大型真空退火炉电气控制系统设计研究

张凯 邓宁嘉

【摘要】真空退火炉利用稀有金属材料，如：钛、锆等，真空退火。真空退火炉具有容积大、温控精度高、温度差异小、结构简单，可靠性高的特点。真空退火炉根据工艺流程利用工业人机交换界面的电气控制的设计方法，主要以PLC为核心，来实现炉体的恒温控制。还利用上位机进行实时监控，监控现场工况。从而该控制系统达到了工业的工艺流程和控制要求，系统稳定可靠。

真空退火炉主要是由电气控制系统、电机系统、高真空系统、炉体系统和外围系统构成。高真空系统主要由高真空机组组成，主要用于抽空炉体和维持真空。其优点如下：第一，退火改变了晶体的结构，消除了内应力以及软化材料。第二，防止了氧化脱碳脱脂，从而提高了表面的光亮度以及力学性能。第三，炉体容积大，温度控制精度高，温区温差小，系统稳定。第四，炉温控制系统复杂，该数据具有时变性、非线性以及滞后性的特点。所以随着加热时间增加、加热温度的升高和真空度的增大，将产生不同的退火效果。第五，可编程控制器（PLC）结构简单、抗干扰能力强、通用性好，可以很好的提高系统的稳定性和准确性，从而提高生产效益。本设计中采用以PLC为核心，闭环控制PID功能模块来实现恒温控制，达到炉温控制。利用PLC编程软件中的梯形图语言进行编程，来控制整个过程。上位机监控系统包括工况监控中的真空和温度画面的监控，使数据能够实时反映和控制。

1、真空退火炉的总体设计

1.1 真空退火炉的构成

真空退火炉是利用外循环式、单室內加热的方式，是一种快速冷却卧式的电阻炉。真空退火炉由炉体系统、传动系统、高真空系统、加热系统和冷却系统构成。

1） 炉体系统：炉体系统是由炉门、炉体外壳、加热室和电阻带。炉门的开关为自动控制，是利用紧压缸传动装置来控制的。炉体外壳是采用了圆筒形的结构，不锈钢材料。炉体有多个加热温区，每个温区有电阻带加热。

2） 传动系统：传动装置是指料架、平板车和电动机的控制。将工件放在料架上，并且将工件的料车都放在平板车上。将其放入炉门口，由电机控制传送。送到炉口时，限位开关关闭，再将其托送到炉内加热区，也是由电机控制装置驱动。

3） 高真空系统：由真空机组组成，都位在炉体的一侧，每套真空机组的组成是扩散泵、罗茨泵、维持泵、断路器、接触器和相应的管道，主要作用是控制驱动泵的启停以及电磁阀门的开关。真空系统的控制程序是机组的顺序控制，其顺序为：第一，对的扩 散 泵 预 热的控制。第二，对炉体的粗抽阀门和高真空阀门的控制。

4） 加热系统：加热系统的加热方式是电加热，是利用电阻带进行加热。炉内分布着不同的温区，也设置了相应的控温设备。炉体加热程序是对加热器的控制，根据炉内的温度曲线进行控制。当炉内的真空度小于设定值时，进行加热。

5） 冷却系统：冷却系统的降温方式是利用水冷却的方式，使炉内以及真空泵降温。炉体利用在外壳夹层中进行水循环，外壳缠绕着水管。真空泵也布置了水管。

1.2真空退火炉的工艺过程

真空退火炉的工艺过程为：送料、抽真空、加热、冷却、真空释放、工件出炉。其中钛材料的送料和工件出炉是控制系统的次要部分，主要部分是真空控制和温度控制。上位机的启动和监控、电动机的启动、料车的控制紧压缸装置的控制、真空泵的控制以及冷热系统的控制都其中的控制部分。上位机启动进行监控，进而电动机启动控制料车送料，送入炉内，炉门关闭，真空泵开启，进行抽真空。抽真空完毕后，关闭真空泵，进行加热和冷却。最后，开启炉门，真空释放，工件出炉。

1.3 控制系统的硬件设计

西门子PLC能控制多种功能和指令，能满足真空退火炉的工艺要求和控制要求。本设计的控制系统硬件由工控机控制，控制系统采用分布式的I/O控制方式，系统由工控机、PLC控制系统、工业触摸屏组成。工控机主要用于系统的监控，对工作状态实时显示，还有参数的设定和修改的功能。PLC控制系统主要用于接受一些实时的信号和数据，并对数据进行分析和处理，进而控制整个系统。包括热电偶的参数采集和设定，各个行程开关的信号采集与处理，料车的速度与位置的数据处理，还有真空系统、加热系统的数据控制。上位机采用工业计算机IPC-610H系列，下位机采用西门子中的PLC S7-300系列，进行对各个传感器数据的处理，从而达到整个系统的控制，包括逻辑控制、恒温控制，以及故障报警的控制。将真空退火炉的工作状态传送到上位机中。PLC系统与上位机通讯，获取真空退火炉的实时数据。根据此设计的要求选取PLC的扩展模块，选取数字量输入模块作为接受主要电气、检测开关等的输入信号，还要选取数字量输出模块作为控制阀门和真空泵的执行元件。CPU模块作为核心模块，功能如下：第一，实时反映温度、压力等参数给上位机。第二，实时控制整个系统。根据扩展模块的数量和程序的复杂程度选择

2、结论

1）针对真空退火炉的工艺要求，西门子PLC满足了多温区的恒温性和高真空的精度，实现了连续的PID 控制，充分保证了系统的稳定性和准确性，满足了工业企业的要求，降低了成本，提高了工作效益。

2）工控机IPC、西门子PLC S7-300系列以及工业触摸屏等系统实现了实时监控、实时数据采集和处理，达到了方便化，自动化的时代要求。还实现了上位机监控以及下位机控制的功能。

3）通过实践表明，真空退火炉抗干扰能力强，具有良好的控温精度、调整时间短、超调量小等优点。通过以往的数据表明，真空退火炉的设计没有出现过电气故障，操作安全，具有良好的发展前景。

参考文献

[1]杨卫林.真空退火炉电气控制系统改造.《节能》，2010年10期 .

[2]周志文，马安仁，王晓燕.基于单片机的真空退火炉温度程序控制器设计.《工业仪表与自动化装置》，2012年6期.