郭長(zhǎng)遠(yuǎn)，楊少武，劉杰林

(1.寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000;2. 中色(寧夏)東方集團(tuán)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(chǎn)過程中的關(guān)鍵工藝，稀有金屬通過在高真空環(huán)境下進(jìn)行消除應(yīng)力，再結(jié)晶退火用來改變晶粒結(jié)構(gòu)、細(xì)化組織、軟化材料，還可以達(dá)到防止氧化、除氣、脫脂、使氧化物蒸發(fā)，以提高產(chǎn)品表面光亮度和機(jī)械性能。公司現(xiàn)有數(shù)臺(tái)2000年以前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)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(dòng)完成，溫度、真空度等生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)都需要人工記錄，數(shù)據(jù)記錄易出錯(cuò)、效率低、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的可追溯性差。現(xiàn)在就這些退火爐做智能化改造的控制思路、硬件構(gòu)成、軟件等技術(shù)介紹如下。

2 系統(tǒng)功能介紹

退火爐選用西門子PLC 1214C做控制系統(tǒng)，完善冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，水壓、流量數(shù)據(jù)的采集、完善真空系統(tǒng)的連鎖互鎖動(dòng)作、升級(jí)加熱控制系統(tǒng)，使得溫度的程序控制溫度的準(zhǔn)確度、控制精度、溫度的均勻性都徹底改善[1]。用上位機(jī)組態(tài)做數(shù)據(jù)的記錄和監(jiān)控，并將這些退火爐組成一個(gè)小局域網(wǎng)，建立一個(gè)遠(yuǎn)程服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在本地和遠(yuǎn)程記錄的雙備份，并將設(shè)備的監(jiān)控運(yùn)行信息發(fā)布到云端，設(shè)置權(quán)限的人員實(shí)時(shí)訪問，并將設(shè)備的運(yùn)行情況及重要信息實(shí)時(shí)的發(fā)布到指定人員的手機(jī)上。控制程序設(shè)計(jì)同時(shí)也加入了一系列的預(yù)處理程序，可以實(shí)現(xiàn)模擬操作者在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)操作設(shè)備，達(dá)到無人值守的目的。

3 總體方案的設(shè)計(jì)

退火爐系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)如圖1所示。

圖1 退火爐系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)圖

如圖1所示，每臺(tái)退火爐系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)等部分構(gòu)成，現(xiàn)場(chǎng)通過RS232、RS485、工業(yè)以太網(wǎng)、GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和交互。PLC接收循環(huán)水系統(tǒng)中的壓力、流量、壓縮空氣的壓力、溫度傳感器的溫度信號(hào)、控制著各個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作在接收各個(gè)動(dòng)作反饋的動(dòng)作信號(hào)，傳至上位機(jī)保存，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)著溫控系統(tǒng)的溫度控制程序是否正常，時(shí)刻防止異常情況的出現(xiàn)。結(jié)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(shè)計(jì)上分為單動(dòng)、手動(dòng)、自動(dòng)三種操作模式。

單動(dòng)模式遵循原設(shè)備的所有控制方式不變，設(shè)備的每一步動(dòng)作都需要操作者手動(dòng)操作，僅就設(shè)備的數(shù)據(jù)記錄無需手工記錄。

手動(dòng)方式是將如圖2所示的各個(gè)泵、閥、加熱等動(dòng)作做了必要的連鎖互鎖，用來防止誤操作而引起的設(shè)備異常、產(chǎn)品異常。

自動(dòng)方式只要操作者裝好產(chǎn)品設(shè)定好或從工藝庫中選擇好工藝曲線，按動(dòng)自動(dòng)啟動(dòng)按鈕，設(shè)備進(jìn)入全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，退火爐自動(dòng)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(kuò)散泵預(yù)熱、維持泵預(yù)抽、預(yù)抽閥自動(dòng)開啟關(guān)閉、機(jī)械泵啟動(dòng)、羅茨泵啟動(dòng)、前級(jí)閥、高真空閥、擴(kuò)散泵啟動(dòng)等一系列動(dòng)作由PLC自動(dòng)控制執(zhí)行。

真空度到達(dá)預(yù)設(shè)值時(shí)加熱自動(dòng)啟動(dòng)。溫度是否受控，是由PLC通過自身的溫度模塊進(jìn)行監(jiān)控。通過歷史數(shù)據(jù)分析PLC計(jì)算完成工藝曲線、產(chǎn)品出爐的具體時(shí)間，也可以讓PLC選擇合理的時(shí)間段加熱、保溫以利用階梯電價(jià)降低生產(chǎn)成本。在這個(gè)過程中所有可能出現(xiàn)的故障都做了預(yù)處理動(dòng)作，出現(xiàn)的什么樣故障就執(zhí)行相應(yīng)的預(yù)處理程序，PLC還通過自身的模擬量模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加熱的電流、電壓、擴(kuò)散泵的電流、電壓，防止出現(xiàn)異常，這些功能都經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試，如退火過程中如果真空降低到一個(gè)閾值，加熱曲線會(huì)保持或停止，如果真空好轉(zhuǎn)到可以繼續(xù)加熱的閾值，加熱曲線就繼續(xù)運(yùn)行，如果真空又一次惡化要停止加熱，真空繼續(xù)運(yùn)行直至溫度降到室溫，工作過程的異常會(huì)做報(bào)警記錄，同時(shí)將信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到指定人員手機(jī)上。

通過權(quán)限設(shè)置，技術(shù)工程師、操作員可以通過權(quán)限登錄到云端查看設(shè)備的相應(yīng)監(jiān)控信息，設(shè)備監(jiān)控界面中上位機(jī)遠(yuǎn)程服務(wù)器的顯示信息一致，信息在分級(jí)授權(quán)。所有人的操作也將記錄在上位機(jī)和遠(yuǎn)程服務(wù)器中，可以為后續(xù)問題的處理及產(chǎn)品性能優(yōu)化工藝提供全方位的信息。

在自動(dòng)模式中因?yàn)榭紤]到設(shè)備無人值守，所以對(duì)退火爐長(zhǎng)期以來出過的所有故障都做了預(yù)處理程序。循環(huán)水?dāng)嗨嚎s空氣斷氣、設(shè)備斷電異常情對(duì)產(chǎn)品和設(shè)備是致命的威脅[2]。真空退火爐確保斷電、斷循環(huán)水的應(yīng)對(duì)措施，采用了雙電源供電并自備UPS電源、應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組、應(yīng)急事故水、能做到斷電、斷水的極端情況下上位機(jī)、PLC控制系統(tǒng)電不中斷、事故冷卻水5 s內(nèi)提供。平時(shí)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(nèi)的溫度均勻性有關(guān)，如果爐內(nèi)前中后區(qū)的控制偶、監(jiān)測(cè)偶顯示爐內(nèi)溫度不均勻則就停止工藝的執(zhí)行，否則先執(zhí)行完，產(chǎn)品出爐后再處理。

圖3 真空退火爐控制模式

設(shè)備的三種操作模式可以無擾動(dòng)平滑切換，不論設(shè)備是何種模式，其每一個(gè)操作者登錄記錄、生產(chǎn)批次記錄、設(shè)定數(shù)據(jù)記錄，每一個(gè)動(dòng)作操作，每一秒鐘真空度、溫度、電流電壓等數(shù)據(jù)都實(shí)時(shí)保存。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 加熱系統(tǒng)

本加熱系統(tǒng)采用智能程序控制器歐陸2604，控制歐陸調(diào)功器7 100 A推動(dòng)2 000 VA的磁性調(diào)壓器帶動(dòng)加熱器工作，控制熱電偶和表面檢測(cè)偶為C型熱電偶，用歐陸的3204溫控表做溫度巡檢，同時(shí)PLC模塊也設(shè)計(jì)了溫度傳感單元，同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度情況。歐陸2604這一回路組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，而3204、PLC溫度單元又是一個(gè)大閉環(huán)監(jiān)控，異常時(shí)也可以直接控制加熱。

3.2 真空、循環(huán)水及壓縮空氣系統(tǒng)

真空系統(tǒng)采用機(jī)械泵、羅茨泵、擴(kuò)散泵三級(jí)抽空，用復(fù)合真空計(jì)測(cè)量，另外還在爐膛處加裝了SMC的數(shù)字壓力開關(guān)做獨(dú)立的監(jiān)測(cè)，防止真空的異常。循環(huán)水系統(tǒng)在主管道、爐體、擴(kuò)散泵體都加裝了壓力傳感器和流量傳感器這些傳感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄、實(shí)時(shí)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(jī)房空壓機(jī)信號(hào)接入本設(shè)備PLC，防止意外的發(fā)生。

3.3 控制系統(tǒng)

本地的設(shè)備動(dòng)作是用西門子PLC1214C為控制核心，結(jié)合開關(guān)量I/O模塊、模擬量I/O模塊、溫度模塊、GSM通信模塊，經(jīng)過PLC內(nèi)部預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序執(zhí)行各自的動(dòng)作，及與研華工控機(jī)、復(fù)合真空計(jì)、溫控儀等的通信。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)分為PLC程序的設(shè)計(jì)和上位機(jī)組態(tài)程序的設(shè)計(jì)。

PLC程序使用西門子TIA博圖V14SP1設(shè)計(jì)，該軟件是一款全新的全集成自動(dòng)化軟件，是業(yè)內(nèi)首個(gè)采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項(xiàng)目環(huán)境的自動(dòng)化軟件，幾乎適用于所有自動(dòng)化任務(wù)。借助該全新的工程技術(shù)軟件平臺(tái)，開發(fā)者能夠快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試自動(dòng)化系統(tǒng)。TIA博圖作為一切未來軟件工程組態(tài)包的基礎(chǔ)，可對(duì)西門子全集成自動(dòng)化中所涉及的所有自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)行組態(tài)、編程和調(diào)試。直觀、高效、可靠是TIA博圖軟件的優(yōu)點(diǎn)，支持類Windows操作，拖拽、粘貼復(fù)制、自動(dòng)同步硬件組態(tài)、高級(jí)語言、梯形圖混編、編程的束縛很少。常規(guī)邏輯控制使用梯形圖、語句表、做計(jì)算分析用C語言建立模型，非常方便，在線調(diào)試、離線仿真也簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。

上位機(jī)組態(tài)采用的亞控組態(tài)王6.6版本，本地上位機(jī)設(shè)計(jì)好所需界面，遠(yuǎn)程服務(wù)器集成上位機(jī)的程序，通過WEB發(fā)布的功能發(fā)布到企業(yè)云端。

6 結(jié) 語

這些改造后的退火爐已正常使用18個(gè)月，運(yùn)行良好。期間也出現(xiàn)過2次問題，通過記錄數(shù)據(jù)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(bào)警加熱電流不平衡，但當(dāng)時(shí)爐內(nèi)溫度正常，未停爐，待到出爐后檢視加熱帶發(fā)現(xiàn)一根加熱帶燒損嚴(yán)重。一次為抽真空的過程中高真空閥開啟異常連續(xù)兩次設(shè)備自動(dòng)平穩(wěn)停止運(yùn)行，后來經(jīng)過分析實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)爐體密封泄露，設(shè)備及時(shí)的停止避免了產(chǎn)品的被氧化的危險(xiǎn)。

通過本次退火爐的成功改造，使這些老舊退火爐重新煥發(fā)了生機(jī)，為同類退火爐的設(shè)計(jì)或改進(jìn)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，在工業(yè)加熱爐具有廣泛的推廣價(jià)值。