基于PLC升级改造真空炉的方法

马慧 任明杰

【摘 要】本文针对八十年代生产的冷壁内热式卧式双室真空炉，由于使用至今已近三十年之久，电气控制系统中元器件和导线大多数已经老化，故障率较高，对正常的生产任务已造成影响。使用可编程序控制器PLC对其进行智能化升级改造，可恢复使用，并降低故障率。

【关键字】线路老化；故障率高；可编程序控制器；改造

中图分类号： TM58 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）27-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.001

1 简介

冷壁内热式卧式双室真空炉有加热室、真空隔热闸门、气冷室、油淬装置、真空泵机组、水冷系统、液压系统、进料机构和电气控制系统等组成。具有油淬和气淬两种功能。

2 前期准备

（1）查阅该炉子相关资料并做记录；

（2）咨询操作者该炉子工作过程并做记录；

（3）到现场查看控制柜接线并做记录；

（4）整理记录。

3 工作实施

3.1 编写该设备结构特点

在编写过程中，根据结构特点，思考该炉子工作过程。为后期编程打下基础。

3.1.1 送料机构

该炉子采用简化结构的叉车式送料机构，有液压马达传动蛇形链的进退来推拉装有叉脚的小车，运送置于叉脚上的料盘，依靠料车滑道的上下倾斜使料盘安置在炉床上，滑道的倾斜则籍真空隔热门下部的油缸活塞杆的升降。这种型式的构件，进入加热室的只有二根叉脚，而且时间很短，其他运动部分也均不受高温影响，运动状态十分简单，因此较稳定可靠。

3.1.2 冷却室

在双室式真空淬火炉中，一个是加热室，另一个即冷却室，冷却室除具有工件淬火冷却功能外，还供工件进加热室前准备之用。淬火时上部供气冷，下部置一油槽供油淬。

（1）气冷室

气冷室有前炉门、壳体、热交换器、气冷风扇等组成。壳体是双层圆筒结构，中间夹层通冷却水。目的使气冷时外壁温升保持在40oC以下，并作气体冷却热交换之用，油淬时加速油蒸汽在内壁冷凝，这样可以减少油蒸汽的弥漫时间，节约淬火油，缩短再装料的等候时间。在冷却风扇下面还装着带有大量铝散热片的热交换器，增强气体的冷却效果，使气淬工件获得较大的冷却速度。

（2）油淬装置

油淬装置由油槽、油搅拌装置、升降机等组成。油搅拌装置位于油槽底部，以液压马达带动搅拌叶轮，液压马达外罩有导流锥形帽，搅拌叶轮逆时针方向旋转。这样在淬火时使冷却第一阶段产生的蒸气泡随流向下，在叶轮高压区内气泡被打碎，同时通过灼热工件时局部油温升高，此局部高温的油往下迅速翻腾，温度降低后再流向油的表面，这样油淬时可减少从油表面放出的蒸汽。

升降机由油缸带动链轮、链条使装料小车在滑道中上下移动。油淬时载有工件的料车从加热室水平移至油槽上方，升降机上升把料盘托起，抽出料车，然后升降机下降进入淬火油内。

3.2 选用可编程序控制器

根据输入装置和输出装置的个数，综合考虑系统经济性和技术指标，选用欧姆龙公司的CP1E-N60DR-A可编程控制器，基本单元开关量输入点36个，开关量输出点24个，需外加一个CP1W-40EDR扩展模块，该扩展有开关量输入点24个，开关量输出点16个，和两个CP1W-32ER扩展模块，每个扩展有开关量输出点32个。

3.3 分配I/O

部分I/O分配，如表1。

3.4 绘制电气原理图

使用AUTOCAD软件绘制该炉子的电气原理图。

3.5 编写该炉子控制流程

该炉子有气淬和油淬两种方式，控制方式分为手动、自动和半自动，另加零位功能。手动工作时，每一动作都对应有单独的启动和停止按钮控制，手动步进按钮可以改变当前步的位置，每按一次改变一步。自动工作时，采用PLC可编程控制器控制，除开闭外炉门和装卸料需手动操作外，从工件进入加热室至淬火完成，动作完全自动进行。

手动动作过程：按下托架升按钮→托架升电磁阀得电，托架开始上升→碰到托架上限位行程开关，托架升电磁阀失电，托架停止。按下加热室门开按钮→加熱室门开电磁阀得电，加热室门开始打开→碰到门上限位行程开关，加热室门开电磁阀失电，门停止。其他各个动作的手动控制按钮，动作过程和上述相似。

半自动时，由操作者根据经验选择该工作方式，手动出炉淬火，其他均同自动过程。

放料过程：打开外炉门→将工件放入料盘→关闭外炉门

油淬工作过程：托架升→到升位，加热室门开→到开位，料车进加热室→到加热室位，托架降→到降位，料车退装料位→到装料位，加热室门关→到关位，升降台升→到升位，淋油→淋油时间到，料车进冷却位→到冷却位，升降台降→到降位，料车退装料位→到装料位，保温时间到（手动及半自动时需按出炉淬火按钮）→加热室门开→到开位，料车进加热室→到加热室位，托架升→到升位，料车退冷却位→到冷却位，托架降→到降位，加热室门关→到关位，升降台升→到升位，料车退装料位→到装料位，升降台降→到降位，淬火，油搅拌机开→淬火时间到→油搅拌机停。

气淬工作过程：托架升→到升位，加热室门开→到开位，料车进加热室→到加热室位，托架降→到降位，料车退装料位→到装料位，加热室门关→到关位，保温时间到（手动及半自动时需按出炉淬火按钮）→加热室门开→到开位，料车进加热室→到加热室位，托架升→到升位，料车退冷却位→到冷却位，托架降→到降位，加热室门关→到关位，冷却风扇开，淬火→淬火时间到，冷却风扇停，料车退装料位→到装料位。

3.6 编写PLC控制程序

根据该炉子工作过程，及控制要求，编写PLC控制程序。

注意加热室炉门开出炉淬火时，旋转警示灯响，启动条件满足或程序结束时，蜂鸣器响。

PLC编程指令有基本指令和功能指令组成，基本指令多用于简单控制，编程较为灵活；对于繁琐的控制，若仅使用基本指令，编程较复杂，可用功能指令配合编程使其程序简化，且所编的程序较易阅读。根据该炉子工作特点，采用步进指令程序控制，把每一动作都放在单独的步中，上下每一步之间都相互互锁，工作过程更可靠。

部分程序如图1。

3.7 选用元器件

有2个5.5KW的三相电机，额定电流为12A，应选用15A断路器和接触器。有一个3KW的三相电机，额定电流为7A左右，應选用10A的短路器和接触器。有一个单相的3.5KW的扩散泵，额定电流为15A，应选用20A短路器和接触器。15A的接触器与20A的接触器相比，在重量、尺寸、功耗各方面均相同，考虑到，使用寿命及以后维修的互换性，接触器通一选用20A的。发热体功率为30KW，磁性调压器初级电流为100A，其接触器选用140A的。根据该炉子各部分控制电压、电流、电机功率确定各控制器件及导线的型号、规格。

3.8 布局与接线

根据控制柜尺寸，合理布局元器件位置，根据原理图，连接主电路和控制电路。

3.9 调试

（1）电源接通前，用万用表测各控制回路及主回路是否存在短路、断路、及对地电阻；

（2）将设备各断路器断开，热继电器电流设定好；

（3）将三相电源接入该设备总断路器端，并用万用表检测电压是否正常；

（4）将总断路器接通，把控制电源短路器接通；

（5）将事先编好PLC程序下载到PLC中；

（6）按下控制柜面板上的控制电源接通按钮，并观察面板各指示灯的指示是否符合要求；

（7）选择手动方式，然后依次按下各手动操作按钮，观察接触器和电磁阀动作是否符合要求，并观察面板各指示灯的指示是否符合要求；

（8）将电机或泵的电源线连接，各断路器接通，依次调试各电机或泵的相序；

（9）启动机械泵将加热室和前室抽至真空状态后，停止机械泵，启动油泵，选择半自动工作方式，并选择油冷工艺或气冷工艺，此时若蜂鸣器响2秒停止，且面板上相应程序启动指示灯亮，说明程序启动条件满足，可按程序启动按钮启动，运行至出炉淬火那一步时，可按一下出炉淬火按钮（此时旋转警示灯亮2秒），继续运行后面的动作，直至程序结束（若是气冷工艺，需回充氮气），结束后蜂鸣器响2秒停止。过程中，注意观察面板上各指示灯的指示符合要求；

（10）在真空状态下，按温控电源开按钮，再按发热体通电按钮，看面板上电流，电压表指示是否符合要求。

4 改造效果

控制系统方面：原来以五十多个中间继电器为主控制，现在以一个PLC主机加三个扩展模块控制。

控制方式方面：原来是手动和自动两种方式，现在是手动、自动、半自动，另加零位功能。

警示方面：出炉淬火警示，原来是安装于电气控制柜内的电铃，且早已失去该功能，现在是安装于电气控制柜外部的旋转警示灯，已恢复该功能；程序准备启动条件满足警示，蜂鸣器早已失去该功能，现已恢复该功能。

说明书方面：原来缺少该设备说明书，现在有较为完整的说明书。

图纸方面：原来仅一张A0的复印件图纸，使用老国标电气符号，且不清晰，现在为使用新国标绘制的电气原理图。

改造前后效果对比：改造前，使用继电接触器控制，电气元件多，控制方式繁琐，线路复杂，大部分电气元件和导线已老化，故障率高，工作不可靠，缺少说明书，图纸不清晰，维修不便；改造后，使用PLC可编程控制器控制，电气元件少，控制方式简便，线路简单，故障率低，工作可靠性高，编写了较为完整的说明书，电气原理图阅读方便，维修效率提高，周期短。