張 偉，王松沛

（中山凱旋真空科技股份有限公司，廣東 中山 528478）

真空熱處理技術(shù)有三個關(guān)鍵的參數(shù)即真空度、加熱和預(yù)熱溫度以及加熱時間。真空熱處理就是在真空（10-1～10-2）環(huán)境當(dāng)中加熱工件，并達(dá)到一定的溫度，然后在不同的介質(zhì)中以不同冷卻速度來進(jìn)行冷卻的熱處理方法，高效、節(jié)能而且無污染，應(yīng)用非常的廣泛。一般真空熱處理設(shè)備在應(yīng)用當(dāng)中會利用溫度這個參數(shù)來實(shí)現(xiàn)溫度控制，但需要采購溫度控制器，實(shí)際如果PLC中如果有PID模塊也是可以實(shí)現(xiàn)溫控的。文章就從這個角度來進(jìn)行探討。

1 PLC和PID

（1）PLC。即可編程邏輯控制器，在自動化控制領(lǐng)域，PLC的地位非常顯著。PLC在事先設(shè)定好的程序下運(yùn)行，結(jié)合傳感器設(shè)備實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的收集，然后經(jīng)過PLC的CPU計(jì)算，轉(zhuǎn)換信號，向變頻器設(shè)備發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，達(dá)到自動化控制目的。

PLC的控制模式，主要包括開關(guān)量控制、閉環(huán)控制、運(yùn)動控制等。在真空熱處理設(shè)備的自動控制當(dāng)中，真空度、溫度和加熱時間是重點(diǎn)參數(shù)，基于閉環(huán)控制可實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動控制，閉環(huán)控制本質(zhì)是一種過程控制，針對的是生產(chǎn)過程當(dāng)中一些有連帶關(guān)系的量，這其中就有溫度，PLC的專用模塊中可實(shí)現(xiàn)A/D或者D/A之間的相互轉(zhuǎn)化。因?yàn)闇囟群苋菀妆O(jiān)控到，溫度參數(shù)是非常有效的自動控制參數(shù)。

（2）PID。也是一種自動化控制裝置。受控量與受控參數(shù)之間是存在函數(shù)關(guān)系的，當(dāng)然函數(shù)關(guān)系的推導(dǎo)難度較大，也務(wù)必要去推導(dǎo)。一般PID曲線可以進(jìn)行模式傳遞含參數(shù)在某個控制點(diǎn)的測控。其一般適用于受控對象的穩(wěn)態(tài)特征為線性時不變。在真空熱處理工藝當(dāng)中，實(shí)際就是一個線性時不變的過程，對溫度的要求非常高。

值得注意的是PLC有時是有PID模塊的，PLC雖然與溫度控制器有一定區(qū)別，但是用PLC實(shí)現(xiàn)溫控系統(tǒng)并沒有大的問題，直接使用PLC的PID功能也是可以實(shí)現(xiàn)溫控系統(tǒng)的，成本效益比較好。

2 真空熱處理設(shè)備PLC溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC提供PID模塊，在溫控系統(tǒng)當(dāng)中重點(diǎn)就是控制程序，這比之溫度控制器難度要高一些，但實(shí)現(xiàn)PLC的溫度控制系統(tǒng)，自動化化水平更高。

（1）設(shè)計(jì)思路。PLC則是通過相應(yīng)的控制模塊及其控制程序輔以相應(yīng)的變頻設(shè)備等實(shí)現(xiàn)自動控制，要求系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備自動動作，滿足產(chǎn)品加工質(zhì)量及生產(chǎn)效率的要求，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠的工作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡可能的簡化，降低生產(chǎn)制造的成本，充分提高自動化程度，減輕勞動強(qiáng)度，改善操作性能，便于維修。PLC的選擇要根據(jù)工藝流程要分析被控制對象、控制過程和要求。據(jù)分析得出的結(jié)論選擇輸入和輸出設(shè)備，確定系統(tǒng)的總體配置。所選輸入設(shè)備包括按鈕、行程開關(guān)、選擇開關(guān)、傳感器等。輸出設(shè)備則包括接觸器、電磁閥、指示燈等。一般先根據(jù)統(tǒng)計(jì)的I/O點(diǎn)數(shù)加上20%左右的擴(kuò)展余量，估算I/O點(diǎn)數(shù)，并根據(jù)數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的15倍左右以及模擬量I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，加以考慮25%的余量作為PLC存儲器容量。然后在選擇PLC的功能，包括運(yùn)算能力、控制功能、通信功能、編程、診斷等。針對特定的控制功能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

（2）硬件設(shè)計(jì)。硬件方面用S7系列PLC的CPU，具備DP通訊，以及以太網(wǎng)通行功能，模擬量輸入輸出功能，出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，S7-300即可，滿足設(shè)備熱處理要求。

熱電偶溫度變送可滿足溫度值的測量需求。PID模塊為FB58。人機(jī)界面使用可以與S7系列PLC兼容的的面板，人員的操作設(shè)定觀測數(shù)據(jù)通過人機(jī)界面，轉(zhuǎn)化為指令發(fā)送給PLC，并讀取PLC的數(shù)據(jù).PLC作為主控中心，加熱控制晶閘管調(diào)壓閥，針對真空熱處理爐進(jìn)行加熱，同時收集溫度值信息，反饋給PLC并上傳至人機(jī)界面，供操作人員參考。

（3）程序設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)版本博圖V13，程序語言SCL。程序要求包括加熱實(shí)際溫度啟動程序，加熱過程設(shè)計(jì)溫度計(jì)算，PID模塊程序，插入程序、刪除程序以及跳段程序。其中重點(diǎn)是PID程序，要求使用周期100ms，循環(huán)態(tài)，中斷性為零，保證PID控制的精確性。

設(shè)計(jì)中所有變量參數(shù)為實(shí)際溫度、設(shè)定溫度、第i段設(shè)定溫度、第i段設(shè)定時間，輸出功率，時間，升溫速度，增益效果，采樣周期以及積分時間。所有參數(shù)均存放于DB之中。加熱啟動過程當(dāng)中加熱實(shí)際溫度與加熱過程中的設(shè)定溫度相當(dāng)，即使出現(xiàn)高溫故障中斷加熱，重啟加熱過程當(dāng)中也可以直接從實(shí)際溫度啟動加熱，可有效的節(jié)省時間。加熱過程當(dāng)中設(shè)定溫度計(jì)算問題，當(dāng)時間增加，設(shè)定溫度也增加。程序段插入與刪除方面，當(dāng)執(zhí)行Del時，刪除段之后的所有程序段開始遷移，而執(zhí)行Ins時，在Ins段插入段，在Ins之前的程序段不動，而Ins后的段則后移。加熱當(dāng)中執(zhí)行跳段操作時，程序可以直接向下一段跳進(jìn)。因?yàn)镻LC畢竟不同于溫度控制器，其所帶PID功能雖然可以實(shí)現(xiàn)溫度控制，但需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。按照設(shè)備具體情況，PID參數(shù)增益設(shè)定為5，積分時間為120 s，微分時間為30 s，采樣算法實(shí)踐0.1 s，比例作用權(quán)重1.0，DT1系數(shù)5.0，時間延遲6.0。當(dāng)啟動程序，溫度達(dá)到800℃時，程序暫停，PID開模塊開啟自整定。經(jīng)過整定確保溫度控制精度。

設(shè)備在工作過程當(dāng)中，溫度升高，加工材料會出現(xiàn)放氣現(xiàn)象，造成真空度下降，一般情況下，采取的是手動模式來保證真空度，待真空度恢復(fù)到一定程度后繼續(xù)加溫，因此在PLC溫控當(dāng)中，可以利用PLC的其他模塊來結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)自動化控制，主要是設(shè)定一個真空度的閾值，當(dāng)真空度達(dá)到這個閾值時設(shè)備自動調(diào)整。

3 結(jié)語

綜上所述，真空熱處理設(shè)備在當(dāng)前的金屬加工當(dāng)中地位是非常顯著的，其應(yīng)用非常廣泛，在真空熱處理當(dāng)中，要求要保證一定的真空度、溫度以及加熱的時間，進(jìn)而保證加工質(zhì)量，在實(shí)際的操作當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)自動化控制，生產(chǎn)效率會更高，加工質(zhì)量也能保證。為此文章基于PLC，探索了真空熱處理設(shè)備的溫控系統(tǒng)，文章主要從PLC的硬件選擇和軟件設(shè)計(jì)方面做出了探討，所列舉的溫控系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)相對簡單，成本效益相對較好，自動化程度高。當(dāng)然可能也存在不足之處，希望有參考價值，同時也希望能夠和業(yè)內(nèi)同仁共同探討，提高真空熱處理設(shè)備的自動化控制水平。