傳動車將工件框送至進料車，工件框進入預備室，開始抽真空至0.4 Pa 以下，加熱室空出后，工件進入加熱室升溫至450 ℃后保溫1 h，維持真空度不低于0.005 Pa，冷卻室空出后送入冷卻室，冷卻室充入純氮循環冷卻45 min，使工件表面溫度達到80 ℃以下，開門出料抽真空至0.4 Pa 以下，等待加熱室的來料，人工下料，開始下一個循環。

在第一個工件框送入預備室后，人工將第二工件框送至進料車，預備室空出后，第二工件框進入預備室，第三工件框送至進料車，每個工件框經過熱室加熱后進入冷卻室冷卻，冷卻完成并出料，如此循環送料、循環出料，直到所有工件框都處理完，系統自動關機。

2 控制系統功能

根據設備特點和工藝需要，控制系統主要包括溫度控制、真空控制、傳動控制、冷卻控制和安全保護，以下就設備應用到的關鍵技術進行論述。

2.1 溫度控制

為滿足退火工藝，對設備的溫度性能提出要求：最高溫度500 ℃，均溫區尺寸2270 mm×600 mm×600 mm，爐溫均勻性±5 ℃（450 ℃）。

根據溫度指標，加熱室為方形結構，采用Cr20Ni80 帶為加熱元件，多層金屬反射屏的布置提高設備的熱效率，減少熱量的對外輻射。加熱室根據爐膛形式和熱能需要分八區加熱，八點控溫，上下左右均勻分布，以保證溫度的均勻性。

在控溫上，采用低電壓、大電流加熱模式，每個加熱回路均由PID 調節器、功率控制器、變壓器、K 型熱電偶組成閉環系統。

系統硬件的合理布置是溫度性能指標的基礎，要完全滿足要求，還需要在調試過程中，根據實際情況選擇最優PID 參數，選擇各溫區最佳溫度補償值。

2.2 真空控制

真空系統共分三套真空系統，其中預備室、冷卻室采用雙級泵機組，極限真空度0.2 Pa，熱室采用以油擴散泵為主泵的三級泵機組，極限真空度0.001 Pa。3 個真空室使用閘閥門隔離，配備獨立的真空測量儀器。

2.3 傳動控制

爐內輸送車包括預備室傳送車、熱室輸送車、冷室輸送車，均采用動力滾筒傳輸工件料框，通過鏈傳動將減速電機的動力傳輸至每一支滾筒，3臺電機由變頻器驅動。

變頻器通過485 總線與三菱PLC 通訊模塊連接，利用PLC 的無協議通訊實現數據交換。實時數據讀取采用輪詢的方式，即根據變頻器地址的不同，間隔1 s 更改一次通訊地址，實現讀取對應變頻器參數的目的。當需要修改設定參數時，中斷參數讀取，直到參數寫入完成。

該控制方法在設計上靈活應用了三菱PLC的無協議通訊，同時利用PLC 穩定、抗干擾能力強的特點，保證傳動系統的穩定性，有效解決了變頻器參數控制的技術要求。具體程序編寫步驟為：

（1）數據格式定義

LD M8000 (M8000：p_on)

SET M8161 (M8161：設置8 位運算模式)

MOV H0C88 D8120 (M8120：通訊格式7，n，2)

（2）通訊參數設置

將參數轉化為ASCII 碼后，寫入D10-D26，參數定義如表1。

表1 通訊參數設置

（3）通訊命令

將表1 設置的ASCII 碼指令（D10-D26）發送至變頻器，變頻器作出響應，并返回數據代碼至以D50 為首地址的19 個寄存器中，命令程序如下：

LD M8000 （M8000：p_on）

RS D10 K17 D50 K19

(D10：起始符STX，D50：接收回應)

（4）數據發送、接收

通訊的實現需要置位M8122(發送請求)來觸發，發送結束時M8122 自動復位。

從變頻器的設備接收到數據后，M8123(接收結束標志位)置位，將D50 為首地址的19 個字移動到其他的保存區域中進行解碼，然后將M8123 復位。

3 控制系統實現

控制系統通過硬件和軟件的配置來實現各項功能。

3.1 硬件組成

系統以三菱FX3U 系列可編程控制器為控制核心，通過編程口與上位機通訊，實現設備的可視化操作，上位機采用MCGS 嵌入版組態軟件作為開發平臺。

設備的硬件系統連接如圖2 所示，所有外圍設備通過總線與上位機通訊，建立起一個小型的集散系統。

3.2 軟件設計

軟件由上位機組態軟件和PLC 編程兩部分構成。

（1）組態設計

圖2 硬件連接系統示意圖

組態設計以北京昆侖通態嵌入版組態軟件為平臺進行開發，通過上位機可以設置工藝參數，對設備進行全自動或分步操作，觀察系統實時真空度、溫度、電機轉速等參數。設備擁有故障自檢功能，為設備的安全可靠運行提供保障。同時，軟件可實現對歷史數據的查詢，工藝過程參數以列表的方式存儲保存，便于工藝分析及優化，實現故障追溯。圖3 為設備操作主界面。

（2）PLC 控制系統圖

PLC 編程以工藝流程為指導思想，為實現全自動運轉的功能，采用分系統模塊化設計方法，利用子程序的調用最大程度的簡化PLC 程序，增加程序的可靠性、可讀性。

本程序中應用了11 個獨立的子程序，利用CALL 指令調用，圖4 為設備自動程序概略圖。

經過優化設計，本程序最大程度的實現了自動化，在自動執行過程中，操作人員所要手動完成的工序只是將工件車放置在進料車上，以及移走已經處理完并傳送至出料車的工件，其余動作均無需人為干預。

圖3 操作界面

圖4 自動程序概略圖

4 結束語

太陽能重力熱管自動退火線是2010年由皇明太陽能集團有限公司提出要求，由中國電子科技集團公司第二研究所研發生產的項目，本項目根據專用的技術要求進行系統設計，于2011年3月交付用戶使用。經過長期運行考驗，無維修記錄，足以證明其控制系統運行安全可靠、運行穩定，完全滿足工藝要求。

[1] 宋伯生. PLC 編程理論·算法及技巧[M]. 北京：機械工業出版社，2005.251-254.

[2] GB/T 24767-2009，太陽能重力熱管[S].

[3] MITSUBISHI ELECTRIC.FX 系列微型可編程控制器用戶手冊（通信篇）[M]. 上海：三菱電機自動化（上海）有限公司，2006.F30-F35.

[4] AELTA. VFD-M 使用手冊[M]. 上海：中達電通股份有限公司，2005.5_37-5_41.