真空退火爐智能化的改造設計及實現

郭長遠，楊少武，劉杰林

(1.寧夏東方鉭業股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000;2. 中色(寧夏)東方集團有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

1 背景介紹

真空退火是鉭、鈮等稀有金屬生產過程中的關鍵工藝，稀有金屬通過在高真空環境下進行消除應力，再結晶退火用來改變晶粒結構、細化組織、軟化材料，還可以達到防止氧化、除氣、脫脂、使氧化物蒸發，以提高產品表面光亮度和機械性能。公司現有數臺2000年以前國內外生產的小型真空退火爐，爐室工作空間為Φ800 mm×2 000 mm，工作溫度1 450 ℃，極限工作溫度：1 550 ℃；溫度均勻性：≤±5 ℃；極限真空度：2.0×10-4Pa，加熱功率200 kW。這些退火爐用繼電器、接觸器控制，溫度控制采用島電的FP93程序控制器。所有控制操作都需要人工手動完成，溫度、真空度等生產過程中的重要參數都需要人工記錄，數據記錄易出錯、效率低、產品數據的可追溯性差。現在就這些退火爐做智能化改造的控制思路、硬件構成、軟件等技術介紹如下。

2 系統功能介紹

退火爐選用西門子PLC 1214C做控制系統，完善冷卻循環水系統，水壓、流量數據的采集、完善真空系統的連鎖互鎖動作、升級加熱控制系統，使得溫度的程序控制溫度的準確度、控制精度、溫度的均勻性都徹底改善[1]。用上位機組態做數據的記錄和監控，并將這些退火爐組成一個小局域網，建立一個遠程服務器，實現數據在本地和遠程記錄的雙備份，并將設備的監控運行信息發布到云端，設置權限的人員實時訪問，并將設備的運行情況及重要信息實時的發布到指定人員的手機上。控制程序設計同時也加入了一系列的預處理程序，可以實現模擬操作者在現場實時操作設備，達到無人值守的目的。

3 總體方案的設計

退火爐系統的網絡控制架構如圖1所示。

圖1 退火爐系統的網絡控制架構圖

如圖1所示，每臺退火爐系統由上位機、PLC控制系統、真空系統、溫度控制系統、循環水系統等部分構成，現場通過RS232、RS485、工業以太網、GSM網絡進行數據的傳輸和交互。PLC接收循環水系統中的壓力、流量、壓縮空氣的壓力、溫度傳感器的溫度信號、控制著各個機構的動作在接收各個動作反饋的動作信號，傳至上位機保存，實時監測著溫控系統的溫度控制程序是否正常，時刻防止異常情況的出現。結合真空退火爐工作示意圖(見圖2)介紹本退火爐工作過程。

圖2 真空退火爐工作示意圖

如圖3所示，本退火爐在設計上分為單動、手動、自動三種操作模式。

單動模式遵循原設備的所有控制方式不變，設備的每一步動作都需要操作者手動操作，僅就設備的數據記錄無需手工記錄。

手動方式是將如圖2所示的各個泵、閥、加熱等動作做了必要的連鎖互鎖，用來防止誤操作而引起的設備異常、產品異常。

自動方式只要操作者裝好產品設定好或從工藝庫中選擇好工藝曲線，按動自動啟動按鈕，設備進入全自動運行狀態，退火爐自動的裝載工藝曲線，并且比較工藝曲線是否被載入歐陸的2604程序控制器中，擴散泵預熱、維持泵預抽、預抽閥自動開啟關閉、機械泵啟動、羅茨泵啟動、前級閥、高真空閥、擴散泵啟動等一系列動作由PLC自動控制執行。

真空度到達預設值時加熱自動啟動。溫度是否受控，是由PLC通過自身的溫度模塊進行監控。通過歷史數據分析PLC計算完成工藝曲線、產品出爐的具體時間，也可以讓PLC選擇合理的時間段加熱、保溫以利用階梯電價降低生產成本。在這個過程中所有可能出現的故障都做了預處理動作，出現的什么樣故障就執行相應的預處理程序，PLC還通過自身的模擬量模塊實時監測加熱的電流、電壓、擴散泵的電流、電壓，防止出現異常，這些功能都經過嚴格的測試，如退火過程中如果真空降低到一個閾值，加熱曲線會保持或停止，如果真空好轉到可以繼續加熱的閾值，加熱曲線就繼續運行，如果真空又一次惡化要停止加熱，真空繼續運行直至溫度降到室溫，工作過程的異常會做報警記錄，同時將信息通過GSM網絡發送到指定人員手機上。

通過權限設置，技術工程師、操作員可以通過權限登錄到云端查看設備的相應監控信息，設備監控界面中上位機遠程服務器的顯示信息一致，信息在分級授權。所有人的操作也將記錄在上位機和遠程服務器中，可以為后續問題的處理及產品性能優化工藝提供全方位的信息。

在自動模式中因為考慮到設備無人值守，所以對退火爐長期以來出過的所有故障都做了預處理程序。循環水斷水、壓縮空氣斷氣、設備斷電異常情對產品和設備是致命的威脅[2]。真空退火爐確保斷電、斷循環水的應對措施，采用了雙電源供電并自備UPS電源、應急柴油發電機組、應急事故水、能做到斷電、斷水的極端情況下上位機、PLC控制系統電不中斷、事故冷卻水5 s內提供。平時的加熱過程中加熱帶斷裂、加熱電流不平衡等問題都能判定是否中斷工藝曲線還是完成工藝曲線，這和爐內的溫度均勻性有關，如果爐內前中后區的控制偶、監測偶顯示爐內溫度不均勻則就停止工藝的執行，否則先執行完，產品出爐后再處理。

圖3 真空退火爐控制模式

設備的三種操作模式可以無擾動平滑切換，不論設備是何種模式，其每一個操作者登錄記錄、生產批次記錄、設定數據記錄，每一個動作操作，每一秒鐘真空度、溫度、電流電壓等數據都實時保存。

3 硬件設計

3.1 加熱系統

本加熱系統采用智能程序控制器歐陸2604，控制歐陸調功器7 100 A推動2 000 VA的磁性調壓器帶動加熱器工作，控制熱電偶和表面檢測偶為C型熱電偶，用歐陸的3204溫控表做溫度巡檢，同時PLC模塊也設計了溫度傳感單元，同時監測溫度情況。歐陸2604這一回路組成一個閉環控制系統，而3204、PLC溫度單元又是一個大閉環監控，異常時也可以直接控制加熱。

3.2 真空、循環水及壓縮空氣系統

真空系統采用機械泵、羅茨泵、擴散泵三級抽空，用復合真空計測量，另外還在爐膛處加裝了SMC的數字壓力開關做獨立的監測，防止真空的異常。循環水系統在主管道、爐體、擴散泵體都加裝了壓力傳感器和流量傳感器這些傳感數據實時記錄、實時參與控制。壓縮空氣控制是將主管道壓力，分支管道壓力及空壓機房空壓機信號接入本設備PLC，防止意外的發生。

3.3 控制系統

本地的設備動作是用西門子PLC1214C為控制核心，結合開關量I/O模塊、模擬量I/O模塊、溫度模塊、GSM通信模塊，經過PLC內部預先設計好的程序執行各自的動作，及與研華工控機、復合真空計、溫控儀等的通信。

4 軟件設計

軟件的設計分為PLC程序的設計和上位機組態程序的設計。

PLC程序使用西門子TIA博圖V14SP1設計，該軟件是一款全新的全集成自動化軟件，是業內首個采用統一的工程組態和軟件項目環境的自動化軟件，幾乎適用于所有自動化任務。借助該全新的工程技術軟件平臺，開發者能夠快速、直觀地開發和調試自動化系統。TIA博圖作為一切未來軟件工程組態包的基礎，可對西門子全集成自動化中所涉及的所有自動化和驅動產品進行組態、編程和調試。直觀、高效、可靠是TIA博圖軟件的優點，支持類Windows操作，拖拽、粘貼復制、自動同步硬件組態、高級語言、梯形圖混編、編程的束縛很少。常規邏輯控制使用梯形圖、語句表、做計算分析用C語言建立模型，非常方便，在線調試、離線仿真也簡單直觀。但是博圖軟件也存在著版本兼容的問題，軟件太大，非常影響編程計算機的運行速度。

上位機組態采用的亞控組態王6.6版本，本地上位機設計好所需界面，遠程服務器集成上位機的程序，通過WEB發布的功能發布到企業云端。

6 結 語

這些改造后的退火爐已正常使用18個月，運行良好。期間也出現過2次問題，通過記錄數據分析，能很快鎖定故障的原因，解決問題。一次為工藝保溫過程中報警加熱電流不平衡，但當時爐內溫度正常，未停爐，待到出爐后檢視加熱帶發現一根加熱帶燒損嚴重。一次為抽真空的過程中高真空閥開啟異常連續兩次設備自動平穩停止運行，后來經過分析實驗發現爐體密封泄露，設備及時的停止避免了產品的被氧化的危險。

通過本次退火爐的成功改造，使這些老舊退火爐重新煥發了生機，為同類退火爐的設計或改進提供了寶貴的經驗，在工業加熱爐具有廣泛的推廣價值。