基于PLC控制的感應爐抽頭問題分析與處理

戴亨濤

（浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州313008）

1 感應爐PLC控制系統的組成

感應加熱源于電磁感應在導體內產生感應電流使導體加熱，本文的感應爐采用工頻加熱方式。隨著自動化、計算機和信息技術的不斷進步，感應爐已實現了自動化、智能化的精密控制。本文感應爐的控制系統采用西門子的S7－300 PLC與德國WAGO出品的750－333現場總線，如圖1所示，處理器為CPU 317－2 DP，具有大容量程序存儲器，可用于要求很高的應用，既適用于集中式I／O結構，也適用于分布式I／O結構，每條二進制指令執行時間約100 ns，每條浮點數運行指令執行時間約2μs［1］。Pr ofibus現場總線標準為EN50170，它是國際化、開放式的，不依賴于生產廠商，從根本上突破了模擬信號控制的局限性，構成了一種全分散、全數字化、智能、雙向、互聯、多變量、多接點的通信與控制系統［2］。

2 感應爐的工作原理

感應爐根據來料的長度共有5個檔級，每個檔級一組抽頭，根據長度切換檔級。由于感應爐屬于感性負載，所以每一檔級都有相應電容器補償。長度由編碼器檢測并經PLC連接的觸摸屏運算，根據程序設定的長度范圍選擇對應的檔級，然后通過現場控制系統子模塊輸出對抽頭進行切換，如圖2所示。根據來料的長度和成分調整變壓器的電壓等級、抽頭的長度和電容器，使其加熱均勻，功率因數高，并節省電能，因此在生產中如果來料長度經常變化，抽頭的切換頻率就比較高，磨損情況就比較嚴重。

圖1 系統控制原理圖

圖2 感應爐接線圖

3 感應爐抽頭問題分析與處理

來料長度變化后，測長編碼器測出長度后，PLC控制切換抽頭檔級和電容器組合以及電壓，并在觸摸屏上顯示出長度實際值，操作員監視各個位置是否正確。感應加熱時，線圈的電流為4 k A左右，對系統的安全和可靠性要求較高。在生產中，由于計劃單的多變，導致加熱長度經常轉換，抽頭切換比較頻繁，平均一年損耗的抽頭為6～7組，損耗成本較高。下面分析原因，并探討相應處理措施。

3.1 抽頭燒結問題分析

在長度切換時，抽頭容易燒結粘住，抽頭由2片固定組件和1片活動組件構成，問題不嚴重時拆開打磨處理一下即可，問題嚴重時整組抽頭都會損壞報廢。抽頭屬于明顯斷開點，不能采取其他措施改進，在工作中也不能明確地分辨查看是哪一步動作造成抽頭燒結，因此處理起來比較困難。

據分析，抽頭燒結原因可能包含以下幾方面：（1）加熱過程中的振動導致抽頭接觸不良拉??；（2）抽頭長時間使用后產生毛刺，并隨著來回動作磨損情況加??；（3）推動抽頭動作的氣缸氣壓不穩，導致抽頭松動；（4）程序出錯導致抽頭誤動作；（5）抽頭切換時電容器放電拉?。唬?）感應爐不正常加熱。

3.2 抽頭燒結問題處理

針對可能的原因可采取以下相應措施處理抽頭燒結問題：（1）對各安裝位置的螺絲進行檢查，排除緊固件松動的隱患，并在加熱時觀察抽頭的運行情況。在生產中，感應爐沒有明顯振動，對抽頭影響較小，排除振動造成的拉弧。（2）抽頭長期使用后由于摩擦可能會出現磨損，首先，生產計劃單是根據訂單交貨期的要求編制，要在這上面減少長度的切換頻率空間有限。故應在生產閑時對抽頭進行檢查，處理有磨損的抽頭，嚴重的專門記錄并增加檢查頻率和次數，采用潤滑導電性能好的導電潤滑脂進行潤滑處理，以減少摩擦造成的磨損。（3）對氣壓管路進行檢查，更換長期使用的氣管，檢查過濾裝置，調整壓力系統壓力（壓力應達到4.5 kg以上）。（4）程序上可能的原因是抽頭沒有完全切換好就通電，加熱過程中發錯誤指令信號。PLC程序的控制流程如圖3所示，可能出現問題的地方是抽頭切換識別有誤，程序上安全性保護不夠。如：抽頭動作時加熱電源必須處于斷開狀態，抽頭動作必須正確，傳感器檢測正常，加熱時所有抽頭不能動作。在程序上添加了以下保護：觸摸屏計算出長度后，PLC控制現場動作，抽頭動作前檢查其余抽頭是否處于正確位置，在其他抽頭都在正確位置后選取的抽頭才可動作，在通電前再次檢查抽頭是否在正確位置。在外部對所有抽頭磁性傳感器進行試驗檢測，要求定位準確，確認傳感器工作穩定、正常。（5）抽頭切換時，感應爐已停止工作較長時間，在這段時間里電容器已基本完成了放電，為保險起見，程序上做了改進，原來的控制是原抽頭先縮回，然后另一組抽頭伸出，現改為新抽頭伸出，然后原抽頭縮回，減少放電燒抽頭隱患。（6）感應爐加熱功率過大，變壓器檔級選擇有誤，造成抽頭電流大，超過額定電流而減短使用壽命。生產中偶爾燒冷料，負載較大，電流往往也較大，給系統帶來較大隱患，另由于加熱工藝中升溫太快會造成加熱不均勻，表面升溫較快而內部升溫較慢［3］。于是程序加上了過載保護，當電流超限一定時間時保護斷電。采取以上措施后，抽頭燒結的次數明顯下降，但仍然有燒結情況發生。

由于原觸摸屏為德國進口產品，現已停產，于是選用西門子觸摸屏TP277替換。替換觸摸屏后，長度切換過程中抽頭經常被粘住，分析原因是由于換了觸摸屏，新觸摸屏的數據傳輸時間跟原來的觸摸屏可能不一樣，而觸摸屏的運算和傳輸周期對感應爐的抽頭長度切換很重要［4］。

圖3 PLC程序的控制流程

抽頭長度切換指令是由觸摸屏運算后回傳給PLC，在來料到位后，如果運算和傳輸時間過長，超過了PLC長度切換動作的等待時間，PLC將按照上一支料的情況處理，保持在上一檔級，但此時可控硅通電條件滿足，抽頭動作也同時發生，巨大的電流在抽頭動作時產生的電弧對抽頭損壞很嚴重。于是重新計算了來料到位到抽頭切換完成的時間，大概為6～7 s，然后使可控硅的送電時間延遲了5 s，從原來的2 s改為7 s，最后讓操作工以原來的方式工作，即切換料時不切電源，感應爐自動加熱，沒有再出現切換檔級時抽頭被粘住的情況。在近一年的使用中，再沒發生過切換燒結抽頭的情況，故障率和成本大大降低，這證明改進工作的效果值得肯定。

4 結語

總之，平時應加強對設備的維護保養，提高維修人員和操作工的責任感，不放過生產中任何小問題。要掌握控制系統知識，研究PLC程序的工作流程，熟悉設備的加工工藝，在出現問題后能及時準確分析問題，最后解決問題，以確保設備正常、穩定運行。

［1］西門子（中國）有限公司.S7－300可編程控制器：產品目錄［Z］，2011

［2］賈東耀，汪仁煌.工業控制網絡結構的發展趨勢［J］.工業儀表與自動化裝置，2002（5）

［3］張月紅，王馬華.感應加熱參數對鋼件溫度分布的影響［J］.金屬熱處理，2011（9）

［4］西門子（中國）有限公司.深入淺出西門子人機界面［M］.北京航空航天大學出版社，2009