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(yè)大國，主要工業(yè)產(chǎn)品的原材料都需經(jīng)過退火方面的處理，在能源材料危機的環(huán)境下，要減少能源材料消耗提高生產(chǎn)效率。從工業(yè)加熱設(shè)備角度分析，真空退火爐作為熱處理加工設(shè)備、廣泛用于金屬原材料的熱處理過程中，提高設(shè)備研究改進控制系統(tǒng)存在著重要的現(xiàn)實意義。

真空退火爐是一個復(fù)雜的集成系統(tǒng)，應(yīng)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(yè)電氣自動化等學(xué)科，幾方面學(xué)科的合理配合及其優(yōu)化設(shè)計才能集成出優(yōu)等的產(chǎn)品。熱處理設(shè)備是非標(biāo)設(shè)備，是一種緊密結(jié)合實踐的產(chǎn)物，應(yīng)用到的許多知識只能在實踐中去摸索出真理和積累經(jīng)驗。以某公司研發(fā)、設(shè)計電阻爐、感應(yīng)爐、電弧爐為主要經(jīng)營業(yè)務(wù)、同時兼具調(diào)試和安裝售后服務(wù)?；诠炯爱a(chǎn)品的特點，淺談一種以真空退火爐為應(yīng)用載體，配套該類設(shè)備的電氣自動化控制系統(tǒng)。其中，應(yīng)用西門子觸摸屏Smart 700 IE實現(xiàn)該系統(tǒng)中的監(jiān)視、控制、記錄、查詢功能。

1 真空退火爐設(shè)備特性

某真空退火爐的主要技術(shù)參數(shù)如下：

額定功率/kW 330

額定溫度/ ℃ 800

最高工作溫度/ ℃ 850

工作區(qū)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(wěn)定度/ ℃±1

真空罐冷態(tài)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(zhì)量/ t ～9.5

2 電氣控制系統(tǒng)方案及功能

在滿足以上設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)的要求下，設(shè)計服務(wù)該參數(shù)性能的電氣控制系統(tǒng)。

2.1 電氣系統(tǒng)主要組成

控制系統(tǒng)由配電系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、HMI監(jiān)控系統(tǒng)四大部分組成。

2.2 配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)主要由低壓斷路器、快速熔斷器、交流接觸器、三相數(shù)字調(diào)功裝置等部分組成，主回路電壓、電流、功率等電參數(shù)均可在控制柜上的SCR調(diào)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(qū)加熱體連接，通過溫控系統(tǒng)對加熱電源輸出功率的實時調(diào)節(jié)，實現(xiàn)溫度的自動控制。

快速熔斷器在加熱主回路起保護作用，當(dāng)出現(xiàn)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(diào)功器通過電纜與各區(qū)加熱體相連接，通過溫控儀表的反饋信號對調(diào)功器輸出功率進行實時調(diào)節(jié)，實現(xiàn)溫度的自動控制。調(diào)功器選用全數(shù)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(shù)(如電壓、電流、功率等)上傳至HMI系統(tǒng)。

溫控柜柜體采用標(biāo)準(zhǔn)柜，前后開門，整體密封組合式結(jié)構(gòu)。柜內(nèi)安裝有檢修插座、并安裝強排風(fēng)風(fēng)機，以確保柜內(nèi)的溫升正常。每個柜內(nèi)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(nèi)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(dǎo)線接頭采取鍍鋅或搪錫措施，導(dǎo)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(tǒng)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(dǎo)線，以及所有的補償導(dǎo)線單獨穿管，以獲得較高的系統(tǒng)精度。溫控儀表輸出4～20mA信號至調(diào)功器輸出功率大小。設(shè)有超溫保護儀表，儀表采集超溫?zé)犭娕夹盘?，其溫度高報警輸出串接至調(diào)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(tǒng)

HMI系統(tǒng)主要用來監(jiān)控、顯示、記錄真空度參數(shù)和溫度趨勢，同時還可實現(xiàn)在線參數(shù)設(shè)定、實時工藝模擬顯示和報警顯示處理等功能。系統(tǒng)主界面如圖3所示。

HMI系統(tǒng)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(shè)備處于最佳工作狀態(tài)，按照給定的工藝要求完成執(zhí)行動作和升溫保溫的生產(chǎn)要求。該系統(tǒng)采用主從控制方式的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，上位主控功能主要由觸摸屏來實現(xiàn)，下位設(shè)備由PLC、控溫儀表及現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備組成，主從設(shè)備之間通過各自對應(yīng)的通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和處理功能。

觸摸屏組態(tài)軟件根據(jù)用戶習(xí)慣選用國產(chǎn)HIMbuilder，顯示屏暮10寸英寸顯示器，預(yù)留工廠級數(shù)據(jù)通訊接口。但這次選用SMART 700 IE V3在畫面制作和觸摸屏設(shè)置方面都國產(chǎn)屏幕好用的多，主要特點是畫面流暢。界面設(shè)置和相關(guān)參數(shù)調(diào)整界面如圖4所示。

圖2 溫度控制主電路圖

圖3 HMI系統(tǒng)主界面圖

圖4 界面設(shè)置和相關(guān)參數(shù)調(diào)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(tǒng)。當(dāng)測溫溫度值超出設(shè)定值時，溫控儀輸出一個信號，產(chǎn)生聲光報警。報警同時通過小型繼電器來驅(qū)動主回路上的交流接觸器切斷加熱電源。此外在溫度系統(tǒng)中設(shè)有各區(qū)超溫、斷偶、聲光報警、短路、漏電保護裝置。

聯(lián)鎖保護：爐體送電順序、停電順序等之間均設(shè)有相應(yīng)的聯(lián)鎖保護。

斷偶保護：當(dāng)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(guān)等相應(yīng)的保護電路，一旦某個溫區(qū)出現(xiàn)上述故障，該區(qū)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(shè)有短路、過載保護器件(見圖5)。

圖5 設(shè)備真空系統(tǒng)實物圖

3 結(jié) 論

真空爐監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控軟件開發(fā)時,應(yīng)充分從系統(tǒng)的基本要求和工藝特點出發(fā),滿足系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理能力。不僅能實現(xiàn)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(zhì)細膩，整個設(shè)備的運行狀態(tài)顯示更加清晰生動，滿足了系統(tǒng)高性價比的目標(biāo)。