大型真空铝钎焊炉控制系统(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京航天万源科技公司 作者:王剑

  介绍了大型真空铝钎焊炉控制系统的开发。该控制系统所实现的功能主要是温度控制和逻辑控制,要求的控制点数多,各个被控对象互相关联。控制系统核心为可编程序控制器。用CX-Programmer 软件编程的方法来实现对各个机械系统的控制和设置各种保护功能。可编程序控制器具有灵活方便、易于维护的优点。最终调试结果和真空炉投入使用后的状态表明,该控制系统不但可以达到控制目标,还可以保证设备长期无故障运行。

  真空铝钎焊是指在真空加热状态下,用熔点比基体金属低的液态钎料填充基体金属间隙而形成牢固结合的焊接方法,填充基体金属微小间隙的过程是靠毛细管吸力完成的。我国自20世纪80年代至90年代,真空铝钎焊工艺和真空铝钎焊设备得到了较大发展,提出了成熟的小型铝制板翅式换热器的工艺规程和对铝钎焊设备的技术要求。21世纪初,由于大型铝制板翅式换热器制造工艺的需要,国内研制开发成功了大型真空铝钎焊炉。

  随着工业自动化水平的不断提高和计算机技术的高速发展,自动化控制水平也越来越高,但是可编程序控制器(program logic control,以下简称PLC) 作为一种控制装置,能够把计算机的完备功能、灵活性、通用性等优点和继电器系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点集于一身,并且能够适应工业环境。所以,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为可编程序控制器在真空铝钎焊炉电气控制系统中作为控制核心来使用,是有其明显优势的。可编程序控制器目前在大部分中、小型真空铝钎焊炉中已经得到应用,在大型真空铝钎焊炉控制系统中,被控制的点数很多,需要设置复杂的连锁保护,要在原有基础上作进一步的开发。

  本文以某型号的大型真空铝钎焊炉为例,提出机械系统的用电点,提出整体思路,进行系统硬件和软件设计。

1、真空铝钎焊炉的机械结构简介

  为了更好的阐述电气控制系统,首先介绍该型号的真空铝钎焊炉的机械结构,如图1所示。真空铝钎焊炉的主体是由加热室、炉体、前后炉门以及各个功能部件组成。加热室安装在炉体内,由多个加热电阻和保温层构成,加热电阻通过炉体外部电极和电缆的连接构成28个加热小区,每个小区分别由一套可控硅调压电源回路供电:炉体为双层水冷夹套式结构,上面焊接有钎焊炉必需的功能部件,并和前后炉门构成真空室:前后炉门也为双层水冷夹套式结构,分别安装在可沿着与炉体轴线垂直方向平移的炉门车上,炉门还可在炉门车上靠气缸的驱动作沿着炉体轴线方向的平移,炉门的两个方向的平移使炉门能够打开和关闭。

  真空钎焊炉的外围系统包括真空系统、水冷系统、充气系统、气动系统和炉外装料车。

大型真空铝钎焊炉机械系统图

图1 大型真空铝钎焊炉机械系统图

  铝合金钎焊对真空系统的要求极高,真空系统不但要有足够强大的真空获得能力,而且在钎焊前保温段和最后钎焊保温段,均应有足够的能力保证大量气体挥发时炉内真空度保持在10 -3 Pa 数量级,这要求真空系统有较快和稳定的抽速。该型号真空钎焊炉配置的真空机组为5套,每套真空机组的配置:主泵是高真空油扩散泵,油扩散泵属于一种蒸汽射流泵,它具有抽速大、极限真空高的优点:机械泵机组的作用是预抽真空和作为扩散泵的前级泵,它是由罗茨泵和滑阀泵组成的:维持泵选用旋片泵,它可以保证设备开始工作前扩散泵预加热时泵腔内保持一定的真空度,也可保证在工作完成后扩散泵冷却过程中,为节省能源而停用罗茨泵和滑阀泵时,扩散泵不会出现扩散泵油氧化情况;每套真空机组的阀门包括大阀、前级阀、预抽阀和机组放气阀。水冷系统用于冷却钎焊炉炉壁、扩散泵、罗茨泵、滑阀泵和旋片泵。主进水管安装电接点水压表,供水水压不足时报警。各路水流经被冷却部件后流到回水槽中,回水槽与主回水管相连接。设备带有惰性气体充气接口,并配置手动球阀和手动针阀等装置。根据需要,可在预抽真空阶段实现对炉内充氮气置换。

  设备设置气动系统,系统由气源三联件及各管路、密封件等组成,气动系统管路可承受的压力0.8 ~1 MPa,用于设备上靠气缸驱动的部件,包括大阀、前级阀、预抽阀以及前后炉门。工件车用于装卸工件,它的主体是车架,车架的尺寸与装卡后工件的最大尺寸相匹配,在结构强度上足以承受负载的总质量。固定在地面上的轨道用于支撑车架和作为车架运动的导向,车架的前进和后退是由固定在地坑内的减速电机(功率为2.2 kW) 驱动的,车架向炉体方向移动实现车架上的导轨与加热室内的方截面导轨的对接,另一组固定在车架上减速电机(功率为2.2 kW) 驱动能够沿导轨活动的工件拖车前进和后退,使和滚轮组件一起运动的工件沿着炉内和车架上的导轨进出,实现装、卸料过程。车架的运动以及工件的进出炉都有行程开关限位,实现导轨的准确对接和工件进出炉到位。

2、控制系统的设计开发

2.1、机械系统用电点和控制系统总体布局

  对于真空钎焊工艺来说,钎焊炉最重要的两个性能是真空度和加热性能,机械系统和电气控制系统都是围绕着这两个性能来进行设计,为了实现钎焊炉的功能,这两大系统是密不可分的。设备用电点即是设备的机械系统中和电气控制相关的点,也就是机械系统和电气控制系统的结合点,表1 汇总了该设备的关键用电点:

  基于这台设备的机械系统,构建以PLC为核心的电气控制系统,电气控制系统的整体布局可由图2来说明。

 控制系统的整体布局

图2 控制系统的整体布局

  电气控制系统可以分为两部分,温度控制部分和逻辑控制部分,温度控制主要由控温表来完成(见表1和图2) ,逻辑控制部分由PLC 来完成,上位机上的组态软件作为主监控界面。电气系统的开发过程分为硬件系统的开发和软件系统的开发,硬件设计主要包括加热回路、真空泵回路、运行车回路和仪表的选型等。

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