基于西門子Smart 700 IE的真空爐監控系統

龐河臨，毛 海,2，李 健,2

(1西安電爐研究所有限公司，陜西 西安 710061；2 西安慧金科技有限公司，陜西 西安 710061)

中國是一個工業大國，主要工業產品的原材料都需經過退火方面的處理，在能源材料危機的環境下，要減少能源材料消耗提高生產效率。從工業加熱設備角度分析，真空退火爐作為熱處理加工設備、廣泛用于金屬原材料的熱處理過程中，提高設備研究改進控制系統存在著重要的現實意義。

真空退火爐是一個復雜的集成系統，應用到多方面的知識，其中包括材料、機械制造、熱處理工藝及工業電氣自動化等學科，幾方面學科的合理配合及其優化設計才能集成出優等的產品。熱處理設備是非標設備，是一種緊密結合實踐的產物，應用到的許多知識只能在實踐中去摸索出真理和積累經驗。以某公司研發、設計電阻爐、感應爐、電弧爐為主要經營業務、同時兼具調試和安裝售后服務。基于公司及產品的特點，淺談一種以真空退火爐為應用載體，配套該類設備的電氣自動化控制系統。其中，應用西門子觸摸屏Smart 700 IE實現該系統中的監視、控制、記錄、查詢功能。

1 真空退火爐設備特性

某真空退火爐的主要技術參數如下：

額定功率/kW 330

額定溫度/ ℃ 800

最高工作溫度/ ℃ 850

工作區尺寸/ mm2× mmΦ1 800×2 400

一次最大裝載量/kg ～750(包括工、夾具)

爐溫均勻性/ ℃±5

爐溫穩定度/ ℃±1

真空罐冷態極限真空度/Pa 5×10-2

真空罐壓升率/ Pa·h-12

極限真空度/Pa 7

加熱罩壓升率/Pa·h-120

充氬壓力/MPa 0.2 ～0.3

冷卻水消耗量/ t·h-1<0.8

總質量/ t ～9.5

2 電氣控制系統方案及功能

在滿足以上設備主要技術參數的要求下，設計服務該參數性能的電氣控制系統。

2.1 電氣系統主要組成

控制系統由配電系統、溫度控制系統、PLC控制系統、HMI監控系統四大部分組成。

2.2 配電系統

配電系統主要由低壓斷路器、快速熔斷器、交流接觸器、三相數字調功裝置等部分組成，主回路電壓、電流、功率等電參數均可在控制柜上的SCR調功裝置外引面板上顯示并查看。加熱輸出電源通過電纜與加熱爐各區加熱體連接，通過溫控系統對加熱電源輸出功率的實時調節，實現溫度的自動控制。

快速熔斷器在加熱主回路起保護作用，當出現短路等惡劣情形而SCR自身又不能保護時，快速熔斷器燒斷，保護主回路電器元件。調功器通過電纜與各區加熱體相連接，通過溫控儀表的反饋信號對調功器輸出功率進行實時調節，實現溫度的自動控制。調功器選用全數字三相晶閘管功率控制器，具有過流、過熱、晶閘管故障、主回路電源丟失、負載斷相報警等保護功能。自帶RS485通訊接口，可以將三相功率控制器的所有參數(如電壓、電流、功率等)上傳至HMI系統。

溫控柜柜體采用標準柜，前后開門，整體密封組合式結構。柜內安裝有檢修插座、并安裝強排風風機，以確保柜內的溫升正常。每個柜內均有獨立的照明裝置，開啟柜門的同時開啟照明裝置，能夠清晰的觀察和維護柜內元器件。銅排與元件的連接部分采用可視化的絕緣方式。為提高連接處的可靠性，銅排及導線接頭采取鍍鋅或搪錫措施，導線接頭的暴露部分用熱縮套管絕緣，不同的相序為不同的顏色，為安裝及維護提供方便。

2.3 溫度控制原理

溫度控制系統采用溫控儀選用島電系列儀表，配合鉑銠分度熱電偶和補償導線，以及所有的補償導線單獨穿管，以獲得較高的系統精度。溫控儀表輸出4～20mA信號至調功器輸出功率大小。設有超溫保護儀表，儀表采集超溫熱電偶信號，其溫度高報警輸出串接至調功器的啟停控制上，以達到硬接線超溫保護目的。

溫度工藝程序編制如表1所示，真空退火爐溫度控制曲線圖如圖1所示，溫度控制主電路圖如圖2所示。

表1 溫度程序表

圖1 溫度控制曲線圖

2.4 HMI 系統

HMI系統主要用來監控、顯示、記錄真空度參數和溫度趨勢，同時還可實現在線參數設定、實時工藝模擬顯示和報警顯示處理等功能。系統主界面如圖3所示。

HMI系統采用Smart 700 IE觸摸屏，通過控制軟件進行程序編制，保證整個加熱設備處于最佳工作狀態，按照給定的工藝要求完成執行動作和升溫保溫的生產要求。該系統采用主從控制方式的數據采集和監控系統，上位主控功能主要由觸摸屏來實現，下位設備由PLC、控溫儀表及現場執行設備組成，主從設備之間通過各自對應的通信協議實現數據的交換和處理功能。

觸摸屏組態軟件根據用戶習慣選用國產HIMbuilder，顯示屏暮10寸英寸顯示器，預留工廠級數據通訊接口。但這次選用SMART 700 IE V3在畫面制作和觸摸屏設置方面都國產屏幕好用的多，主要特點是畫面流暢。界面設置和相關參數調整界面如圖4所示。

圖2 溫度控制主電路圖

圖3 HMI系統主界面圖

圖4 界面設置和相關參數調整界面

2.5 保護及報警

主要包括過流、缺相、超壓、低溫等報警及保護系統。當測溫溫度值超出設定值時，溫控儀輸出一個信號，產生聲光報警。報警同時通過小型繼電器來驅動主回路上的交流接觸器切斷加熱電源。此外在溫度系統中設有各區超溫、斷偶、聲光報警、短路、漏電保護裝置。

聯鎖保護：爐體送電順序、停電順序等之間均設有相應的聯鎖保護。

斷偶保護：當熱電偶斷偶，儀表自動將測溫定義為最高溫度、加熱器斷電并報警。

過載短路保護：可控硅過熱報警及自動空氣開關等相應的保護電路，一旦某個溫區出現上述故障，該區的加熱電源自動切斷為避免加熱器短路引起的可控硅等元件損壞，均設有短路、過載保護器件(見圖5)。

圖5 設備真空系統實物圖

3 結 論

真空爐監控系統具有實時性、可靠性、可維護性、過程量采集和輸出、人機交互、通信功能、信息處理和算法等特點。因此，在監控軟件開發時,應充分從系統的基本要求和工藝特點出發,滿足系統的智能化控制要求。西門子Smart 700觸摸屏，具有強大且豐富的通訊能力和數據處理能力。不僅能實現真空爐的溫度工藝趨勢和程序智能化控制，其高分辨率使得畫質細膩，整個設備的運行狀態顯示更加清晰生動，滿足了系統高性價比的目標。