賈慶功,王 瓏,馬 樂
(西安聚能裝備技術(shù)有限公司,陜西西安 710018)
隨著各種新型技術(shù)的不斷創(chuàng)新研發(fā),逐漸提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的材料技術(shù)要求,傳統(tǒng)材料已經(jīng)無法滿足當(dāng)今技術(shù)需要。目前,難熔材料廣泛應(yīng)用于航天航空、電子能源、國防、核工業(yè)、冶金及防化等領(lǐng)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(chǎn)難熔材料的專用設(shè)備,運行中往往要求真空、冷卻、機(jī)械、電子槍等各大系統(tǒng)之間能夠充分協(xié)調(diào)配合工作[2],對于人工控制,工作強度要求較大。因此,設(shè)計電子束熔煉爐自動化控制系統(tǒng)尤為必要。
以20 kW 電子束熔煉爐為例,真空系統(tǒng)主要包括機(jī)械泵和擴(kuò)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(jī)械泵,打開擴(kuò)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(jìn)行裝料,之后封爐,關(guān)閉主抽閥門,打開預(yù)抽閥。達(dá)到3.8×10-2Pa 真空環(huán)境下,關(guān)閉預(yù)抽閥后打開主抽閥和大閥,持續(xù)抽真空至3×102Pa。與陰極相連接后加入主高壓電源,進(jìn)行金屬熔煉并調(diào)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(guān)閉,并打開爐體放氣閥門[4]。
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(chǎn),需要控制的主要工藝指標(biāo)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(shè)計的真空自動化控制系統(tǒng)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(jī)械泵提供的交流電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。同時交流變頻器還具備過流保護(hù)和缺相保護(hù)功能。
真空室內(nèi)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(tǒng)精確數(shù)學(xué)控制模型,往往無法獲取滿意的動靜態(tài)控制成效。為確保獲得準(zhǔn)確真實的真空度控制效果,本次設(shè)計選用PID 控制,公式如下:
圖1 20 kW 電子束熔煉爐真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖2 自動化控制系統(tǒng)方案
式中 u(t)——輸出函數(shù)
Kp——比例系數(shù)
T1——積分時間常數(shù)
TD——微分時間常數(shù)
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(tǒng)設(shè)計中,電子束熔煉爐的爐體作為被控制對象,抽真空的機(jī)械泵運行電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制量,既定3.8×10-2Pa 真空系數(shù)。單極性信號根據(jù)真空計完成檢測并成功轉(zhuǎn)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(jī)械泵電機(jī)轉(zhuǎn)速信號調(diào)節(jié),經(jīng)PLC 組件成功實現(xiàn)PID 控制指令,最終經(jīng)D/A 送出單極信號。對輸出值進(jìn)行調(diào)整,確保最終獲得零誤差,獲得穩(wěn)定的系統(tǒng)控制運行狀態(tài)。
本次系統(tǒng)設(shè)計兩級控制模式,上級生產(chǎn)管理級,能夠通過上位機(jī)有效控制管理下位機(jī)的生產(chǎn)操作,以操作人員作為主要對象。下位機(jī)實現(xiàn)基礎(chǔ)測控,能夠采集熔煉爐生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)信息并控制生產(chǎn)過程。選用Win 7 上位機(jī)操作系統(tǒng),S7-200 下位機(jī)可編程控制儀器,包括電流電壓變送器、微機(jī)電力真空機(jī)??紤]到系統(tǒng)控制通信速度需要匹配生產(chǎn)現(xiàn)場的實際布線距離,配置RS232/485 進(jìn)行上位機(jī)串行口與下位機(jī)PLC 之間的通信控制。
(1)該自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)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(chǎn)組成系統(tǒng),方便生產(chǎn)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(chǎn)工藝流程,之后快速按停停爐按鈕。
(2)可以控制調(diào)整上述提出的熔煉工藝參數(shù),確保能夠順利完成熔煉生產(chǎn)。在調(diào)整過程中只需旋轉(zhuǎn)操作旋轉(zhuǎn)臺中的按鈕即可。
(3)能夠動態(tài)化實時且準(zhǔn)確顯示生產(chǎn)過程中的動態(tài)化參數(shù),保證操作人員實時了解系統(tǒng)實際運行情況,可以將結(jié)果展示在人機(jī)操作界面。
(4)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化生成報表及隨時打印,包括了操作的負(fù)責(zé)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(tǒng)控制產(chǎn)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(tǒng)全部暫停運行,確保熔煉爐安全可靠生產(chǎn)。
(6)設(shè)計多處聯(lián)鎖功能,例如,擴(kuò)散泵的前置泵為機(jī)械泵,在機(jī)械泵抽真空之前不能啟動擴(kuò)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(lián)鎖控制不同系統(tǒng)。
(7)具有故障警報功能,運用優(yōu)質(zhì)元器件,可以實現(xiàn)小型自動化節(jié)能控制。
(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(tǒng),完成真空輔助測控。
(2)選用ACS600 系列變頻器,通過運用DTC 技術(shù)可以控制轉(zhuǎn)矩。與先進(jìn)生產(chǎn)工藝共同推行運用的高性能變頻器結(jié)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(zhuǎn)矩。還能夠保證系統(tǒng)較好的保護(hù)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(jié)構(gòu)特點,占地面積小、低成本、性價比較高,方便安裝操作。
3.2.1 程序設(shè)計
下位機(jī)可以基于PLC 實現(xiàn)的自動、手動操作,在輸入端能夠與手動操作、開關(guān)信號連接。經(jīng)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(tǒng)。根據(jù)需要,電子束熔煉爐在生產(chǎn)中面對較復(fù)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(shè)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(jié)合PLC 設(shè)計編程梯形圖。結(jié)合上文所述的拉單晶整個工藝操作流程,能夠分配整個設(shè)備運行狀態(tài)并標(biāo)記中間變量。對于不同運行狀態(tài)下的系統(tǒng)聯(lián)鎖、轉(zhuǎn)移以及次序關(guān)系,包括明確控制不同輸入量和輸入量,最終成功轉(zhuǎn)變PLC 控制輸入、輸出信號邏輯關(guān)系,獲得梯形圖。
3.2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計
本次自動化控制系統(tǒng)設(shè)計,經(jīng)計算機(jī)控制組態(tài)軟件所支持的全部熔煉爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)備。因此需要設(shè)計控制系統(tǒng)硬件設(shè)備的適應(yīng)運行軟件環(huán)境,最終選定組態(tài)王6.2。能夠運用該軟件技術(shù)的強大功能,高效集成化控制熔煉爐的所有控制硬件設(shè)施。組態(tài)控制包括數(shù)據(jù)采集、處理兩大功能模塊,在運行過程中以頁眉、監(jiān)控中心、拉單晶車間、主菜單以及監(jiān)控中心作為4 個監(jiān)控界面,能夠顯示在組態(tài)王系統(tǒng)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(xiàn)快速響應(yīng)卷動,在短時間內(nèi)根據(jù)時間變化確定變量。當(dāng)所監(jiān)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(shù)值和目前的最新值。系統(tǒng)發(fā)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?;诮M態(tài)王實現(xiàn)的軟件功能,還能夠?qū)Ω黜椷\行參數(shù)設(shè)計相應(yīng)顏色(紅色為高度警報,黃色為低度警報,藍(lán)色為正常運行參數(shù)),還能夠動態(tài)化設(shè)計控制設(shè)備各運行參數(shù)的不同程度限位。
通過引入PLC 控制,提出基于PLC 及組態(tài)軟件的自動化控制,成功提升了熔煉爐生產(chǎn)工藝設(shè)備的控制效率和整體質(zhì)量,轉(zhuǎn)變原來的智能化控制為管理優(yōu)化設(shè)備。結(jié)合真空度PID 控制算法,實現(xiàn)自動化控制功能軟件設(shè)計,擁有高精度、快速響應(yīng)及運行安全穩(wěn)定的技術(shù)優(yōu)勢,能夠簡單操作可靠運行,獲得預(yù)期的難熔材料熔煉效果。