PLC在電子束單晶熔爐控制系統(tǒng)中的應用
關鍵詞： PLC在電子束單晶熔爐控制系統(tǒng)中的應用王言前，張根寶，于大元
（1）高壓控制部分 高壓控制部分由PLC模擬量輸出模塊、晶閘管觸發(fā)電路、傳感器、PLC模擬量輸入模塊等組成。PLC經過內部的PID運算后輸出模擬信號直接給晶閘管觸發(fā)電路來控制高壓電源的輸出，并實現高壓的穩(wěn)定和調節(jié)以及對高壓電源的聯鎖控制。高壓控制部分的主要功能有高壓梯度上升和下降、料棒熔化過程中的高壓保護、急停和故障顯示等。
（2）陰極控制部分 陰極控制部分由PLC模擬量輸入和輸出模塊、晶閘管觸發(fā)電路、傳感器等組成。PLC經內部的PID運算后，輸出模擬信號給陰極的晶閘管電路，控制陰極電流輸出，實現陰極電流的穩(wěn)定和調節(jié)，主要控制陰極電流梯度的上升和下降，熔化料棒過程中的急停、故障顯示等。
（3）聚焦控制部分 聚焦控制部分控制電子束的準確度，在電子束發(fā)射電子數目一定的情況下，讓盡量多的電子轟擊到料棒上，提高電子的利用率。它主要通過上下移動聚焦環(huán)來獲得最佳的位置，同時還保證與其它控制部分的聯鎖。
（4）真空及閥門控制部分 真空及閥門控制部分保證設備具有正常的真空工作環(huán)境，主要由各種真空泵、閥門等組成。PLC對真空系統(tǒng)的控制分手動和自動兩種功能，手動時各種泵和閥門的開啟完全由人工控制；自動時，PLC根據程序要求自動完成對設備的抽真空任務，判斷泵、閥門、真空度狀態(tài)的和聯鎖條件是否滿足等。
（5）循環(huán)水控制部分 本系統(tǒng)采用水冷，在啟動所有設備之前需要啟動循環(huán)水，在熔煉的過程中PLC不斷檢測各路循環(huán)水的狀態(tài)（溫度和壓力），任何一路循環(huán)水出現故障（溫度過高或者壓力不足）就會報警，等待現場的人員去處理，停機時停掉所有設備之后再關閉循環(huán)水。
（6）伺服電機控制部分 伺服電機的控制通過調節(jié)伺服電機的輸入電壓來控制速度，而輸入電壓可以通過調節(jié)電位器的電壓來實現。由于本系統(tǒng)所用伺服電機的轉速與輸出脈沖的關系為2500個脈沖/r，當轉速較快時，單位時間內輸出脈沖數多，不方便測量，所以加了分頻電路（256分頻），分頻電路的輸出連接到PLC的數字量接口，利用PLC內部計數器來記錄脈沖的個數，然后通過算法還原成實際的轉速。
3 軟件構成
3.1 PLC軟件
PLC控制流程圖如圖2所示。
各部分軟件功能如下。
（1）初始化子程序 對本程序中要用到的寄存器、定時器和計數器清零，使設備處于初始狀態(tài)。
（2）高壓控制子程序 控制高壓條件的連鎖、高壓的啟動、高壓數值的給定、高壓上升和下降的PID參數的設定、高壓故障報警和急停等。
（3）陰極控制子程序 控制陰極條件的連鎖、陰極的啟動、陰極電流的給定、陰極電流上升和下降的PID參數設定、陰極的故障報警和急停等。
（4）聚焦控制子程序 控制聚焦連鎖、聚焦環(huán)位移，當達到最大聚焦電流時停止移動。
（5）故障檢測和報警子程序 完成對設備的檢測，如有故障自動報警。
（6）主程序 當處于自動狀態(tài)的時候，PLC按照工藝的工作順序啟動循環(huán)水、啟動各種真空泵和閥門抽真空，當達到真空度要求時，自動接通陰極電源并且逐漸加大陰極電流，自動接通高壓電源，逐漸加大高壓電壓達到高壓的設定值，然后開始聚焦，當熔煉完畢后按照相反的順序進行。
（7）與上位計算機通信子程序 S7-200 PLC內部集成的PPI接口提供了強大的通信功能，但其通信協議尚未公開，要實現上位機與PLC的通信須選擇西門子公司的組態(tài)軟件，給用戶帶來很大不便，且提高了成本。所以與上位計算機的通信采用了自由口通信協議，大大降低了成本。
3.2 上位計算機軟件
基于VB6.0處理監(jiān)控界面圖形、數據報表處理、歷史趨勢線及其通信的方便性和快捷性，上位機的控制程序采用VB6.0實現。在操作系統(tǒng)Win-dows 2000下使用VB本身提供的MSComm控件來實現與PLC的通信。
4 結語
本系統(tǒng)于2004年6月在西北有色金屬研究院投入使用，連續(xù)運行，取得良好的效果，制造出ф30mm×500mm鉬單晶，控制精度較高，完全達到設計要求（設計熔煉功率為20kW，波動在3％以下，實際最大波動為0.4 kW左右）。同時，系統(tǒng)自動化程度較高，維護簡單，使用方便，降低了勞動強度，提高了系統(tǒng)的運行效益。
［摘要］介紹了電子束單晶熔爐的工作原理，對控制原理進行了分析，提出用西門子200系列的可編程程序控制器對電子束單晶熔爐進行邏輯控制。結合電子束單晶熔爐對控制系統(tǒng)的要求，分別對控制軟件的作用和構成進行了詳細的說明?？刂葡到y(tǒng)運行表明：控制系統(tǒng)的軟、硬件功能比較完善、工作可靠。
[關鍵詞]PLC；電子束單晶熔爐；控制系統(tǒng)
電子束單晶熔爐是高能束技術在金屬冶煉中的應用。主要工作原理是電子槍（陰極）通過加熱發(fā)射的電子在高壓靜電場的加速下形成高能電子束，電子束通過聚焦后轟擊要熔煉的金屬，使高熔點金屬熔化。電子束熔煉因熔煉金屬純度高、效率較高等優(yōu)點而應用于金屬冶煉領域，隨著計算機技術及其它新技術的發(fā)展，加速了電子束熔煉在工業(yè)中的應用。
本工程是西北有色金屬研究院難熔金屬研究所的改造項目。原設備完全由手動控制，主要用做粗加工難熔金屬，不能生產單晶體，控制精度不高，效率低下。本系統(tǒng)在原來系統(tǒng)的基礎上改造成為單晶體的熔煉系統(tǒng)，實現了系統(tǒng)的自動控制，控制精度高，生產效率大大提高。
1 電子束熔爐簡介及工作過程
1.1 電子束單晶熔爐組成
電子束單晶熔爐主要由真空系統(tǒng)、高壓電源、陰極電源、聚焦部分、上下料進給機構及旋轉機構、冷卻系統(tǒng)、爐體、電子槍、操作臺和其它的輔助電源等組成。真空系統(tǒng)為電子槍和聚焦設備提供真空工作環(huán)境，主要由機械泵、真空泵、各種閥門和真空測量儀器（規(guī)管）組成。高壓電源為電子槍發(fā)射出的電子提供加速電壓，高壓通過三相不可控整流器獲得，最高電壓可達25kV，高壓直流電源內阻小、穩(wěn)定工作時輸出紋波系數小、具有軟起動及保護功能。陰極電源通過加熱電子槍（陰極）使之能夠發(fā)射足夠多的電子。聚焦部分是用來聚焦電子槍發(fā)射出的電子，使之能夠準確轟擊被熔化的料棒。上下料進給機構和旋轉機構由4臺伺服電機組成，上下料進給機構是使料棒在熔煉時能夠上下移動，而旋轉機構是使料棒在熔化后能夠冷卻均勻。冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)水進行冷卻，被冷卻的部分有爐體、坩堝等。爐體為熔煉提供真空條件，保證料棒熔煉的正常運行，同時還可以防止各種射線泄漏傷害現場的操作人員。電子槍采用環(huán)形槍，材料為鎢絲，加熱到白熾狀態(tài)后能發(fā)射足夠多的電子。操作臺主要由電源、控制部分等組成，用來控制4臺伺服電機。
1.2 工作過程
（1）打開冷卻循環(huán)水閥門，啟動壓縮機、機械泵和預抽閥。
（2）接通陰極電源和上下料旋轉伺服電機。
（3）接通高壓電源和聚焦部分。
（4）熔化料棒。
（5）繼續(xù)熔化下一根棒料，重復上面的（2）、（3）、（4）過程。
（6）棒料熔煉完畢停止熔煉，停止熔煉的順序和啟動過程相反。
整個過程可完全由人工操作，也可通過PLC自動完成。PLC自動完成啟動循環(huán)水、壓縮機、機械泵、抽真空等，使之達到正常熔煉所需要的條件，然后接通陰極電源和高壓電源（采用PID控制），自動完成熔煉過程，停止熔煉的順序與啟動的順序相反。熔煉過程中，如果聯鎖條件不滿足或冷卻水、爐內真空度及各種設備的狀態(tài)有故障時，PLC自動報警，操作人員處理完畢復位后，PLC繼續(xù)執(zhí)行原程序。
2 系統(tǒng)組成
控制系統(tǒng)構成如圖1所示。上位計算機采用研華工控機，在操作系統(tǒng)bbbbbbs 2000下進行軟件的設計和開發(fā)，實現對整個過程的監(jiān)控和數據監(jiān)測，可以隨時存儲數據，還可以隨時打印采集到的數據。下位計算機以PLC為核心分別對各控制部分進行控制和檢測，PLC選用西門子公司的S7-200系列的CPU224。各個部分的控制如下。
1—高壓部分；2—陰極部分；3—聚焦控制部分；4．真空及閥門控制部分；5—循環(huán)水控制部分；6—伺服電機控制部分[關鍵詞]PLC；電子束單晶熔爐；控制系統(tǒng)
電子束單晶熔爐是高能束技術在金屬冶煉中的應用。主要工作原理是電子槍（陰極）通過加熱發(fā)射的電子在高壓靜電場的加速下形成高能電子束，電子束通過聚焦后轟擊要熔煉的金屬，使高熔點金屬熔化。電子束熔煉因熔煉金屬純度高、效率較高等優(yōu)點而應用于金屬冶煉領域，隨著計算機技術及其它新技術的發(fā)展，加速了電子束熔煉在工業(yè)中的應用。
本工程是西北有色金屬研究院難熔金屬研究所的改造項目。原設備完全由手動控制，主要用做粗加工難熔金屬，不能生產單晶體，控制精度不高，效率低下。本系統(tǒng)在原來系統(tǒng)的基礎上改造成為單晶體的熔煉系統(tǒng)，實現了系統(tǒng)的自動控制，控制精度高，生產效率大大提高。
1 電子束熔爐簡介及工作過程
1.1 電子束單晶熔爐組成
電子束單晶熔爐主要由真空系統(tǒng)、高壓電源、陰極電源、聚焦部分、上下料進給機構及旋轉機構、冷卻系統(tǒng)、爐體、電子槍、操作臺和其它的輔助電源等組成。真空系統(tǒng)為電子槍和聚焦設備提供真空工作環(huán)境，主要由機械泵、真空泵、各種閥門和真空測量儀器（規(guī)管）組成。高壓電源為電子槍發(fā)射出的電子提供加速電壓，高壓通過三相不可控整流器獲得，最高電壓可達25kV，高壓直流電源內阻小、穩(wěn)定工作時輸出紋波系數小、具有軟起動及保護功能。陰極電源通過加熱電子槍（陰極）使之能夠發(fā)射足夠多的電子。聚焦部分是用來聚焦電子槍發(fā)射出的電子，使之能夠準確轟擊被熔化的料棒。上下料進給機構和旋轉機構由4臺伺服電機組成，上下料進給機構是使料棒在熔煉時能夠上下移動，而旋轉機構是使料棒在熔化后能夠冷卻均勻。冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)水進行冷卻，被冷卻的部分有爐體、坩堝等。爐體為熔煉提供真空條件，保證料棒熔煉的正常運行，同時還可以防止各種射線泄漏傷害現場的操作人員。電子槍采用環(huán)形槍，材料為鎢絲，加熱到白熾狀態(tài)后能發(fā)射足夠多的電子。操作臺主要由電源、控制部分等組成，用來控制4臺伺服電機。
1.2 工作過程
（1）打開冷卻循環(huán)水閥門，啟動壓縮機、機械泵和預抽閥。
（2）接通陰極電源和上下料旋轉伺服電機。
（3）接通高壓電源和聚焦部分。
（4）熔化料棒。
（5）繼續(xù)熔化下一根棒料，重復上面的（2）、（3）、（4）過程。
（6）棒料熔煉完畢停止熔煉，停止熔煉的順序和啟動過程相反。
整個過程可完全由人工操作，也可通過PLC自動完成。PLC自動完成啟動循環(huán)水、壓縮機、機械泵、抽真空等，使之達到正常熔煉所需要的條件，然后接通陰極電源和高壓電源（采用PID控制），自動完成熔煉過程，停止熔煉的順序與啟動的順序相反。熔煉過程中，如果聯鎖條件不滿足或冷卻水、爐內真空度及各種設備的狀態(tài)有故障時，PLC自動報警，操作人員處理完畢復位后，PLC繼續(xù)執(zhí)行原程序。
2 系統(tǒng)組成
控制系統(tǒng)構成如圖1所示。上位計算機采用研華工控機，在操作系統(tǒng)bbbbbbs 2000下進行軟件的設計和開發(fā)，實現對整個過程的監(jiān)控和數據監(jiān)測，可以隨時存儲數據，還可以隨時打印采集到的數據。下位計算機以PLC為核心分別對各控制部分進行控制和檢測，PLC選用西門子公司的S7-200系列的CPU224。各個部分的控制如下。
（1）高壓控制部分 高壓控制部分由PLC模擬量輸出模塊、晶閘管觸發(fā)電路、傳感器、PLC模擬量輸入模塊等組成。PLC經過內部的PID運算后輸出模擬信號直接給晶閘管觸發(fā)電路來控制高壓電源的輸出，并實現高壓的穩(wěn)定和調節(jié)以及對高壓電源的聯鎖控制。高壓控制部分的主要功能有高壓梯度上升和下降、料棒熔化過程中的高壓保護、急停和故障顯示等。
（2）陰極控制部分 陰極控制部分由PLC模擬量輸入和輸出模塊、晶閘管觸發(fā)電路、傳感器等組成。PLC經內部的PID運算后，輸出模擬信號給陰極的晶閘管電路，控制陰極電流輸出，實現陰極電流的穩(wěn)定和調節(jié)，主要控制陰極電流梯度的上升和下降，熔化料棒過程中的急停、故障顯示等。
（3）聚焦控制部分 聚焦控制部分控制電子束的準確度，在電子束發(fā)射電子數目一定的情況下，讓盡量多的電子轟擊到料棒上，提高電子的利用率。它主要通過上下移動聚焦環(huán)來獲得最佳的位置，同時還保證與其它控制部分的聯鎖。
（4）真空及閥門控制部分 真空及閥門控制部分保證設備具有正常的真空工作環(huán)境，主要由各種真空泵、閥門等組成。PLC對真空系統(tǒng)的控制分手動和自動兩種功能，手動時各種泵和閥門的開啟完全由人工控制；自動時，PLC根據程序要求自動完成對設備的抽真空任務，判斷泵、閥門、真空度狀態(tài)的和聯鎖條件是否滿足等。
（5）循環(huán)水控制部分 本系統(tǒng)采用水冷，在啟動所有設備之前需要啟動循環(huán)水，在熔煉的過程中PLC不斷檢測各路循環(huán)水的狀態(tài)（溫度和壓力），任何一路循環(huán)水出現故障（溫度過高或者壓力不足）就會報警，等待現場的人員去處理，停機時停掉所有設備之后再關閉循環(huán)水。
（6）伺服電機控制部分 伺服電機的控制通過調節(jié)伺服電機的輸入電壓來控制速度，而輸入電壓可以通過調節(jié)電位器的電壓來實現。由于本系統(tǒng)所用伺服電機的轉速與輸出脈沖的關系為2500個脈沖/r，當轉速較快時，單位時間內輸出脈沖數多，不方便測量，所以加了分頻電路（256分頻），分頻電路的輸出連接到PLC的數字量接口，利用PLC內部計數器來記錄脈沖的個數，然后通過算法還原成實際的轉速。
3 軟件構成
3.1 PLC軟件
PLC控制流程圖如圖2所示。
各部分軟件功能如下。
（1）初始化子程序 對本程序中要用到的寄存器、定時器和計數器清零，使設備處于初始狀態(tài)。
（2）高壓控制子程序 控制高壓條件的連鎖、高壓的啟動、高壓數值的給定、高壓上升和下降的PID參數的設定、高壓故障報警和急停等。
（3）陰極控制子程序 控制陰極條件的連鎖、陰極的啟動、陰極電流的給定、陰極電流上升和下降的PID參數設定、陰極的故障報警和急停等。
（4）聚焦控制子程序 控制聚焦連鎖、聚焦環(huán)位移，當達到最大聚焦電流時停止移動。
（5）故障檢測和報警子程序 完成對設備的檢測，如有故障自動報警。
（6）主程序 當處于自動狀態(tài)的時候，PLC按照工藝的工作順序啟動循環(huán)水、啟動各種真空泵和閥門抽真空，當達到真空度要求時，自動接通陰極電源并且逐漸加大陰極電流，自動接通高壓電源，逐漸加大高壓電壓達到高壓的設定值，然后開始聚焦，當熔煉完畢后按照相反的順序進行。
（7）與上位計算機通信子程序 S7-200 PLC內部集成的PPI接口提供了強大的通信功能，但其通信協議尚未公開，要實現上位機與PLC的通信須選擇西門子公司的組態(tài)軟件，給用戶帶來很大不便，且提高了成本。所以與上位計算機的通信采用了自由口通信協議，大大降低了成本。
3.2 上位計算機軟件
基于VB6.0處理監(jiān)控界面圖形、數據報表處理、歷史趨勢線及其通信的方便性和快捷性，上位機的控制程序采用VB6.0實現。在操作系統(tǒng)Win-dows 2000下使用VB本身提供的MSComm控件來實現與PLC的通信。
4 結語
本系統(tǒng)于2004年6月在西北有色金屬研究院投入使用，連續(xù)運行，取得良好的效果，制造出ф30mm×500mm鉬單晶，控制精度較高，完全達到設計要求（設計熔煉功率為20kW，波動在3％以下，實際最大波動為0.4 kW左右）。同時，系統(tǒng)自動化程度較高，維護簡單，使用方便，降低了勞動強度，提高了系統(tǒng)的運行效益。
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：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
