多層級冗余控制系統在熱處理真空釬焊爐中的應用

郭紅芳

（北京長征火箭裝備科技有限公司，北京 100076）

0 引言

真空釬焊工藝是在高真空狀態下，通過精確控制工作溫度，使得熔點比基體金屬低的釬料，靠兩工件間微小間隙的毛細管吸力作用填充基體金屬間隙而形成牢固結構[1]。所以控制系統的核心為溫度控制和真空控制兩大部分，而保證控制系統運行的先決條件是控制系統的可靠性。雖然現階段PLC+控溫儀表的控制模式在釬焊爐中得到廣泛應用，但是大型釬焊爐控溫區數量太多，同時參與控溫的輔助監控條件也很多，使用控溫表控制模式顯然不現實。儀表控溫模式對人工成本及控制步驟都帶來極大困難。為了解決這一問題，基于S7-400H冗余性控制方案，較好地實現了高集成性、自動化，同時具有高度的可靠性。借助于冗余Wincc對系統數據存儲的歸檔功能，方便了對釬焊過程海量歷史數據的分析，有助于改進釬焊工藝、提高產品的釬焊質量。

伴隨控制系統的發展，對設備整體運行控制的自動化程度越來越高。控制系統經歷了手動模式到全自動模式。對于溫度控制實現多段溫度曲線程序自動控制+局部手動調整模式。對于大型釬焊爐的另一被控對象—真空，在實際控制中存在較多的不確定因素。由于大型釬焊爐配置了多臺套真空系統，釬焊過程中受到不確定因素影響較大。為解決這一問題，本文提出了分階段控制模式，實際運行效果非常理想，同時對系統維護帶來極大方便。

整個系統配置及實現方法在大型釬焊爐中應用確保為最優控制模式。

1 控制系統硬件的實現

由于真空釬焊爐處理的產品價值不菲，一旦系統出現故障，輕則影響產品質量，重則使產品報廢。故本系統使用多層級冗余控制硬件配置，提高可靠性和實時性。如圖1所示。從現場層到網絡層均使用冗余控制。

1.1 現場層：冗余I/O

如果釬焊爐的整個工藝過程在釬焊的最后重要階段發生模塊故障，會造成巨大的經濟損失。為了提高系統的可靠性，本控制系統采用I/O冗余通道冗余，單個通道錯誤時只會導致相關的通道鈍化，不會使整個模塊鈍化，也就是不會影響其他通道的正常工作。當系統檢測出故障消除后，對修復成功的通道進行解鈍，再次重新讀取或輸出該通道的值。本控制系統對釬焊關鍵控制變量中的模擬量控溫熱電偶及加熱功率輸出（4～20mA）信號進行冗余。由于真空性能也是影響釬焊的重要指標，所以對真空機組控制輸出信號進行冗余。

1）對于熱電偶外圍接線線路采用并聯到2個模板。

2）功率輸出線號接線采用設置每塊模板控制輸出為控制值的全值。其中一個模板檢測到有故障，冗余另一塊模板輸出為控制值的全值。

3）數字量輸出直接連接到執行器上。

1.2 過程層：S7-400H CPU冗余

S7-400H自動化系統滿足對一流自動化系統在可用性、智能度和分布式輸出的較高要求[2]。本控制系統選用S7-400H的S7 414-4H型CPU控制器，為雙機架硬件級熱備產品，主、從兩個機架，兩套完整獨立的系統，兩套機架上的熱備單元通過光纖通訊。可以通過它的硬冗余功能，避免由于單個CPU故障而造成系統癱瘓。由于實現了無擾動切換，不會丟失任何信息，大大減少了因故障或錯誤而導致的生產損失。

1.3 網絡層：環形網絡配置

圖1 硬件配置控制系統

本系統選用西門子SCANLANCE X204-2型管狀交換機收尾相連，構成網絡的閉環網絡來構建MRP（介質冗余協議）式環形網絡設置。每個交換機配置一個C-PLUG卡實行可移植性。當系統中某個交換機設備故障，直接更換X204-2，將C-PLUG卡移植進去，無需再進行軟件設置。為設備的后期維護維修帶來極大的便利。本系統中6個交換機中其中一個設置為AUTOMATIC REDUNDANCY DETECTION，其他交換機設置為MRP CLINT，所有交換機在一個冗余域中。在網絡正常的情況下，RM的其中一個冗余環口處斷開的狀態，冗余管理器從端口1和端口2發送測試幀，分別到達對方的端口。冗余管理器的RM燈為常亮綠燈。當網絡上的連接線斷開后交換機故障，測試幀到達不了對方端口，則冗余管理器聯通自己的兩個環網端口，構成一個替代線徑-總線型網絡，RM綠燈閃爍。若故障排除后，又恢復成環形網絡。整個網絡重建小于0.2秒。

圖2 冗余IO外圍接線圖

1.4 管理層：冗余WINCC

釬焊工藝過程中的數據記錄及存檔對產品的性能分析及技術改進具有重大作用。客戶對數據記錄有時會精確到每分鐘記錄一次，可見數據記錄對研究產品的重要性。對提高釬焊產品質量及研究自動釬焊尤為重要。本控制系統采用WINCC冗余模式即兩臺互聯的WINCC并行工作，并基于事件進行同步，提高了系統的可靠性。運行期間兩臺服務器互為監控，可以及時的發現對方是否進入故障狀態，如果一臺服務器發生故障，另一臺服務器繼續完成系統的信息、過程數據歸檔和記錄。當故障服務器正常投入后，故障期間的歸檔數據會自動恢復到恢復后的服務器。保證數據的完整和連續。

2 控制系統軟件控制程序實現

大型釬焊爐在有了可靠度硬件冗余系統做為保證的前提下，釬焊的關鍵就是按照釬焊的工藝流程提供產品所需的真空度和溫度。軟件控制核心的兩大控制系統：溫度和真空度。

2.1 控溫程序實現

1）控溫工藝曲線發生器實現

（1）在STEP7中，使用PID功能塊FB58實現溫度的連續控制。但是西門子功能塊中并沒有提供溫度連續控制曲線的發生器。這里需要建立一個工藝控溫曲線功能塊。

工藝曲線如圖3所示。

（2）由此工藝控溫曲線推出發生器輸出SPx的一個公式：

圖3 多段線溫度控制曲線

圖4 FB1功能塊

其中，time為時間刻度。

（3）圖4為封裝成FB1功能塊。

（4）圖5為生成DB1的數據塊。

2）自動控溫控溫程序控制流程實現

本項目大型釬焊爐包含68套獨立的控溫系統，每個控溫獨立，形成單閉環系統。如圖6所示。

（1）軟件實現工藝流程：

在OB35中調用FB1，每掃描一次OB35，目標值增加SPx，故SP=SPn-1+n*SPx。

控溫過程為設定值SP值（REAL型）寫入FB58的’PV_IN’端。

圖5 DB1數據塊

圖6 單閉環控制系統

FB58：西門子在標準庫中提供的PID軟件模塊。

FC105（SCALE）：功能塊的功能為接受一個整型值（IN），將其轉換為以工程單位表示的介于下限和上限之間的實型值。

Fc106（UNSCALE）：取消標定值功能，接收一個以工程單位表示、且標定與下限和上限之間的實型值（IN），并將其轉換為一個整型值。

模擬量PID控制器輸出表達式：

利用FB58的自動整定功能實現對控溫系統中的Kp,TI,TD三個參數整定，構成PID控制器。

控溫實現的流程實現如圖7所示。

圖7 OB1主程序流程圖

（2）手動微調控溫的實現

本控制系統中自動釬焊溫度控制過程是基于控溫偶控溫的一個PID控制策略，而手動微調溫度控制基于工件偶的P調節控制策略。在整個釬焊產品釬焊的過程中，工件內部的工件偶真實反映了工件各個位置真實的溫度。決定著工件的釬焊的性能及質量。

手動控制對于釬焊產品中的某個位置（點、端面、中心、側面、上部、下部）分區進行手動微調。軟件程序實現：利用FB58的MAN_ON功能切換自動控溫和手動控溫。既能實現6個分區的控制，也能實現68個單區獨立調整功能。

2.2 真空系統實現

圖8 OB35中斷程序流程圖

真空系統控制采用分階段控制系統，整個控制系統分為3個大部分。第一階段為機械泵自動控制系統；軟件實現流程如圖9所示。第二階段分為擴散泵自動控制流程；如圖10所示。第三階段為抽真空自動控制流程；如圖11所示。三個階段為三個層級。整個系統若第三個環節出現故障，可以單獨關閉第三個環節的功能，第一階段，第二階段正常運行。分階段控制系統實現了故障處理的先進性。

1）第一階段機械泵控制流程如圖9所示。

圖9 機械泵啟動結束進程

2）第二階段擴散泵控制流程如圖10所示。

圖10 擴散泵啟動結束進程

3）第三階段抽真空控制流程如圖11所示。

3 結束語

圖11 抽真空啟動結束進程

基于S7-400H的控制的大型真空釬焊爐冗余控制系統已應用于江蘇某公司ZH-2246大型鋁釬焊爐。整個控制系統為現階段國內大型釬焊爐的最優控制系統。控制系統運行在多層冗余狀態下，保證可靠時效性。分階段真空控制在運行期間對故障處理。控溫過程自動控制配套局部手動調整實現了良好的均溫性要求。

[1]閻承沛.真空熱處理工藝與設備設計[M].機械工業出版社,1998.10.

[2]陳再良.閻承沛.先進熱處理制造技術[M].機械工業出版社,2002.03.

[3]西門子自動化與驅動集團產品叢書.S7-400H容錯系統手冊[Z].2008.05.

[4]西門子自動化與驅動集團產品叢書.WINCC 7.0手冊[Z].2008.05.

[5]西門子自動化與驅動集團產品叢書.環形冗余網絡[Z].2008.05.