真空热处理设备PLC温控系统设计

　　真空热处理设备应用越来越广泛，一般都需要外购温控表控制温度。本文设计了PLC 温控系统，在设备自带PLC中利用PID模块设计控温系统，无需外购温控表，大大减少设备成本并降低故障发生。同时，把温控程序与真空设备原有程序放在一个软件系统里编程，可减少通讯线路，系统运行稳定，反应迅速。

1、真空热处理技术

　　真空热处理是真空技术与热处理技术相结合的新型热处理技术，真空热处理所处的真空环境指的是低于一个大气压的气氛环境，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空，真空热处理实际也属于气氛控制热处理。真空热处理是指热处理工艺的全部和部分在真空状态下进行的，真空热处理可以实现几乎所有的常规热处理所能涉及的热处理工艺，但热处理质量大大提高。与常规热处理相比，真空热处理的同时，可实现无氧化、无脱碳、无渗碳，可去掉工件表面的磷屑，并有脱脂除气等作用，从而达到表面光亮净化的效果。

　　1.1、真空冶金

　　在低于标准大气压条件下进行的冶金作业。可以实现大气中无法进行的冶金过程，能防止金属氧化，分离沸点不同的物质，除去金属中的气体或杂质，增强金属中碳的脱氧能力，提高金属和合金的质最。真空冶金一般用于金属的熔炼、精炼、浇铸和热处理等，随着尖端科学技术的迅速发展，真空冶金在稀有金属、钢和特种合金的冶炼方面日益广泛地得到应用。

　　1.2、温度控制

　　温度控制已成为工业生产、科研活动中很重要的一个环节，能否成功地将温度控制在所需的范围内，关系到整个活动的成败。由于控制对象的多样性和复杂性，导致采用的温控手段的多样性。在真空热处理设备的温度控制系统中，首先将需要控制的被测参数温度，由传感器转换成一定的信号后，再与预先设定的值进行比较，把比较得到的差值信号，经过一定规律的计算后，得到相应的控制值，此时将控制量送给控制系统进行相应的控制，而且不停地进行上述工作，从而达到自动调节的目的。

　　1.3、PID 控制原理

　　在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID 控制器(亦称PID 调节器)是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象———“一阶滞后+ 纯滞后”与“二阶滞后+ 纯滞后”的控制对象，PID 控制器是一种最优控制。PID 调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活。

　　2、硬件设计

　　CPU 采用西门子S7-300 系列314C-2 型PLC ，该PLC 具有以太网和D P 通讯、模拟量输入输出功能等，可满足常规热处理设备要求。

　　另外热电偶温度变送可测量实际温度值。人机界面采用TP1900 精致面板，与300 系列PLC 兼容性较好，连接比较方便。整个温控系统结构如图1 所示。

图1 系统框图

3、PLC 程序设计

　　PLC 程序在博图V 13 中使用SCL 语言编写，包括加热PV 启动程序、加热过程中SP 计算程序、段插入/删除/跳段程序、PID 模块程序。其中PID 程序使用周期为100m s 的循环中断O B1块中编写，保证PID 函数计算周期的精确性。PID模块采取FB58 温控PID 模块，该模块具有控制和自整定功能，使用方便。

　　3.1、变量定义

　　所有重要参数均存放在D B 数据块中，防止丢失。

　　3.2、启动值跟随PV

　　加热启动时，使SP=PV。即使在高温出现故障加热中断，重新加热时，能够直接从PV 启动，节省时间。如图2 所示。

图2 PV 启动示意图

　　3.3、加热过程中SP 计算

　　加热时，随着时间T 增加，SP 随时间不断增加。

　　3.4、删除段、插入段与跳段操作

　　当执行删除段操作时，将Del 段删除，并将其之后的所有段前移；当执行插入Ins 段操作时，将Ins 段及其之后所有段后移，并将插入段放在Ins 段；当执行跳段操作时(加热时)，直接跳到程序下一段。段插入删除如图3 所示。

图3 段插入与删除

　　3.5、PID 功能调试

　　①PID 初始参数设置：根据实际经验，设定增益P=5，积分时间I=120s，微分时间D=30s。PID 回路设定界面截图如图5 所示。

　　②PID 自整定：启动程序，800℃时，暂停程序，开启PID 自整定功能，经一段时间的整定后得出整定后的PID 值分别为P =6.0，I =23，D =5.78，如图5 所示。从低温开始再次试验加热过程，如图6 温度曲线，控温精度较高，低温时有少量过冲，400℃时控温精度达到±1℃，满足使用要求。

　　3.6、加热过程中自动保护程序

　　加热时，有时候材料大量放气，造成真空度迅速降低很多，一般都采用手动保持，待真空度恢复后再继续升温。可将此操作写入自动程序，真空度低于设定值时自动保持，恢复后自动升温，减少操作量。

图4 PID 参数设定

图5 PID 自整定

图6 人机界面

4、人机界面设计

　　如图6 所示为触摸屏控温画面，由工艺编辑、操作按钮、数据显示、棒图、温度曲线等组成。工艺曲线一共可设定20 段，可直接在工艺编辑部分设定工艺参数，也可以在配方中设定，再将配方数据导出到变量中，配方具有存储功能，可满足一般设备要求。在配方中可修改工艺名，界面较人性化。可进行插入段、删除段操作，在运行时可进行跳段操作。显示运行时间、运行段号等参数，方便观察工艺过程。

　　可对各参数修改按钮及模块设置不同操作权限，防止操作失误造成意外。人机界面中显示所有运行参数，能随时观察到设备运行状态。加入配方功能，方便工艺存储与读取。

5、结论

　　本文设计了PLC 温控系统，包括硬件系统设计、PLC 软件系统设计、触摸屏人机界面设计。系统构成较简单，符合常规热处理设备操作习惯，操作方便。