真空熱處理設備PLC溫控系統設計
真空熱處理設備應用越來(lái)越廣泛，一般都需要外購溫控表控制溫度。本文設計了PLC 溫控系統，在設備自帶PLC中利用PID模塊設計控溫系統，無(wú)需外購溫控表，大大減少設備成本并降低故障發(fā)生。同時(shí)，把溫控程序與真空設備原有程序放在一個(gè)軟件系統里編程，可減少通訊線(xiàn)路，系統運行穩定，反應迅速。
1、真空熱處理技術(shù)
真空熱處理是真空技術(shù)與熱處理技術(shù)相結合的新型熱處理技術(shù)，真空熱處理所處的真空環(huán)境指的是低于一個(gè)大氣壓的氣氛環(huán)境，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空，真空熱處理實(shí)際也屬于氣氛控制熱處理。真空熱處理是指熱處理工藝的全部和部分在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，真空熱處理可以實(shí)現幾乎所有的常規熱處理所能涉及的熱處理工藝，但熱處理質(zhì)量大大提高。與常規熱處理相比，真空熱處理的同時(shí)，可實(shí)現無(wú)氧化、無(wú)脫碳、無(wú)滲碳，可去掉工件表面的磷屑，并有脫脂除氣等作用，從而達到表面光亮凈化的效果。
1.1、真空冶金
在低于標準大氣壓條件下進(jìn)行的冶金作業(yè)�？梢詫�(shí)現大氣中無(wú)法進(jìn)行的冶金過(guò)程，能防止金屬氧化，分離沸點(diǎn)不同的物質(zhì)，除去金屬中的氣體或雜質(zhì)，增強金屬中碳的脫氧能力，提高金屬和合金的質(zhì)最。真空冶金一般用于金屬的熔煉、精煉、澆鑄和熱處理等，隨著(zhù)尖端科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，真空冶金在稀有金屬、鋼和特種合金的冶煉方面日益廣泛地得到應用。
1.2、溫度控制
溫度控制已成為工業(yè)生產(chǎn)、科研活動(dòng)中很重要的一個(gè)環(huán)節，能否成功地將溫度控制在所需的范圍內，關(guān)系到整個(gè)活動(dòng)的成敗。由于控制對象的多樣性和復雜性，導致采用的溫控手段的多樣性。在真空熱處理設備的溫度控制系統中，首先將需要控制的被測參數溫度，由傳感器轉換成一定的信號后，再與預先設定的值進(jìn)行比較，把比較得到的差值信號，經(jīng)過(guò)一定規律的計算后，得到相應的控制值，此時(shí)將控制量送給控制系統進(jìn)行相應的控制，而且不停地進(jìn)行上述工作，從而達到自動(dòng)調節的目的。
1.3、PID 控制原理
在過(guò)程控制中，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行控制的PID 控制器(亦稱(chēng)PID 調節器)是應用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，適用面廣，控制參數相互獨立，參數的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對于過(guò)程控制的典型對象———“一階滯后+ 純滯后”與“二階滯后+ 純滯后”的控制對象，PID 控制器是一種最優(yōu)控制。PID 調節規律是連續系統動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數整定方式簡(jiǎn)便，結構改變靈活。
2、硬件設計
CPU 采用西門(mén)子S7-300 系列314C-2 型PLC ，該PLC 具有以太網(wǎng)和D P 通訊、模擬量輸入輸出功能等，可滿(mǎn)足常規熱處理設備要求。
另外熱電偶溫度變送可測量實(shí)際溫度值。人機界面采用TP1900 精致面板，與300 系列PLC 兼容性較好，連接比較方便。整個(gè)溫控系統結構如圖1 所示。
圖1 系統框圖
3、PLC 程序設計
PLC 程序在博圖V 13 中使用SCL 語(yǔ)言編寫(xiě)，包括加熱PV 啟動(dòng)程序、加熱過(guò)程中SP 計算程序、段插入/刪除/跳段程序、PID 模塊程序。其中PID 程序使用周期為100m s 的循環(huán)中斷O B1塊中編寫(xiě)，保證PID 函數計算周期的精確性。PID模塊采取FB58 溫控PID 模塊，該模塊具有控制和自整定功能，使用方便。
3.1、變量定義
所有重要參數均存放在D B 數據塊中，防止丟失。
3.2、啟動(dòng)值跟隨PV
加熱啟動(dòng)時(shí)，使SP=PV。即使在高溫出現故障加熱中斷，重新加熱時(shí)，能夠直接從PV 啟動(dòng)，節省時(shí)間。如圖2 所示。
圖2 PV 啟動(dòng)示意圖
3.3、加熱過(guò)程中SP 計算
加熱時(shí)，隨著(zhù)時(shí)間T 增加，SP 隨時(shí)間不斷增加。
3.4、刪除段、插入段與跳段操作
當執行刪除段操作時(shí)，將Del 段刪除，并將其之后的所有段前移；當執行插入Ins 段操作時(shí)，將Ins 段及其之后所有段后移，并將插入段放在Ins 段；當執行跳段操作時(shí)(加熱時(shí))，直接跳到程序下一段。段插入刪除如圖3 所示。
圖3 段插入與刪除
3.5、PID 功能調試
�、貾ID 初始參數設置：根據實(shí)際經(jīng)驗，設定增益P=5，積分時(shí)間I=120s，微分時(shí)間D=30s。PID 回路設定界面截圖如圖5 所示。
�、赑ID 自整定：?jiǎn)?dòng)程序，800℃時(shí)，暫停程序，開(kāi)啟PID 自整定功能，經(jīng)一段時(shí)間的整定后得出整定后的PID 值分別為P =6.0，I =23，D =5.78，如圖5 所示。從低溫開(kāi)始再次試驗加熱過(guò)程，如圖6 溫度曲線(xiàn)，控溫精度較高，低溫時(shí)有少量過(guò)沖，400℃時(shí)控溫精度達到±1℃，滿(mǎn)足使用要求。
3.6、加熱過(guò)程中自動(dòng)保護程序
加熱時(shí)，有時(shí)候材料大量放氣，造成真空度迅速降低很多，一般都采用手動(dòng)保持，待真空度恢復后再繼續升溫�？蓪⒋瞬僮鲗�(xiě)入自動(dòng)程序，真空度低于設定值時(shí)自動(dòng)保持，恢復后自動(dòng)升溫，減少操作量。
圖4 PID 參數設定
圖5 PID 自整定
圖6 人機界面
4、人機界面設計
如圖6 所示為觸摸屏控溫畫(huà)面，由工藝編輯、操作按鈕、數據顯示、棒圖、溫度曲線(xiàn)等組成。工藝曲線(xiàn)一共可設定20 段，可直接在工藝編輯部分設定工藝參數，也可以在配方中設定，再將配方數據導出到變量中，配方具有存儲功能，可滿(mǎn)足一般設備要求。在配方中可修改工藝名，界面較人性化�？蛇M(jìn)行插入段、刪除段操作，在運行時(shí)可進(jìn)行跳段操作。顯示運行時(shí)間、運行段號等參數，方便觀(guān)察工藝過(guò)程。
可對各參數修改按鈕及模塊設置不同操作權限，防止操作失誤造成意外。人機界面中顯示所有運行參數，能隨時(shí)觀(guān)察到設備運行狀態(tài)。加入配方功能，方便工藝存儲與讀取。
5、結論
本文設計了PLC 溫控系統，包括硬件系統設計、PLC 軟件系統設計、觸摸屏人機界面設計。系統構成較簡(jiǎn)單，符合常規熱處理設備操作習慣，操作方便。
