中频真空感应钎焊炉控制系统设计
来源：成都新德南光机械设备有限公司 | 发布时间：2018-08-15 |
中频真空感应钎焊炉以PLC为系统控制核心，辅助工业用计算机及触摸屏为人机界面，梯形图为编程语言，LabVIEW图形化组态软件;详述了控制系统的设计、难点及解决方法;依据控制系统工艺要求，完成了系统硬件及软件的设计;设备使用证明系统操作简单方便，稳定可靠，满足系统控制要求。
本真空感应钎焊炉（型号ZGS8-1150-12W）是为某航天单位火箭喷管的钎焊而研制的专用设备，可用于铜钢、钢钢、不锈钢、铜与高温合金的真空钎焊。因此，对设备的安全性、可靠性、控制精度等都有更高的要求。设备主要由电气控制系统、炉体、感应电源（2.5kHz）、水冷系统等组成。
设备运行时，中频感应电源产生严重的电磁干扰信号，且工件及测温热电偶随大轴在炉体内旋转，测温热电偶信号通过特殊的连接方式传送到监控系统，因此减小电磁干扰信号和提高测温热电偶的测控精度是该系统的难点。为了减小感应电源产生的电磁干扰信号对控制系统仪表及控制器的干扰，根据现场情况将控制系统尽可能远离干扰源，控制系统部分电源加装输入滤波和隔离变压器、强弱电分层布线、信号线采用屏蔽双绞线、设有独立的信号地线与控制系统地线及单端接地的方式，通过多次工艺流程调试并调整测温热电偶信号的偏差，提高了温度测量的准确度。
该控制系统所用的硬件主要有PLC（Omron）、温度控制器（Yamatake）、有纸记录仪（Honeywell）、真空计（Leybold）等，上位监控组态软件用labview（NI），软件中不包含这些硬件的通讯驱动程序，要解决此软硬件之间的通讯问题并实现工控机的监控、记录、参数设置等功能，需要有对应的驱动程序。针对此控制系统的特殊性，在labview 开发包的基础上， 选用了Application Builder 和Datalogging and Supervisory ControlModule、NI OPC Servers 工具包。通过OPC 技术的应用，解决了计算机监控软件labview 与PLC 之间的通讯问题，而真空计、记录仪和控温仪不支持OPC 技术且通讯协议各不一样，针对此问题开发了上述仪器仪表专用的驱动程序，从而实现了通讯目的。
1、控制系统设计
1.1、控制系统工艺流程
装入工件，将测温偶固定在工件上的适当位置，控制系统上电，启动上位机，开启供气、供水系统，各报警指示灯应不亮，报警蜂鸣器无响应。将炉门车关闭并炉门齿圈锁紧到位，开始对炉门密封圈充气，当压力达到设定值时停止充气，关闭热交换器进出气挡板阀，进行钎焊信息的设定。
分别启动炉体和工件小车抽空系统，当炉体真空度达到工艺要求值时，依次关闭截止阀及炉体真空机组，回填充气，当充气压力达到工艺要求时，回填阀自动停止充气;当小车真空度达到工作真空度时，旋转工件轴，调节合适的旋转速度，进行加热工艺（检查有关仪表、线路正常后，确认温控表内的工艺曲线，按动“加热电源”启动按钮，加热主回路上电，再按动加热逆变启动按钮，加热逆变回路上电，温控表开始按设定曲线运行。加热工艺完成后，依次切断逆变电源、加热主回路电源，开始降温，待炉温降至工艺要求值时，打开热交换器的进出气口挡板阀、强冷风机，当温度降到工艺要求值后关闭强冷风机、进出气口挡板阀。当炉内温度达到出炉温度时，停止小车抽空机组，开启炉体机组放气阀、炉体卸荷阀与密封圈放气阀，开启小车放气阀，当放气至当地大气压时，放气结束，炉门锁定解除，炉门松开到位，小车退至要求地点自动停车。最后，关闭所有冷却水，拆卸产品，小车进到位自动停止，关闭所有电源，完成整个钎焊过程。
1.2、控制系统硬件设计
整个控制系统分为用户管理层、监控层、控制层三部分。系统设有两套操控界面，即计算机控制和控制柜按钮控制，两者相互独立，当其中一套有故障时可切换至另一套进行操控，不影响设备的运行。控制柜门板和计算机监控界面设有设备工况模拟图，实时显示设备的运行状态;设有冷却水水压、水流量、水温、炉体超温、超压等报警显示及指示。控制系统设有手动和自动控制两种方式，根据情况自由选择。
中频真空感应钎焊炉控制系统的设计
控制系统由研华工控机、ELO 显示器（有触摸功能）、PLC、温度控制器（DCP551）、DPR250 有纸记录仪、CM51 真空计、打印机等组成。PLC 系统编程语言为梯形图，按照模块化的编程方式，使软件程序结构清晰，可读性强，并且有安全连锁设置，从而提高了设备运行的可靠性。温度控制器按照热工要求设定升温曲线，实现对炉体的温度控制;记录仪可将采集到的温度值、真空度、炉体压力实时显示或打印;真空计实时显示当前炉体的真空度。控制系硬件结构见图2。
1.3、控制系统软件设计
上位监控软件采用LabVIEW，LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是美国NI公司的创新软件产品，也是目前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境。它是一种基于图形编程语言（G 语言）的开发环境，主要是以框图形式编写程序，数据流控制结构、程序调制工具，以及层次化、模块化的编程特点。传统编程语言用文本语言编程，Labview最大的特点就在于它是一种图形化编程语言（即各种图标、图形符号、连线等），以框图的形式编写程序，提高编程效率，程序直观易懂。
一个labview 程序包含三个主要部分：前面板、框图程序、图标/连接端口。前面板是labview程序的交互式图形化用户界面，用于设置用户输入和显示程序输出，目的是模拟真实设备的前面板。框图程序则是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制。图标/ 连接端口用于把labview 程序定义成一个子程序，以便在其他程序中加以调用，这使得labview 以实现层次化，模块化编程。因为labview 它是图形化的编程语言，界面形象直观，通过自带的控件和DSC 模块所含的按钮、阀门等可以直接进行操作，进而达到控制设备的目的。
系统人机界面的设计由登陆界面、真空系统监控界面、数据读写界面、温度监控界面组成。各界面之间可任意切换，方便监视系统所有信息。
为了防止非操作人员对设备的操作，设置了登陆权限，当输入用户名和相对应正确密码后方可登陆到监控界面进行操作和退出运行系统，并有操作提示信息，提高了设备运行的安全性。真空系统监控界面包含炉体抽空系统、大轴传动、大轴抽空系统、小车传动、控制按钮、报警指示灯，设有泵、阀门等设备的操作按钮，通过对按钮操作，实现对各泵、阀门等进行启动停止操作;并监测设备的运行状态和具体的报警信息显示，当设备出现故障时，系统指示灯可提醒操作人员查看报警信息，并采取解决措施。如果系统报警信息超过设定的时间后仍没有消除，则系统会自动关闭相应设备的运行，避免了不必要的损坏。
上位机与记录仪通过开发的驱动程序进行通讯，将现场采集到的实时温度值、真空度、炉体压力以棒图、数值和曲线的形式显示在温度控制界面中，在曲线显示页中，显示实时曲线，拖动滚动条可查看历史曲线，曲线显示的采集频率可根据需要设定。上位机与控温仪通讯，可读取实时测量的温度值、设定值、输出功率百分比、升温曲线号、段号等，同样在此界面中编辑设定加热工艺曲线、曲线号、段号、PID 参数，并下传至温度控制器，而不需要在仪表上进行编辑设定，操作直观简单;亦可通过按钮操作，使温度控制器在手动给定和PID 自动调节控制之间无扰切换。在数据读写界面中，可以将现场采集到的实时温度值、真空度和炉体压力等需要记录的数据保存到计算机硬盘中。保存现场采集的数据时，首先选择保存数据的路径，路径和文件名可自由选定，在界面中对数据的采集频率根据需要自行设定。通过读取数据按钮，将需要的数据显示到界面中进行查看、分析和打印。
2、结论
针对中频真空感应炉控制系统要求开发了该控制系统，实现了多厂商、多种通讯协议的仪器仪表、控制器等与上位组态监控软件LabVIEW的通讯，及对系统干扰信号的处理。经过5 年的应用（工件每次钎焊完成后需进行打压及X 射线拍照工序）表明：该控制系统的温度控制精度、数字量报警以及互锁连锁关系的可靠性等各项指标都达到了技术要求。来源：真空技术网
