電子束熔煉爐自動化控制系統設計

賈慶功，王 瓏，馬 樂

（西安聚能裝備技術有限公司，陜西西安 710018）

0 引言

隨著各種新型技術的不斷創新研發，逐漸提出了更高標準的材料技術要求，傳統材料已經無法滿足當今技術需要。目前，難熔材料廣泛應用于航天航空、電子能源、國防、核工業、冶金及防化等領域，作用重大，世界各國對難熔材料的需求量日益提高[1]。電子束熔煉爐作為生產難熔材料的專用設備，運行中往往要求真空、冷卻、機械、電子槍等各大系統之間能夠充分協調配合工作[2]，對于人工控制，工作強度要求較大。因此，設計電子束熔煉爐自動化控制系統尤為必要。

1 真空系統拉單晶配置工藝流程

以20 kW 電子束熔煉爐為例，真空系統主要包括機械泵和擴散泵，如圖1 所示[3]。拉單晶時首先需要與冷卻水和壓縮空氣接通，之后打開電源，成功啟動爐體機械泵，打開擴散泵后5 min，然后打開主抽閥門。夾料棒在爐體放氣閥門打開后進行裝料，之后封爐，關閉主抽閥門，打開預抽閥。達到3.8×10-2Pa 真空環境下，關閉預抽閥后打開主抽閥和大閥，持續抽真空至3×102Pa。與陰極相連接后加入主高壓電源，進行金屬熔煉并調整燈絲電流至10 A。與激磁成功接通后中斷高壓，直至最終溫度冷卻將大閥門關閉，并打開爐體放氣閥門[4]。

2 自動化控制系統設計

2.1 設計方案

首先明確電子束熔煉爐在實際運行工作中，想要保障安全自動化生產，需要控制的主要工藝指標包括真空度、熔煉速度和功率，高壓電壓及電流值，以及托頂桿直線速度等。本次設計的真空自動化控制系統方案如圖2 所示，真空計輸出4～20 mA電流，采用PLC 輸出交流變頻信號控制器，能夠始終保證機械泵提供的交流電機轉速穩定。同時交流變頻器還具備過流保護和缺相保護功能。

2.2 真空度PID 算法控制

真空室內要控制真空度，就需要解決真空度具備的較強時變性、非線性與多類型干擾。僅僅運用傳統精確數學控制模型，往往無法獲取滿意的動靜態控制成效。為確保獲得準確真實的真空度控制效果，本次設計選用PID 控制，公式如下：

圖1 20 kW 電子束熔煉爐真空系統結構

圖2 自動化控制系統方案

式中 u（t）——輸出函數

Kp——比例系數

T1——積分時間常數

TD——微分時間常數

e（t）——定量及輸出量之間存在的偏差

通過離散化處理式（1）后，即可獲得增量PID 控制計算公式。

在本次自動化控制系統設計中，電子束熔煉爐的爐體作為被控制對象，抽真空的機械泵運行電機轉速作為控制量，既定3.8×10-2Pa 真空系數。單極性信號根據真空計完成檢測并成功轉換至4～20 mA 電流后送至PLC 組件。對變頻器的輸出頻率控制及機械泵電機轉速信號調節，經PLC 組件成功實現PID 控制指令，最終經D/A 送出單極信號。對輸出值進行調整，確保最終獲得零誤差，獲得穩定的系統控制運行狀態。

2.3 監控系統設計

本次系統設計兩級控制模式，上級生產管理級，能夠通過上位機有效控制管理下位機的生產操作，以操作人員作為主要對象。下位機實現基礎測控，能夠采集熔煉爐生產過程中的數據信息并控制生產過程。選用Win 7 上位機操作系統，S7-200 下位機可編程控制儀器，包括電流電壓變送器、微機電力真空機。考慮到系統控制通信速度需要匹配生產現場的實際布線距離，配置RS232/485 進行上位機串行口與下位機PLC 之間的通信控制。

2.4 功能設計

（1）該自動化控制系統能夠實現手動、半自動、全自動選擇性控制，也可單獨控制熔煉爐的各生產組成系統，方便生產過程中的故障快速檢修。半自動控制下能夠自動熔煉單根棒料，選用自動化控制方式。按下啟動按鈕后，PLC 控制程序能夠完成原熔煉棒料生產工藝流程，之后快速按停停爐按鈕。

（2）可以控制調整上述提出的熔煉工藝參數，確保能夠順利完成熔煉生產。在調整過程中只需旋轉操作旋轉臺中的按鈕即可。

（3）能夠動態化實時且準確顯示生產過程中的動態化參數，保證操作人員實時了解系統實際運行情況，可以將結果展示在人機操作界面。

（4）能夠實現自動化生成報表及隨時打印，包括了操作的負責人員、控制運行方式、打印的時間和日期等。

（5）緊急停爐功能，在系統控制產生一定故障問題時，可以點擊緊急停爐這一功能按鈕，便可以控制熔煉爐的系統全部暫停運行，確保熔煉爐安全可靠生產。

（6）設計多處聯鎖功能，例如，擴散泵的前置泵為機械泵，在機械泵抽真空之前不能啟動擴散泵。熔煉過程中也不可以打開任何爐門，避免漏氣。這就要求電子束爐能夠做到聯鎖控制不同系統。

（7）具有故障警報功能，運用優質元器件，可以實現小型自動化節能控制。

3 系統軟硬件設計

3.1 系統硬件配置

（1）真空計選用ZJ-10 系列的中真空計儀器型號，運用專門控制系統，完成真空輔助測控。

（2）選用ACS600 系列變頻器，通過運用DTC 技術可以控制轉矩。與先進生產工藝共同推行運用的高性能變頻器結合運用，可以擁有較高的器件工藝范圍，保證良好的控制速度及轉矩。還能夠保證系統較好的保護功能完整性，以及擁有較好的靈活性編程。

（3）選用S7-200 西門子整體式PLC，擁有緊湊的結構特點，占地面積小、低成本、性價比較高，方便安裝操作。

3.2 系統軟件設計

3.2.1 程序設計

下位機可以基于PLC 實現的自動、手動操作，在輸入端能夠與手動操作、開關信號連接。經PLC 控制程序運行，能夠通過輸出端與接觸器、電磁閥、繼電器與信號燈直接控制，可以有效控制傳動、真空、報警和水路等系統。根據需要，電子束熔煉爐在生產中面對較復雜的控制對象和較大的軟件控制編程。如果運用梯形圖對語言編程控制難度較大，因此本次設計的PLC 控制編程，能夠基于繼承順序控制這一思路前提下，引入模塊化編程，結合PLC 設計編程梯形圖。結合上文所述的拉單晶整個工藝操作流程，能夠分配整個設備運行狀態并標記中間變量。對于不同運行狀態下的系統聯鎖、轉移以及次序關系，包括明確控制不同輸入量和輸入量，最終成功轉變PLC 控制輸入、輸出信號邏輯關系，獲得梯形圖。

3.2.2 上位機軟件設計

本次自動化控制系統設計，經計算機控制組態軟件所支持的全部熔煉爐控制系統硬件設備。因此需要設計控制系統硬件設備的適應運行軟件環境，最終選定組態王6.2。能夠運用該軟件技術的強大功能，高效集成化控制熔煉爐的所有控制硬件設施。組態控制包括數據采集、處理兩大功能模塊，在運行過程中以頁眉、監控中心、拉單晶車間、主菜單以及監控中心作為4 個監控界面，能夠顯示在組態王系統上，獲得歷史趨勢變動曲線，以及警報窗口。實時趨勢曲線可以實現快速響應卷動，在短時間內根據時間變化確定變量。當所監視變量不在正常范圍值情況下，則會在警報窗口中為操作用戶顯示變量名、越限時間、超出界限數值和目前的最新值。系統發出警報后會在顯示界面滾動警報窗口，并及時更新顯示最新的警報事件。基于組態王實現的軟件功能，還能夠對各項運行參數設計相應顏色（紅色為高度警報，黃色為低度警報，藍色為正常運行參數），還能夠動態化設計控制設備各運行參數的不同程度限位。

4 結語

通過引入PLC 控制，提出基于PLC 及組態軟件的自動化控制，成功提升了熔煉爐生產工藝設備的控制效率和整體質量，轉變原來的智能化控制為管理優化設備。結合真空度PID 控制算法，實現自動化控制功能軟件設計，擁有高精度、快速響應及運行安全穩定的技術優勢，能夠簡單操作可靠運行，獲得預期的難熔材料熔煉效果。