真空熱處理設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛，一般都需要外購溫控表控制溫度。本文設(shè)計了PLC 溫控系統(tǒng)，在設(shè)備自帶PLC中利用PID模塊設(shè)計控溫系統(tǒng)，無需外購溫控表，大大減少設(shè)備成本并降低故障發(fā)生。同時，把溫控程序與真空設(shè)備原有程序放在一個軟件系統(tǒng)里編程，可減少通訊線路，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，反應(yīng)迅速。

1、真空熱處理技術(shù)

　　真空熱處理是真空技術(shù)與熱處理技術(shù)相結(jié)合的新型熱處理技術(shù)，真空熱處理所處的真空環(huán)境指的是低于一個大氣壓的氣氛環(huán)境，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空，真空熱處理實際也屬于氣氛控制熱處理。真空熱處理是指熱處理工藝的全部和部分在真空狀態(tài)下進行的，真空熱處理可以實現(xiàn)幾乎所有的常規(guī)熱處理所能涉及的熱處理工藝，但熱處理質(zhì)量大大提高。與常規(guī)熱處理相比，真空熱處理的同時，可實現(xiàn)無氧化、無脫碳、無滲碳，可去掉工件表面的磷屑，并有脫脂除氣等作用，從而達到表面光亮凈化的效果。

　　1.1、真空冶金

　　在低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下進行的冶金作業(yè)。可以實現(xiàn)大氣中無法進行的冶金過程，能防止金屬氧化，分離沸點不同的物質(zhì)，除去金屬中的氣體或雜質(zhì)，增強金屬中碳的脫氧能力，提高金屬和合金的質(zhì)最。真空冶金一般用于金屬的熔煉、精煉、澆鑄和熱處理等，隨著尖端科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，真空冶金在稀有金屬、鋼和特種合金的冶煉方面日益廣泛地得到應(yīng)用。

　　1.2、溫度控制

　　溫度控制已成為工業(yè)生產(chǎn)、科研活動中很重要的一個環(huán)節(jié)，能否成功地將溫度控制在所需的范圍內(nèi)，關(guān)系到整個活動的成敗。由于控制對象的多樣性和復(fù)雜性，導(dǎo)致采用的溫控手段的多樣性。在真空熱處理設(shè)備的溫度控制系統(tǒng)中，首先將需要控制的被測參數(shù)溫度，由傳感器轉(zhuǎn)換成一定的信號后，再與預(yù)先設(shè)定的值進行比較，把比較得到的差值信號，經(jīng)過一定規(guī)律的計算后，得到相應(yīng)的控制值，此時將控制量送給控制系統(tǒng)進行相應(yīng)的控制，而且不停地進行上述工作，從而達到自動調(diào)節(jié)的目的。

　　1.3、PID 控制原理

　　在過程控制中，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進行控制的PID 控制器(亦稱PID 調(diào)節(jié)器)是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象———“一階滯后+ 純滯后”與“二階滯后+ 純滯后”的控制對象，PID 控制器是一種最優(yōu)控制。PID 調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活。

　　2、硬件設(shè)計

　　CPU 采用西門子S7-300 系列314C-2 型PLC ，該PLC 具有以太網(wǎng)和D P 通訊、模擬量輸入輸出功能等，可滿足常規(guī)熱處理設(shè)備要求。

　　另外熱電偶溫度變送可測量實際溫度值。人機界面采用TP1900 精致面板，與300 系列PLC 兼容性較好，連接比較方便。整個溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

3、PLC 程序設(shè)計

　　PLC 程序在博圖V 13 中使用SCL 語言編寫，包括加熱PV 啟動程序、加熱過程中SP 計算程序、段插入/刪除/跳段程序、PID 模塊程序。其中PID 程序使用周期為100m s 的循環(huán)中斷O B1塊中編寫，保證PID 函數(shù)計算周期的精確性。PID模塊采取FB58 溫控PID 模塊，該模塊具有控制和自整定功能，使用方便。

　　3.1、變量定義

　　所有重要參數(shù)均存放在D B 數(shù)據(jù)塊中，防止丟失。

　　3.2、啟動值跟隨PV

　　加熱啟動時，使SP=PV。即使在高溫出現(xiàn)故障加熱中斷，重新加熱時，能夠直接從PV 啟動，節(jié)省時間。如圖2 所示。

圖2 PV 啟動示意圖

　　3.3、加熱過程中SP 計算

　　加熱時，隨著時間T 增加，SP 隨時間不斷增加。

　　3.4、刪除段、插入段與跳段操作

　　當(dāng)執(zhí)行刪除段操作時，將Del 段刪除，并將其之后的所有段前移；當(dāng)執(zhí)行插入Ins 段操作時，將Ins 段及其之后所有段后移，并將插入段放在Ins 段；當(dāng)執(zhí)行跳段操作時(加熱時)，直接跳到程序下一段。段插入刪除如圖3 所示。

圖3 段插入與刪除

　　3.5、PID 功能調(diào)試

　　①PID 初始參數(shù)設(shè)置：根據(jù)實際經(jīng)驗，設(shè)定增益P=5，積分時間I=120s，微分時間D=30s。PID 回路設(shè)定界面截圖如圖5 所示。

　　②PID 自整定：啟動程序，800℃時，暫停程序，開啟PID 自整定功能，經(jīng)一段時間的整定后得出整定后的PID 值分別為P =6.0，I =23，D =5.78，如圖5 所示。從低溫開始再次試驗加熱過程，如圖6 溫度曲線，控溫精度較高，低溫時有少量過沖，400℃時控溫精度達到±1℃，滿足使用要求。

　　3.6、加熱過程中自動保護程序

　　加熱時，有時候材料大量放氣，造成真空度迅速降低很多，一般都采用手動保持，待真空度恢復(fù)后再繼續(xù)升溫。可將此操作寫入自動程序，真空度低于設(shè)定值時自動保持，恢復(fù)后自動升溫，減少操作量。

圖4 PID 參數(shù)設(shè)定

圖5 PID 自整定

圖6 人機界面

4、人機界面設(shè)計

　　如圖6 所示為觸摸屏控溫畫面，由工藝編輯、操作按鈕、數(shù)據(jù)顯示、棒圖、溫度曲線等組成。工藝曲線一共可設(shè)定20 段，可直接在工藝編輯部分設(shè)定工藝參數(shù)，也可以在配方中設(shè)定，再將配方數(shù)據(jù)導(dǎo)出到變量中，配方具有存儲功能，可滿足一般設(shè)備要求。在配方中可修改工藝名，界面較人性化。可進行插入段、刪除段操作，在運行時可進行跳段操作。顯示運行時間、運行段號等參數(shù)，方便觀察工藝過程。

　　可對各參數(shù)修改按鈕及模塊設(shè)置不同操作權(quán)限，防止操作失誤造成意外。人機界面中顯示所有運行參數(shù)，能隨時觀察到設(shè)備運行狀態(tài)。加入配方功能，方便工藝存儲與讀取。

5、結(jié)論

　　本文設(shè)計了PLC 溫控系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)設(shè)計、PLC 軟件系統(tǒng)設(shè)計、觸摸屏人機界面設(shè)計。系統(tǒng)構(gòu)成較簡單，符合常規(guī)熱處理設(shè)備操作習(xí)慣，操作方便。