大型真空铝钎焊炉的控制系统的设计开发

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

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。

表1 机械系统和电气系统关键的结合点

机械系统和电气系统关键的结合点 

  加热室内有许多加热小区,在控制系统的加热回路中,为每个加热小区供电的是一套可控硅调压电源,可控硅调压电源包括功率控制器和变压器两部分,功率控制器采用移相触发的方式来实现电压的无级调节,从而达到控制功率的目的。输出电压的调节范围比较宽,一般为额定输入电压的0 ~ 98%。具有软启动、软关断、恒流、限流、过流保护、过热保护等功能。每个加热小区有各自独立的一套可控硅调压电源。可控硅调压电源的变压器原边接入电网,副边由炉体电极连接各个加热小区的电阻。调压电源的输出功率的调节方式分为手动调节和自动调节,手动/自动可通过控制柜上的转换开关来切换。在自动调节的状态下,加热控制为闭环控制回路,控温热电偶采集炉内加热小区的温度,温度信号转化为模拟量信号通过热电偶补偿导线传入控温表的热偶接入端,通过控温表中的工艺曲线处理和比例、积分、微分(proportion、integral、differential) 自整定,将4 ~ 20 mA 控制信号传入可控硅调压电源的自动控制信号的输入端,以此来调节功率输出。在控制柜面板上设置有各加热区的加热电流、电压显示表以及对应的手动操作加热功率调节旋钮,方便在手动操作时调整各个加热区的加热功率。工件热电偶所采集信号通过温度采集模块将模拟量转换成数字量接入计算机系统,实现对工件温度的实时监控。

  真空泵回路主要为真空系统的5 套真空机组的所有泵的电机供电,并将供电回路的空开的一个常开触点接入PLC 的输入模块中作为泵的空开自检点。真空泵及真空阀门的动作也分为手动和自动控制,也可通过控制柜上的转换开关来切换。控制柜上的各个泵和阀门的开关按钮接入PLC 的输入模块中,通过PLC 的程序处理来输出对各个泵和阀门的运行信号和开关信号。为真空系统配置两台双路数显真空计,测量管路系统(低真空) 和炉内真空(从大气到极限真空度的全量程测量) ,并通过可编程序控制器控制罗茨泵与大阀开启与炉内真空度联锁。在每套机组的前级管道上,分别安装低真空规管接口,用于测量真空管道的真空度,在炉体顶部和每套大阀与炉体之间的连接管道上,分别安装两套独立的玻璃真空规管,用于监测炉内真空度。

  运行车回路主要为运行电机供电,通过气缸电磁阀、磁性开关、行程开关和继电器等搭建的控制回路进行控制。

2、PLC总输入、输出点数的确定以及选型

  首先根据系统的总体布局和硬件系统的设计来确定PLC 的输入输出点数、输入输出信号类型:PLC 输入点主要为开关量信号,包括各套泵和阀门的开关信号、阀门开关到位信号、炉外车及炉门车进退到位信号、加热通断信号、手/自动转换信号、自动启动开关信号、冷却水压信号、加热超温信号、加热过流信号、由真空计设定的各泵和阀门的启动保护信号以及扩散泵油超温信号等,输入点共计165 点:PLC 输出点主要为继电器输出,包括各泵及阀门接触器线圈、大区加热通断接触器线圈、电铃发讯、蜂鸣器报警等,共计47 点。

  在满足使用的前提下考虑经济性选择日本欧姆龙的PLC,欧姆龙的CQM1H 型PLC 功能完善而且紧凑。它具有Windows 环境下的高效的软件开发能力,Windows 版的CX-Programmer 支持软件可以减少软件开发时间,并提供强大的监控和调试功能。各个单元模块要根据PLC 实际的输入、输出点来选择。首先根据输入的点数选择6 个32 点的输入单元,型号为CQM1H-ID213,电流消耗为(5V 直流) 最大170 mA; 然后根据输出点数和输出点的类型选择3个16 点继电器输出单元,型号为CQM1-OC222,内部电流消耗为( 5 V 直流) 最大850 mA;接着根据总的输入、输出点数以及输入、输出模块的数量选择CPU 单元,型号为CQM1H-CPU51,其输入、输出容量为512点,程序容量为7.2 K 字,最多可扩展11 个输入、输出单元;最后根据总的电流消耗选择电源模块,型号为CQM1-PA206,其电源规格为100 ~ 240 VAC, 50 /60 Hz,输出容量5VDC:6 A, 24VDC:0.5 A。

3、PLC 编程

  在用CX-Programmer 编程软件编程之前,首先要分析真空钎焊炉PLC所实现的总体控制功能,绘制流程图(图3为设备控制流程图) 。

图3 控制流程图

控制流程图 

  绘制总体流程图后,根据被控对象输入(如热电偶) 和输出信号(如控制固态继电器的脉冲) 以及所选定的PLC 型号分配硬件资源,为梯形图的各种继电或接点进行编号,最后实现各部分控制功能用梯形图进行编程。梯形图的编程能够实现除工件出入炉的操作外,其余动作可通过自动程序完成,也可通过手动操作完成,并可实现必要的保护和报警功能。

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