真空氫氣燒結爐電氣控制系統的改造設計

黨曉圓 陳龍燦 陳小軍 馬冬梅

(1.重慶郵電大學移通學院；2.重慶千能實業有限公司)

真空氫氣燒結爐電氣控制系統的改造設計

黨曉圓1陳龍燦1陳小軍2馬冬梅1

(1.重慶郵電大學移通學院；2.重慶千能實業有限公司)

介紹了真空氫氣燒結爐的性能和電氣控制系統在燒結爐中起到的作用，改造了真空氫氣燒結爐的電氣控制系統。選用歐姆龍PLC為核心控制器進行過程自動控制，詳細闡述了電氣控制系統的硬件電路設計和軟件設計流程。實踐應用情況表明，改進的真空氫氣燒結爐電氣控制系統是可行的。

真空爐 氫氣燒結爐 電氣控制系統 PLC

隨著真空熱處理技術的發展，在工業上真空氫氣燒結爐的制造技術和裝備水平不斷提高，真空度也逐漸達到了國際水平，但是在自動化控制和器件的精細加工方面與國外還有一定的差距，尤其是在超高真空爐性能的穩定上有待精密器件制備水平的提高。筆者介紹的真空氫氣燒結爐是具有加壓(絕對壓力0.2MPa)氣冷功能的單室臥式真空(氫氣)熱處理設備。它適用于小型高速鋼、高合金鋼模具等材料的氣淬、退火及釬焊等多種真空熱處理工藝，其電氣控制系統能滿足復雜工藝所要求的各種工作方式，自動化程度高、穩定可靠，并具有故障自診斷和遠程監控功能。

1 真空氫氣燒結爐電氣控制系統總體設計

為了實現生產過程全自動化控制和生產管理自動化，本系統采用工控機作為上位監控和管理計算機。為了使操作人員便于操作，配有觸摸屏顯示各泵、閥門及冷卻風扇等的運行狀態[1]，實現對真空系統、脫蠟系統、氣路系統、電控系統和溫度系統的遠程監控(圖1)。單室真空氫氣燒結爐電控系統采用CPM2A-OMRON可編程序控制器控制，從工件進爐到氣冷結束全部為自動操作(也可采用手動操作)，且熱處理工藝所要求的充氣、水壓、真空系統的各閥門動作控制全部由PLC來完成。為了使用可靠、維修方便，基本上不使用其他電子線路和裝置。從工藝方面考慮溫控的重要性，本系統選用了英國歐陸公司生產的2704高精度控溫儀確保高精度控溫，其控溫精度可達到±0.1%。各升溫、保溫曲線通過軟件設定可適應不同分度號的熱電偶，20條控溫曲線，6組PID可通過自調諧功能自動演算，因此熱態調整極為方便，并具有超溫保護設定，當超溫、斷水時，自動切斷加熱系統電源。

圖1 真空氫氣燒結爐電氣控制系統總體結構

真空爐主體構成如圖2所示。其中真空系統由機械泵、羅茨泵、擴散泵組成的抽氣系統來實現，由CPI電源、真空閥、預抽閥、擴散泵閥、水溫、超溫警報、壓力節點、真空表節點及壓阻表節點等組成的系統進行測控。

圖2 真空爐主體構成

2 控制系統硬件設計

真空氫氣燒結爐電氣控制系統硬件電路由CPM2A型主機輸入輸出電路、爐內加熱主電路、溫度控制電路、電源控制電路及指示燈控制電路等組成。

主機輸入電路以可編程序控制器CPM2A主機為控制核心，控制的對象主體主要是加熱系統、快速冷卻系統、驅動電機及各類電磁閥的通斷。加熱系統分為爐體內工作均溫區加熱和擴散泵電爐加熱。均溫區加熱是由磁條、鉬片發熱體等組成的系統來實現，由晶閘管調整器、2704歐陸溫控表、測溫熱電偶、無紙記錄儀及電爐油溫節點等組成的系統實現測控。快速冷卻系統是由冷卻風扇、熱交換器和充氣蝶閥組成的系統來實現快速冷卻。實現上述功能的電路設計如圖3所示。

真空氫氣燒結爐電氣控制系統CPM2A型主機輸出電路如圖4所示，放氣閥按鈕燈顯示放氣閥的工作狀態，燈亮時表示放氣閥處于放氣狀態；擴散泵按鈕燈顯示擴散泵閥的工作狀態，燈亮時表示擴散泵閥處于開啟狀態；真空閥按鈕燈顯示真空閥的工作狀態，燈亮時表示真空閥處于開啟狀態；脈沖閥按鈕燈顯示脈沖閥的工作狀態，燈亮時表示脈沖閥處于開啟狀態；微沖閥按鈕燈顯示微沖閥的工作狀態，燈亮時表示微沖閥處于開啟狀態；報警燈報警時處于閃爍狀態，說明有異常情況發生，應停止工作，檢修設備。

圖3 主機輸入電路

圖4 主機輸出電路

3 控制系統軟件設計

3.1 真空爐電控系統控制流程

真空氫氣燒結爐控制系統采用CPM2A-OMRON PLC和上位機觸摸屏實現人機對話和遠程監控。CPM2A-OMRON PLC的通信功能很強，通過上位鏈接通信方式，可以實現上位機對下位機的控制。本系統下位機PLC和上位機觸摸屏之間通過HOST Link通信方式實現數據交換[2]。下位機PLC控制真空氫氣燒結爐的真空系統、加熱系統及冷卻系統等邏輯關系，報警信號的采集，燒結爐過流、短路、超溫、聯鎖及互鎖等完善的自動保護措施，啟動加熱后，若出現重要故障立即發出聲光報警，切斷加熱電源，并將報警信息饋送到下位機進行處理。若無故障發生，加熱溫度到規定溫度時，啟動氬/氮氣快冷按鈕，等冷卻后執行洗罐操作。上位機觸摸屏實現對真空、氣路及溫度等系統的遠程監控。真空爐電控系統控制流程如圖5所示。

圖5 真空爐電控系統控制流程

3.2 真空爐電控系統程序設計

真空爐控制系統部分程序如圖6所示。

爐內加熱系統將需要熱處理的工件在爐內裝填完畢后，關好爐門，啟動電源，待氣壓達到所需壓力后，再開啟機械泵按鈕開關k2(圖3)控制真空泵的開啟，然后打開真空閥k9，此時設備開始粗抽真空，關閉時需要先關閉真空閥再關閉機械泵開關，否則除切斷電源外將無法關閉真空泵。羅茨泵按鈕開關k3控制羅茨泵的開啟與關閉，只有在系統真空度低于500Pa時，才能啟動羅茨泵，在系統運轉的整個過程中，如出現真空度高于500Pa，羅茨泵開關將自動關閉，待真空度低于500Pa時，羅茨泵開關將自動啟動。

擴散泵電爐按鈕開關k4控制擴散泵加熱電爐的開啟與關閉，在需要開啟擴散泵的前一小時，先通過按鈕k10開啟預抽閥，再開啟擴散泵加熱電爐預熱升溫，達到預定時間和溫度時關閉真空閥，通過k11打開擴散泵閥，此時爐內將很快進入高真空狀態，若真空度高于2Pa，應暫停加熱升溫，待真空度低于2Pa時再繼續升溫，當需要停止使用擴散泵時，先關閉擴散泵電爐開關，再關閉擴散泵閥，然后開啟真空泵閥，待擴散泵底部溫度降到室溫時，關閉預抽閥。

加熱按鈕k5是爐內發熱體的電源開關，當達到升溫條件時，先開啟電源開關，再啟動加熱升溫程序，當溫度程序結束開始降溫時，按下加熱按鈕切斷爐內發熱體的電源開關。

冷卻風扇開關k6控制快速冷卻風扇的開啟與關閉，當升溫程序結束后，若需要快速冷卻工件時，應先開啟微沖閥k14沖入高純氮氣或氬氣，當爐內壓力高于60kPa時，方可開啟快冷風扇k6，爐內溫度低于80℃時即可停止快冷，同時切斷水源。洗罐按鈕控制爐內與儲氣罐管路聯通電磁閥的接通與斷開，當需要洗爐時，應先抽取爐內氣體，真空度達到0.01Pa時，關閉真空閥開啟洗罐開關，真空度達到標準大氣壓時，關閉洗罐開關，開啟真空閥抽真空，反復3～4次，即可將爐內空氣洗凈。

圖6 真空爐控制系統部分梯形圖

真空閥k9是機械泵、羅茨泵與爐體連通管路的通斷閥；預抽閥k10是機械泵與擴散泵聯通管路的通斷閥；擴散泵閥k11是機械泵、擴散泵與爐體連接管路的通斷閥；冷卻充氣閥k13是儲氣罐與爐體連通管路的通斷閥，微量充氣閥k14是聯通儲氣罐與爐體管路的通斷閥，可實現微量充氣，調節氣壓；放氣閥k16、k17是控制爐體內與大氣聯通的通斷閥；爐門氣缸開閥k19是控制爐門氣缸關閉與開啟的閥門。

4 結束語

將真空氫氣燒結爐電氣控制系統在工廠進行了實際應用，應用情況表明，該系統是可行的、成功的，它能夠良好地實現真空爐的控制要求，且能得到較好的工件熱處理效果，易于操作、性能可靠、維修簡便。

[1] 崔紅娟,李俏，王京暉，等.WZST系列三室真空高溫低壓滲碳爐的研制和應用[J].金屬熱處理,2012，37(12):128～133.

[2] 陳東亮.基于PLC和組態王的熱媒爐控制系統[J].化工自動化及儀表,2014,41(5):587～589.

(Continued from Page 863)

AbstractWith view to making the secondary pipe network supply each heating network user with the water relatively uniform and stable, a fuzzy neural network controller was designed and having the control theory of fuzzy neural network based to formulate rules for heating network pressure and flow control was implemented. Simulation result shows that, the system output has fast response, small overshoot and high stability.

Keywordsfuzzy neural network, heating network remote monitoring system, fuzzification

(Continued from Page 867)

thermocouple and customized MAX6675 A/D conversion chip was adopted free of cold junction compensation; through employing Carman vortex air flow sensor, measuring feed gas flow was implemented, including having the digital barometer which consisted by PY209 used to measure the differential pressure in the reactor. Simulation with Proteus software proves the feasibility of this design.

Keywordsauto-control system, fluidized bed reactor, circuit design

ReformandDesignofElectricalControlSystemforVacuumHydrogenSinteringFurnace

DANG Xiao-yuan1, CHEN Long-can1, CHEN Xiao-jun2, MA Dong-mei1
(1.CollegeofMobileTelecommunication,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications; 2.ChongqingG-energyIndustrialCo.,Ltd.)

The vacuum hydrogen sintering furnace’s performance and its electric control system’s effect were introduced and the sintering furnace’s electrical control system was renovated where Omron PLC was adopted as the core controller of auto-control process. The hardware circuit design, including the software design of electrical control system was elaborated in detail. Practical application shows that the vacuum hydrogen sintering furnace’s electrical control system improved is feasible and successful.

vacuum furnace, hydrogen sintering furnace, electrical control system, PLC

TH865

B

1000-3932(2017)09-0868-05

2017-04-13，

2017-07-10)

重慶市2015年本科高校三特行動計劃電氣工程及其自動化特色專業建設項目(渝教高[2015]69號)。

黨曉圓(1983-)，講師，從事工業電氣自動化技術的研究，dxy831110@126.com。