PLC在电子束单晶熔炉控制系统中的应用

作者：佚名信息来源:电子市场 2007-4-27

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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。...

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

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

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 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 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

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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