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真空熱處理是應用于制造工業中，為了使工業產品具備良好性能的必要中間工序，它是熱處理的一個分支，主要目的是為了防止工件在加工過程中產生氧化和脫碳。由于可編程控制器應用了微電子技術和計算機技術，各種控制功能是通過軟件來實現的，只要改變程序，就可適應生產工藝的改變，因而適應性強。它不僅能完成邏輯運算、定時、計數等功能，而且能進行算術運算．因而既可進行開關量控制，又可進行模擬量控制，還能與計算機聯成網絡，實現分級控制。況且PLC體積小，重量輕，結構緊湊，開發周期短，安裝和維護工作量小。因此，在用微電子技術改造傳統產業的過程中，傳統的繼電器控制系統，大多數被PLC所取代。本文正是通過闡述PLC和真空熱處理爐控制系統相結合進行設計，提出整體思路，并進行了系統硬件和軟件設計。 1 控制系統方案的確定 1．1 控制系統的工作原理 首先，將預定工作的PLC及被控制的真空熱處理上電，并向工業控制機發送準備就緒信號。此后，利用工業控制機啟動整個系統的控制運行。工作過程中，PLC一方面實現與工業控制機之間的數據通信，一方面控制真空熱處理爐的正常運行。當PLC接收到工業控制機發出的數據提取命令后，就把采集到的真空熱處理爐工作情況，如爐內真空度、溫度、冷卻水狀態以及各部件的開關狀態等數據向工業控制機發送，當數據發送完畢后，PLC又繼續控制真空熱處理爐。 PLC對設備的控制主要是通過接觸器、固態繼電器等電氣元件組成的外圍電路來控制氣壓閥、真空泵、電阻絲等各部件的運行、送氣操作、到限與故障報警。而工業控制機一方面把接收到的數據處理并顯示，另一方面則等待第二個時鐘中斷信號的到來，準備發出下一個提取數據的命令和接收發來的數據。控制系統設計為一臺工業控制機連接兩臺PLC，將定時提取每一臺PLC數據，輪流往復地控制兩臺PLC工作。 1．2 控制系統總體布局 設備總體以PLC作為控制核心，工業控制機作為監督和顯示。利用熱電偶返回溫度信號，通過與設定值比較輸出可控脈沖給固態繼電器來控制溫度。利用真空傳感器返回真空度信號，然后根據真空度的數值進行下一步工作，并驅動電磁閥和真空泵使爐膛達到所需真空度。對于循環水傳感器進行監測，當出現報警狀態時及時進行處理。通過控制循環水閥門和循環水泵的開啟協調整個廠房所有真空爐的用水量。通過PLC程序控制爐門的直線開關和旋轉開關。總體布局示意圖如圖1。 1．3 控制系統設計方案 控制系統共分為供電系統，抽真空控制系統，加熱控制系統，爐門開關臺車進出控制系統，循環水控制系統。而供電系統為手動操作。以抽真空控制系統為例介紹系統設計方案。操作步驟是用PLC進行編程，由機械泵，羅茲泵進行抽初中級真空，擴散泵準備。取到達一定真空度和擴散泵準備好的較長時間打開擴散泵，具體原理見圖2。 2 系統的硬件設計 PLC控制系統的硬件是由PLC，輸入／輸出電路以及外圍設備等組成的。系統的規模根據真空熱處理工藝需要而定，真空熱處理爐的PLC順序控制系統的硬件組成圖3所示。 由于真空熱處理爐帶有閉環控制、PID調節、通信連網等，故控制線路較為復雜，因此選擇大中型PLC方能滿足要求。由于本控制系統控制的對象是容積為10立方米的熱處理真空爐，確定采用PLC型號為S7-300，抽真空系統的外部組件連接見圖4。其中NL1-NL3為機械泵，ND1，ND2為擴散泵，NZ1為羅茲泵．VP1-VP13為氣動閥門，BW1-BW5為泵體冷卻器，PT1-PT4，PA1，PA2。PA3為真空傳感器，PD1-PD3為壓力表。由機械泵NL1，NL2，NL3抽初級真空，NZ1抽中級真空，ND1，ND2抽高級真空。 3 PLC控制系統軟件設計步驟 (1)制定真空爐運行方案。根據熱處理工藝的要求，分析熱電偶、真空度等輸入參數與控制接觸器和固態繼電器等的輸出信號與各種操作之間的邏輯關系，確定需要檢測的量和控制的方法。并設計出真空爐系統中各設備的操作內容和操作順序。據此可畫出流程圖。 (2)畫抽真空和溫度控制流程圖。 (3)制定PLC控制系統的抗干擾措施，比如電源隔離、外圍電路的光電偶合。 (4)編寫程序，根據被控對象輸入如熱電偶和輸出信號如控制固態繼電器的脈沖及所選定PLC型號，分配硬件資源，為梯形圖的各種繼電器或接點進行編號，再按照技術說明，用梯形圖進行編程。 |
