感應加熱退火設備控制系統設計

李楊 姚瑾 曹貴崟

摘 要：本文根據微小薄壁類零件感應加熱退火工藝，研制滿足批量生產的自動化設備，對感應加熱退火設備控制系統進行設計。參照控制對象及要求，建立了以Smart-200 PLC為核心的控制系統硬件平臺，完成手動/自動軟件控制程序的編寫，實現了感應加熱退火設備自動化控制，提高了生產效率。

關鍵詞：感應加熱 系統設計 PLC 控制系統

電磁感應加熱目前廣泛應用于冶金行業、機械制造行業，以及工件的回火、退火和正火等熱處理過程中。其加熱原理為：利用高頻電加熱理論，將三相交流電源轉化為高頻電流，利用高頻電流激發高頻磁場，當導體切割磁場內的磁力線時，導體內產生大量渦流，使導體迅速發熱，從而實現加熱的目的。本文將著重討論微小薄壁類零件的感應加熱設備控制系統的設計與實現，參照控制對象及要求，選用Siemens公司的Smart-200 PLC，完成硬件平臺的搭建和軟件程序的編寫，實現微小薄壁零件熱處理生產的自動化生產。

一、控制硬件原理圖

本設備采用PLC控制技術。以PLC為核心，結合控制對象及要求，制定如圖1所示的控制系統硬件原理圖，PLC通過與中間繼電器、行程開關、步進電機驅動模塊、旋轉電機調速模塊、模擬量轉換模塊等進行信號傳輸，來實現退火設備中的冷卻泵、電磁閥、步進電機、旋轉電機以及高頻機等工作部件的自動化控制。

二、硬件設備選型

（一）PLC選型

PLC融合了目前的大規模集成電路技術，其具有較小的體積和較輕的質量，簡單的連接接口，容易為廣大工程技術人員接受的編程語言，而且PLC梯形圖符號與表達方式也與傳統的繼電器控制電路圖十分相似，PLC只要通過少量的邏輯控制指令對開關量進行控制，就能便捷地實現繼電器電路中較為復雜的功能。除此之外，PLC還能夠實現模擬量和數字量之間的轉換，即通常所說的A/D轉換及D/A轉換。

在感應加熱退火設備工作過程中，PLC接收輸入信號后，通過繼電器實現對設備控制對象的動作輸出。需要控制的對象有水泵、高頻機、旋轉電機、電磁閥、繼電器、指示燈等開關信號控制，還包括對步進電機脈沖和方向的控制，以及測溫儀模擬信號的接收。故本文選用Siemens S7-200 PLC，CPU型號為ST40，該PLC有24個輸入點，16個輸出點，并具備脈沖控制功能，能實現對步進電機的控制，但不具備模擬量的轉換功能。

（二）模擬量轉換模塊

本文的控制對象包含了紅外測溫儀，該溫度型號為模擬量。所選的PLC不具備模擬量轉換功能，具備此功能的PLC價格高昂，為了對該模擬量信號進行采集，本文選用了西門子的Smart 200EM AM06 A/D轉換模塊。在編譯軟件STEP7-MicroWIN SMART中只要編寫相應的轉換程序，即可實現模擬量到數字量的轉換，該模塊的增加相較于選用具備模擬量轉換功能的PLC而言，成本大大降低，并且該模塊具有兩組模擬量的輸入和輸出點，增加了溫度信號采集的精準度。

（三）步進電機的選擇

步進電機作為一種根據步進驅動器控制信息執行控制動作的元件，是機電一體化執行部件的關鍵產品之一，它本身就是一個完成數模轉化的元件，而且它的位置控制可以采用無反饋信息的控制方式，即一個脈沖信號輸入相應地會產生一個固定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統與傳統的直流控制系統相比，其成本大幅降低，控制系統不必進行任何調整，就能保持移動位置的精密性和準確性。

作為一種具有特殊控制方式使用的特種電機，步進電機不能直接連接直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅動電源來驅動步進驅動器才能控制步進電機工作。當步進驅動器收到由控制系統發出的脈沖信號，驅動器將會結合步進電機的結構特點，按照一定順序對脈沖進行分配，從而實現對步進電機自由或制動加載狀態、旋轉方向、角位移、旋轉速度的控制。當控制系統發出一個脈沖信號，驅動器就會驅動步進電機轉過一個步距角。步進電機的角位移量與驅動器收到的脈沖個數相關，電機轉速與脈沖信號的頻率成正比。驅動器的型號必須與所使用的電機型號相匹配。本文選用Kinco 2S56Q-02976型號步進電機以及相應的2M530型驅動器。驅動器的細分功能可以減輕或消除步進電機工作過程中固有的低頻共振現象，降低了電機工作過程中產生的噪音。隨著技術的不斷進步，步進電機在低速工作時的噪音已經與直流電機大致相同。此外，采用驅動器細分方法還可以增大步進電機的輸出轉矩。在細分狀態下，驅動器能夠提供“持續、強勁”的工作電流，很大程度上減小了步進電機旋轉過程中產生的反向電動勢。除此之外，驅動器的細分功能，提高了步進電機工作過程中旋轉位移的分辨率。對于常見的具有標準步距角的步進電機，只要驅動器能夠實現40左右的細分功能，就能實現對步進電機工作的精密控制。

三、軟件系統設計

（一）工序流程設計

根據工件熱處理工藝流程以及設備工作系統硬件及功能，本文對感應加熱退火設備控制流程設計如圖2所示。

（二）編寫控制程序

根據設備工作流程圖，在STEP 7-MicroWIN SMART軟件平臺基礎上對感應加熱退火設備控制程序展開設計。為了便于調整以及自動化的實現，控制程序編寫了手動控制程序和自動控制程序。設備在工作時，只需要操作控制面板的手動/自動調節旋鈕即可實現手動控制與自動控制的切換。

手動控制程序主要對冷卻泵工作，模組的前進、后退，感應高頻加熱與停止，旋轉電機正反方向的旋轉等動作的控制。在移動模組前進和后退控制程序的編寫中引入了西門子編譯軟件MicroWIN SMART中的位置控制軟件模塊，通過模塊調用AXISO_GOTO子程序，通過該程序對2M530型驅動器進行控制，實現模組左右方向上的精確移動，然后通過安裝在模組下方的位置傳感器來實現精確定位。

自動控制程序是根據設備的工作流程中的動作順序對設備工作部件實現自動控制的功能。其中對紅外測溫儀溫度信號的采集，需要模擬量的采樣和轉換程序，通過西門子的Smart 200EM AM06 A/D轉換模塊將測溫儀檢測到的溫度信號（該信號為模擬量電流信號）轉換為數字信號，轉換的公式為溫度數值以單整形減法減去0，然后將類型轉變為雙整形，再將其轉化為實數，將所得值乘以1000，除以27648，再將所得數值加上600（測溫儀測溫范圍的下限值），得到的數值即為當前的實時溫度值。將該數值存在變量VD100中，在PLC的主程序中調用該變量的數值就能通過PLC控制感應高頻加熱機的通斷及在冷卻水泵的工作，從而實現自動化的生產。

四、結論

通過分析控制對象和要求，選用Siemens公司的Smart-200 PLC，完成了相應硬件的選型。根據退火的手工工藝流程，在STEP 7-MicroWIN SMART編譯軟件中編寫了手動控制程序和自動控制程序。確定了感應加熱退火設備的功能和方案;根據設備技術參數，完成了感應退火設備控制系統的設計，實現了從手動生產到自動化生產的轉變，并提高了微小薄壁工件的熱處理效率。

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