引言

真空熱處理是應(yīng)用于制造工業(yè)中，為了使工業(yè)產(chǎn)品具備良好性能的必要中間工序，它是熱處理的一個分支，主要目的是為了防止工件在加工過程中產(chǎn)生氧化和脫碳。由于可編程控制器應(yīng)用了微電子技術(shù)和計算機技術(shù)，各種控制功能是通過軟件來實現(xiàn)的，只要改變程序，就可適應(yīng)生產(chǎn)工藝的改變，因而適應(yīng)性強。它不僅能完成邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，而且能進行算術(shù)運算．因而既可進行開關(guān)量控制，又可進行模擬量控制，還能與計算機聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)分級控制。況且PLC體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，開發(fā)周期短，安裝和維護工作量小。因此，在用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的過程中，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，大多數(shù)被PLC所取代。本文正是通過闡述PLC和真空熱處理爐控制系統(tǒng)相結(jié)合進行設(shè)計，提出整體思路，并進行了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計。

1 控制系統(tǒng)方案的確定

1．1 控制系統(tǒng)的工作原理

首先，將預(yù)定工作的PLC及被控制的真空熱處理上電，并向工業(yè)控制機發(fā)送準(zhǔn)備就緒信號。此后，利用工業(yè)控制機啟動整個系統(tǒng)的控制運行。工作過程中，PLC一方面實現(xiàn)與工業(yè)控制機之間的數(shù)據(jù)通信，一方面控制真空熱處理爐的正常運行。當(dāng)PLC接收到工業(yè)控制機發(fā)出的數(shù)據(jù)提取命令后，就把采集到的真空熱處理爐工作情況，如爐內(nèi)真空度、溫度、冷卻水狀態(tài)以及各部件的開關(guān)狀態(tài)等數(shù)據(jù)向工業(yè)控制機發(fā)送，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，PLC又繼續(xù)控制真空熱處理爐。

PLC對設(shè)備的控制主要是通過接觸器、固態(tài)繼電器等電氣元件組成的外圍電路來控制氣壓閥、真空泵、電阻絲等各部件的運行、送氣操作、到限與故障報警。而工業(yè)控制機一方面把接收到的數(shù)據(jù)處理并顯示，另一方面則等待第二個時鐘中斷信號的到來，準(zhǔn)備發(fā)出下一個提取數(shù)據(jù)的命令和接收發(fā)來的數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)設(shè)計為一臺工業(yè)控制機連接兩臺PLC，將定時提取每一臺PLC數(shù)據(jù)，輪流往復(fù)地控制兩臺PLC工作。

1．2 控制系統(tǒng)總體布局

設(shè)備總體以PLC作為控制核心，工業(yè)控制機作為監(jiān)督和顯示。利用熱電偶返回溫度信號，通過與設(shè)定值比較輸出可控脈沖給固態(tài)繼電器來控制溫度。利用真空傳感器返回真空度信號，然后根據(jù)真空度的數(shù)值進行下一步工作，并驅(qū)動電磁閥和真空泵使?fàn)t膛達到所需真空度。對于循環(huán)水傳感器進行監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)報警狀態(tài)時及時進行處理。通過控制循環(huán)水閥門和循環(huán)水泵的開啟協(xié)調(diào)整個廠房所有真空爐的用水量。通過PLC程序控制爐門的直線開關(guān)和旋轉(zhuǎn)開關(guān)。總體布局示意圖如圖1。

1．3 控制系統(tǒng)設(shè)計方案

控制系統(tǒng)共分為供電系統(tǒng)，抽真空控制系統(tǒng)，加熱控制系統(tǒng)，爐門開關(guān)臺車進出控制系統(tǒng)，循環(huán)水控制系統(tǒng)。而供電系統(tǒng)為手動操作。以抽真空控制系統(tǒng)為例介紹系統(tǒng)設(shè)計方案。操作步驟是用PLC進行編程，由機械泵，羅茲泵進行抽初中級真空，擴散泵準(zhǔn)備。取到達一定真空度和擴散泵準(zhǔn)備好的較長時間打開擴散泵，具體原理見圖2。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

PLC控制系統(tǒng)的硬件是由PLC，輸入／輸出電路以及外圍設(shè)備等組成的。系統(tǒng)的規(guī)模根據(jù)真空熱處理工藝需要而定，真空熱處理爐的PLC順序控制系統(tǒng)的硬件組成圖3所示。

由于真空熱處理爐帶有閉環(huán)控制、PID調(diào)節(jié)、通信連網(wǎng)等，故控制線路較為復(fù)雜，因此選擇大中型PLC方能滿足要求。由于本控制系統(tǒng)控制的對象是容積為10立方米的熱處理真空爐，確定采用PLC型號為S7-300，抽真空系統(tǒng)的外部組件連接見圖4。其中NL1-NL3為機械泵，ND1，ND2為擴散泵，NZ1為羅茲泵．VP1-VP13為氣動閥門，BW1-BW5為泵體冷卻器，PT1-PT4，PA1，PA2。PA3為真空傳感器，PD1-PD3為壓力表。由機械泵NL1，NL2，NL3抽初級真空，NZ1抽中級真空，ND1，ND2抽高級真空。

3 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計步驟

(1)制定真空爐運行方案。根據(jù)熱處理工藝的要求，分析熱電偶、真空度等輸入?yún)?shù)與控制接觸器和固態(tài)繼電器等的輸出信號與各種操作之間的邏輯關(guān)系，確定需要檢測的量和控制的方法。并設(shè)計出真空爐系統(tǒng)中各設(shè)備的操作內(nèi)容和操作順序。據(jù)此可畫出流程圖。

(2)畫抽真空和溫度控制流程圖。

(3)制定PLC控制系統(tǒng)的抗干擾措施，比如電源隔離、外圍電路的光電偶合。

(4)編寫程序，根據(jù)被控對象輸入如熱電偶和輸出信號如控制固態(tài)繼電器的脈沖及所選定PLC型號，分配硬件資源，為梯形圖的各種繼電器或接點進行編號，再按照技術(shù)說明，用梯形圖進行編程。