鏈?zhǔn)酵嘶馉t電氣系統(tǒng)的研制

萬喜新，鄧 斌，王學(xué)仕

（中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙410111）

目前，國內(nèi)制作觸摸屏的工藝和生產(chǎn)水平不足，在生產(chǎn)過程中，制作觸摸屏的原材料玻璃易碎，報廢頗多，造成極大的經(jīng)濟損失[1]。提高玻璃韌性，可解決玻璃易碎問題。將玻璃進行退火處理可提高其韌性。鏈?zhǔn)酵嘶馉t主要用于玻璃的一次退火與再加工后二次去應(yīng)力退火，能夠提高玻璃的韌性[2]。

為保證產(chǎn)品退火處理的一致性，要求爐膛內(nèi)溫度均勻性高[3]，研制了一種鏈?zhǔn)酵嘶馉t的電氣系統(tǒng)，配合獨特的爐膛設(shè)計實現(xiàn)鏈?zhǔn)酵嘶馉t溫度精準(zhǔn)控制，從而研制出滿足玻璃退火要求的鏈?zhǔn)酵嘶馉t。

1 鏈?zhǔn)酵嘶馉t電氣系統(tǒng)設(shè)計要求

根據(jù)實際工藝需求，鏈?zhǔn)酵嘶馉t的溫度曲線如圖1所示。此外，玻璃退火工藝對鏈?zhǔn)酵嘶馉t電氣系統(tǒng)提出了以下要求：

圖1 工藝曲線

（1）加熱方式：電加熱；

（2）電熱元件：電阻絲；

（3）控溫方式：PID智能控溫，SCR可控硅模塊控制、線性比例輸出，控溫精度±1℃，爐膛上下都要使用獨立的溫度控制系統(tǒng)，保溫區(qū)爐膛內(nèi)溫度均勻性±5℃；

（4）網(wǎng)速控制：采用變頻調(diào)速方式實現(xiàn)1～20 m/h可調(diào)。

2 加熱系統(tǒng)設(shè)計

2.1 溫區(qū)設(shè)計及分布

根據(jù)溫度工藝曲線設(shè)計24個溫區(qū)，溫區(qū)上下采用獨立控溫系統(tǒng)，因此實際上是48路溫控。根據(jù)爐膛大小和溫度要求，由經(jīng)驗公式計算出24個溫區(qū)功率分布，如表1所示。

表1 功率分配

2.2 加熱電路設(shè)計

根據(jù)溫區(qū)設(shè)計，可算出鏈?zhǔn)酵嘶馉t總功率達(dá)1 032 kW，主要消耗在加熱部分。還包括清洗系統(tǒng)供電，抽風(fēng)系統(tǒng)供電，傳輸系統(tǒng)供電。

由于溫區(qū)多，加熱功率大，因此電流也就大；為長期穩(wěn)定工作考慮，有必要考慮降低電流，但又不能降低功率，因此只能提高電壓。在不設(shè)置變壓器的情況下，常用的交流加熱電源是220 V或者380 V。選擇交流380 V加熱電源，據(jù)此設(shè)計電阻絲加熱器，選擇380 V規(guī)格的單相晶閘管調(diào)壓器控制加熱，在三相功率分布上盡可能考慮三相平衡，以減少對電網(wǎng)的影響。

設(shè)備分為三大溫區(qū)，即：升溫區(qū)、保溫區(qū)、降溫區(qū)，每個溫區(qū)設(shè)計上做到三相平衡，以升溫區(qū)為例，配電原理和三相加熱分配如圖2所示。

圖2 加熱電路

保溫區(qū)與降溫區(qū)采用同樣的配置，能做到理論上的三相平衡。

3 抗干擾設(shè)計

鏈?zhǔn)酵嘶馉t是大功率設(shè)備，設(shè)備總長40 m，總體上考慮設(shè)計安裝，采用單獨的電控柜。其采用的移相觸發(fā)式的單相晶閘管調(diào)壓器和變頻器都是干擾源，會產(chǎn)生諧波干擾[4]。因此，如何避免干擾，是設(shè)計中應(yīng)該考慮到的問題。

抽風(fēng)系統(tǒng)和傳送系統(tǒng)均通過控制變頻器來實現(xiàn)其功能，變頻器作為干擾源會產(chǎn)生諧波干擾，因此在每個變頻器的輸入端加一個進線電抗器，用于降低由變頻器產(chǎn)生的諧波，同時也可用于增加電源阻抗，并幫助吸收附近單相晶閘管調(diào)壓器投入工作時產(chǎn)生的浪涌電壓和主電源的電壓尖峰。進線電抗器串接在電源和變頻器功率輸入端之間。

寄生電容Cp存在于電機電纜和電機內(nèi)部，因此變頻器的PWM輸出電壓波形的開關(guān)翼部通過寄生電容產(chǎn)生一個高頻脈沖噪聲電流Is，使變頻器成為一個噪聲源[5]。由于噪聲電流Is的源是變頻器，因此它一定要流回變頻器。

噪聲信號回路如圖3所示。圖3中Ze為大地阻抗，Zn為動力電纜與地之間的阻抗。噪聲電流流過此2個阻抗所造成的電壓降將影響到同一電網(wǎng)上的其它設(shè)備造成干擾。此外，變頻器的整流部分也會產(chǎn)生低頻諧波，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變。對于高頻干擾，如果高頻噪聲電流Is有一條正確的通道，則高頻噪聲是可以得到抑制的。如果使用非屏蔽電機電纜，則高頻噪聲電流Is以一個不確定的路線流回變頻器，并在此回路中產(chǎn)生高頻分量壓降，影響其它設(shè)備。為使高頻噪聲電流Is能沿確定路線流回變頻器，需要采用屏蔽電機電纜。電纜屏蔽層必須連接到變頻器外殼和電機外殼上。當(dāng)高頻噪聲電流Is必須流回變頻器時，屏蔽層形成一條最有效的通道。

圖3 噪聲信號回路

遵循產(chǎn)品類型和操作識別方便以及強弱電分開的原則進行電氣布局，電控柜布局如圖4所示。

圖4 電氣布局

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)項目總體要求，需要對控制對象進行分類統(tǒng)計。

（1）溫度控制部分

退火爐有24個溫區(qū)，每個溫區(qū)分為上下兩部分單獨控溫，有利于調(diào)整溫度均勻性，這就要求能設(shè)置48個溫度數(shù)據(jù)，在24個溫區(qū)之后還有4個自然冷卻區(qū)，每個區(qū)有一根測溫?zé)崤迹匀焕鋮s區(qū)不加熱，不需要設(shè)置溫度，但需要監(jiān)控溫度，因此溫度顯示要求能顯示52個溫度數(shù)據(jù)。在手動狀態(tài)下能調(diào)節(jié)48個加熱區(qū)的PID參數(shù)。

（2）傳輸、抽風(fēng)控制部分

傳輸、抽風(fēng)部分所采用的電機均是變頻器控制，底層控制變頻器采用RS485通訊方式實現(xiàn)，界面設(shè)置和顯示變頻器的頻率（傳輸部分設(shè)置和顯示速度）。

（3）IO狀態(tài)

界面顯示3個設(shè)備狀態(tài)，運行、停止、緊急停止；人工操作啟動或停止升溫區(qū)、保溫區(qū)、降溫區(qū)3個大區(qū)的加熱，啟動后有IO狀態(tài)反饋顯示，同樣傳輸、抽風(fēng)部分也需人工啟動和停止。48個單相調(diào)壓器報警復(fù)位IO信號和變頻器的報警復(fù)位信號需從界面發(fā)出。監(jiān)控水流量，嚴(yán)重錯誤報警時伴有蜂鳴聲音，能夠消除蜂鳴聲。

（4）報警信息

顯示報警內(nèi)容（提示解決辦法），有48個單相調(diào)壓器和15個變頻器，水流量監(jiān)控，超溫報警（48）、升溫延時（斷偶52根）。

即硬件上有138個IO點，100組模擬量信號需處理。

4.1 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

鏈?zhǔn)酵嘶馉t控制系統(tǒng)采用總線控制系統(tǒng)和溫度控制庫來實現(xiàn)，總線控制系統(tǒng)方便應(yīng)用于分布式控制系統(tǒng)，現(xiàn)場接線，模塊化組合，可靠性高[6]。工控系統(tǒng)的構(gòu)成如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)構(gòu)成

觸摸屏作為人機交換，設(shè)置和顯示工藝參數(shù)，工業(yè)PC作為處理核心，運行主控程序，耦合器和各種模塊組成一個單獨的站點采集和發(fā)送信號，各站點通過總線與工業(yè)PC相連，主控程序通過總線接受各站點信號和給各站點發(fā)送命令。

4.2 溫度控制系統(tǒng)

溫度控制是玻璃退火工藝控制系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，也是鏈?zhǔn)酵嘶馉t核心部分，工件加熱要求空間內(nèi)溫度均勻恒定，保證立體空間內(nèi)的溫度對各工件都能起到充分加熱的作用，因此控制效果的好壞直接決定著產(chǎn)品的質(zhì)量。要保證溫度均勻性，首先控溫的精度要保證，那么要求保證溫度的檢測精度，其次要有相應(yīng)的靈活方便的控制算法。16位高精度的溫度測量模塊分辨率0.01℃。TwinCAT中的溫度控制庫，可以方便的實現(xiàn)溫度PID控制，多段PID，以及串級溫度控制，模糊溫度控制算法，因此能滿足項目控溫精度±1℃的要求，從而為滿足溫度均勻性要求奠定基礎(chǔ)。

基于PC的控制方式，可以靈活應(yīng)用多種PID溫度控制算法實現(xiàn)溫度場控制快速穩(wěn)定，只需要增加模塊，沒有通道數(shù)限制。溫度控制算法輸出可以有模擬量輸出、脈沖量、PWM輸出等多種方式，并且能夠根據(jù)一路輸入信號產(chǎn)生多路與之相關(guān)的控制信號輸出，而不需要經(jīng)過信號放大器隔離放大。在鏈?zhǔn)酵嘶馉t中，爐膛上下設(shè)有獨立的加熱控制區(qū)，可采用一路輸入兩路輸出（成比例關(guān)系）易于改動。

在鏈?zhǔn)酵嘶馉t中，溫區(qū)數(shù)量龐大，可通過調(diào)用TwinCAT溫度控制模塊進行軟件控溫，實現(xiàn)了多溫區(qū)的溫度控制。

5 結(jié)束語

鏈?zhǔn)酵嘶馉t最重要的部分莫過于溫度控制和均勻性要求，也是最難實現(xiàn)的指標(biāo)，±5℃的均勻性要求使大多數(shù)的設(shè)備廠商望而卻步，經(jīng)過設(shè)計、裝調(diào)，使鏈?zhǔn)酵嘶馉t完全滿足了指標(biāo)要求。

通過在爐膛左、中、右、上四個方位放置4根測溫?zé)崤迹又翜囟葴y試儀上，生成測試曲線，從現(xiàn)場測試效果來看，關(guān)鍵工藝溫區(qū)-保溫區(qū)的溫度均勻性完全能夠滿足指標(biāo)要求，達(dá)到了±2℃，滿足玻璃退火的工藝要求。