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Siemens FA - 西门子PLC

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    西门子200系列的可编程程序控制器在单晶熔炉中的逻辑控制

    沈慧卿 2010-05-06 13:17
    [摘要]介绍了电子束单晶熔炉的工作原理,对控制原理进行了分析,提出用西门子200系列的可编程程序控制器对电子束单晶熔炉进行逻辑控制。结合电子束单晶熔炉对控制系统的要求,分别对控制软件的作用和构成进行了详细的说明。控制系统运行表明:控制系统的软、硬件功能比较完善、工作可靠。
      [关键词]PLC;电子束单晶熔炉;控制系统
       电子束单晶熔炉是高能束技术在金属冶炼中的应用。主要工作原理是电子枪(阴极)通过加热发射的电子在高压静电场的加速下形成高能电子束,电子束通过聚焦后轰击要熔炼的金属,使高熔点金属熔化。电子束熔炼因熔炼金属纯度高、效率较高等优点而应用于金属冶炼领域,随着计算机技术及其它新技术的发展,加速了电子束熔炼在工业中的应用。
       本工程是西北有色金属研究院难熔金属研究所的改造项目。原设备完全由手动控制,主要用做粗加工难熔金属,不能生产单晶体,控制精度不高,效率低下。本系统在原来系统的基础上改造成为单晶体的熔炼系统,实现了系统的自动控制,控制精度高,生产效率大大提高。
      1 电子束熔炉简介及工作过程
      1.1 电子束单晶熔炉组成
       电子束单晶熔炉主要由真空系统、高压电源、阴极电源、聚焦部分、上下料进给机构及旋转机构、冷却系统、炉体、电子枪、操作台和其它的辅助电源等组成。真空系统为电子枪和聚焦设备提供真空工作环境,主要由机械泵、真空泵、各种阀门和真空测量仪器(规管)组成。高压电源为电子枪发射出的电子提供加速电压,高压通过三相不可控整流器获得,最高电压可达25kV,高压直流电源内阻小、稳定工作时输出纹波系数小、具有软起动及保护功能。阴极电源通过加热电子枪(阴极)使之能够发射足够多的电子。聚焦部分是用来聚焦电子枪发射出的电子,使之能够准确轰击被熔化的料棒。上下料进给机构和旋转机构由4台伺服电机组成,上下料进给机构是使料棒在熔炼时能够上下移动,而旋转机构是使料棒在熔化后能够冷却均匀。冷却系统采用循环水进行冷却,被冷却的部分有炉体、坩埚等。炉体为熔炼提供真空条件,保证料棒熔炼的正常运行,同时还可以防止各种射线泄漏伤害现场的操作人员。电子枪采用环形枪,材料为钨丝,加热到白炽状态后能发射足够多的电子。操作台主要由电源、控制部分等组成,用来控制4台伺服电机。
      1.2 工作过程
       (1)打开冷却循环水阀门,启动压缩机、机械泵和预抽阀。
       (2)接通阴极电源和上下料旋转伺服电机。
       (3)接通高压电源和聚焦部分。
       (4)熔化料棒。
       (5)继续熔化下一根棒料,重复上面的(2)、(3)、(4)过程。
       (6)棒料熔炼完毕停止熔炼,停止熔炼的顺序和启动过程相反。
       整个过程可完全由人工操作,也可通过PLC自动完成。PLC自动完成启动循环水、压缩机、机械泵、抽真空等,使之达到正常熔炼所需要的条件,然后接通阴极电源和高压电源(采用PID控制),自动完成熔炼过程,停止熔炼的顺序与启动的顺序相反。熔炼过程中,如果联锁条件不满足或冷却水、炉内真空度及各种设备的状态有故障时,PLC自动报警,操作人员处理完毕复位后,PLC继续执行原程序。
      2 系统组成
       控制系统构成如图1所示。上位计算机采用研华工控机,在操作系统Windows 2000下进行软件的设计和开发,实现对整个过程的监控和数据监测,可以随时存储数据,还可以随时打印采集到的数据。下位计算机以PLC为核心分别对各控制部分进行控制和检测,PLC选用西门子公司的S7-200系列的CPU224。各个部分的控制如下。
      
    图1
    图1 控制系统构成

      1—高压部分;2—阴极部分;3—聚焦控制部分;4.真空及阀门控制部分;5—循环水控制部分;6—伺服电机控制部分
       (1)高压控制部分 高压控制部分由PLC模拟量输出模块、晶闸管触发电路、传感器、PLC模拟量输入模块等组成。PLC经过内部的PID运算后输出模拟信号直接给晶闸管触发电路来控制高压电源的输出,并实现高压的稳定和调节以及对高压电源的联锁控制。高压控制部分的主要功能有高压梯度上升和下降、料棒熔化过程中的高压保护、急停和故障显示等。
       (2)阴极控制部分 阴极控制部分由PLC模拟量输入和输出模块、晶闸管触发电路、传感器等组成。PLC经内部的PID运算后,输出模拟信号给阴极的晶闸管电路,控制阴极电流输出,实现阴极电流的稳定和调节,主要控制阴极电流梯度的上升和下降,熔化料棒过程中的急停、故障显示等。
       (3)聚焦控制部分 聚焦控制部分控制电子束的准确度,在电子束发射电子数目一定的情况下,让尽量多的电子轰击到料棒上,提高电子的利用率。它主要通过上下移动聚焦环来获得最佳的位置,同时还保证与其它控制部分的联锁。
       (4)真空及阀门控制部分 真空及阀门控制部分保证设备具有正常的真空工作环境,主要由各种真空泵、阀门等组成。PLC对真空系统的控制分手动和自动两种功能,手动时各种泵和阀门的开启完全由人工控制;自动时,PLC根据程序要求自动完成对设备的抽真空任务,判断泵、阀门、真空度状态的和联锁条件是否满足等。
       (5)循环水控制部分 本系统采用水冷,在启动所有设备之前需要启动循环水,在熔炼的过程中PLC不断检测各路循环水的状态(温度和压力),任何一路循环水出现故障(温度过高或者压力不足)就会报警,等待现场的人员去处理,停机时停掉所有设备之后再关闭循环水。
       (6)伺服电机控制部分 伺服电机的控制通过调节伺服电机的输入电压来控制速度,而输入电压可以通过调节电位器的电压来实现。由于本系统所用伺服电机的转速与输出脉冲的关系为2500个脉冲/r,当转速较快时,单位时间内输出脉冲数多,不方便测量,所以加了分频电路(256分频),分频电路的输出连接到PLC的数字量接口,利用PLC内部计数器来记录脉冲的个数,然后通过算法还原成实际的转速。
      3 软件构成
      3.1 PLC软件
       PLC控制流程图如图2所示。
      
    图2
    图2 PLC软件流程

       各部分软件功能如下。
       (1)初始化子程序 对本程序中要用到的寄存器、定时器和计数器清零,使设备处于初始状态。
       (2)高压控制子程序 控制高压条件的连锁、高压的启动、高压数值的给定、高压上升和下降的PID参数的设定、高压故障报警和急停等。
       (3)阴极控制子程序 控制阴极条件的连锁、阴极的启动、阴极电流的给定、阴极电流上升和下降的PID参数设定、阴极的故障报警和急停等。
       (4)聚焦控制子程序 控制聚焦连锁、聚焦环位移,当达到最大聚焦电流时停止移动。
       (5)故障检测和报警子程序 完成对设备的检测,如有故障自动报警。
       (6)主程序 当处于自动状态的时候,PLC按照工艺的工作顺序启动循环水、启动各种真空泵和阀门抽真空,当达到真空度要求时,自动接通阴极电源并且逐渐加大阴极电流,自动接通高压电源,逐渐加大高压电压达到高压的设定值,然后开始聚焦,当熔炼完毕后按照相反的顺序进行。
       (7)与上位计算机通信子程序 S7-200 PLC内部集成的PPI接口提供了强大的通信功能,但其通信协议尚未公开,要实现上位机与PLC的通信须选择西门子公司的组态软件,给用户带来很大不便,且提高了成本。所以与上位计算机的通信采用了自由口通信协议,大大降低了成本。
      3.2 上位计算机软件
       基于VB6.0处理监控界面图形、数据报表处理、历史趋势线及其通信的方便性和快捷性,上位机的控制程序采用VB6.0实现。在操作系统Win-dows 2000下使用VB本身提供的MSComm控件来实现与PLC的通信。
      4 结语
       本系统于2004年6月在西北有色金属研究院投入使用,连续运行,取得良好的效果,制造出ф30mm×500mm钼单晶,控制精度较高,完全达到设计要求(设计熔炼功率为20kW,波动在3%以下,实际最大波动为0.4 kW左右)。同时,系统自动化程度较高,维护简单,使用方便,降低了劳动强度,提高了系统的运行效益。
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