真空热处理设备PLC温控系统设计

张 伟，王松沛

（中山凯旋真空科技股份有限公司，广东 中山 528478）

真空热处理技术有三个关键的参数即真空度、加热和预热温度以及加热时间。真空热处理就是在真空（10-1～10-2）环境当中加热工件，并达到一定的温度，然后在不同的介质中以不同冷却速度来进行冷却的热处理方法，高效、节能而且无污染，应用非常的广泛。一般真空热处理设备在应用当中会利用温度这个参数来实现温度控制，但需要采购温度控制器，实际如果PLC中如果有PID模块也是可以实现温控的。文章就从这个角度来进行探讨。

1 PLC和PID

（1）PLC。即可编程逻辑控制器，在自动化控制领域，PLC的地位非常显著。PLC在事先设定好的程序下运行，结合传感器设备实现现场设备运行状态信息的收集，然后经过PLC的CPU计算，转换信号，向变频器设备发送控制指令，实现调频，达到自动化控制目的。

PLC的控制模式，主要包括开关量控制、闭环控制、运动控制等。在真空热处理设备的自动控制当中，真空度、温度和加热时间是重点参数，基于闭环控制可实现设备自动控制，闭环控制本质是一种过程控制，针对的是生产过程当中一些有连带关系的量，这其中就有温度，PLC的专用模块中可实现A/D或者D/A之间的相互转化。因为温度很容易监控到，温度参数是非常有效的自动控制参数。

（2）PID。也是一种自动化控制装置。受控量与受控参数之间是存在函数关系的，当然函数关系的推导难度较大，也务必要去推导。一般PID曲线可以进行模式传递含参数在某个控制点的测控。其一般适用于受控对象的稳态特征为线性时不变。在真空热处理工艺当中，实际就是一个线性时不变的过程，对温度的要求非常高。

值得注意的是PLC有时是有PID模块的，PLC虽然与温度控制器有一定区别，但是用PLC实现温控系统并没有大的问题，直接使用PLC的PID功能也是可以实现温控系统的，成本效益比较好。

2 真空热处理设备PLC温控系统设计

PLC提供PID模块，在温控系统当中重点就是控制程序，这比之温度控制器难度要高一些，但实现PLC的温度控制系统，自动化化水平更高。

（1）设计思路。PLC则是通过相应的控制模块及其控制程序辅以相应的变频设备等实现自动控制，要求系统要能够实现设备自动动作，满足产品加工质量及生产效率的要求，确保系统安全、稳定、可靠的工作，系统结构尽可能的简化，降低生产制造的成本，充分提高自动化程度，减轻劳动强度，改善操作性能，便于维修。PLC的选择要根据工艺流程要分析被控制对象、控制过程和要求。据分析得出的结论选择输入和输出设备，确定系统的总体配置。所选输入设备包括按钮、行程开关、选择开关、传感器等。输出设备则包括接触器、电磁阀、指示灯等。一般先根据统计的I/O点数加上20%左右的扩展余量，估算I/O点数，并根据数字量I/O点数的15倍左右以及模拟量I/O点数的100倍，加以考虑25%的余量作为PLC存储器容量。然后在选择PLC的功能，包括运算能力、控制功能、通信功能、编程、诊断等。针对特定的控制功能进行程序设计。

（2）硬件设计。硬件方面用S7系列PLC的CPU，具备DP通讯，以及以太网通行功能，模拟量输入输出功能，出于经济性的考虑，S7-300即可，满足设备热处理要求。

热电偶温度变送可满足温度值的测量需求。PID模块为FB58。人机界面使用可以与S7系列PLC兼容的的面板，人员的操作设定观测数据通过人机界面，转化为指令发送给PLC，并读取PLC的数据.PLC作为主控中心，加热控制晶闸管调压阀，针对真空热处理炉进行加热，同时收集温度值信息，反馈给PLC并上传至人机界面，供操作人员参考。

（3）程序设计。程序设计版本博图V13，程序语言SCL。程序要求包括加热实际温度启动程序，加热过程设计温度计算，PID模块程序，插入程序、删除程序以及跳段程序。其中重点是PID程序，要求使用周期100ms，循环态，中断性为零，保证PID控制的精确性。

设计中所有变量参数为实际温度、设定温度、第i段设定温度、第i段设定时间，输出功率，时间，升温速度，增益效果，采样周期以及积分时间。所有参数均存放于DB之中。加热启动过程当中加热实际温度与加热过程中的设定温度相当，即使出现高温故障中断加热，重启加热过程当中也可以直接从实际温度启动加热，可有效的节省时间。加热过程当中设定温度计算问题，当时间增加，设定温度也增加。程序段插入与删除方面，当执行Del时，删除段之后的所有程序段开始迁移，而执行Ins时，在Ins段插入段，在Ins之前的程序段不动，而Ins后的段则后移。加热当中执行跳段操作时，程序可以直接向下一段跳进。因为PLC毕竟不同于温度控制器，其所带PID功能虽然可以实现温度控制，但需要进行适当的调整。按照设备具体情况，PID参数增益设定为5，积分时间为120 s，微分时间为30 s，采样算法实践0.1 s，比例作用权重1.0，DT1系数5.0，时间延迟6.0。当启动程序，温度达到800℃时，程序暂停，PID开模块开启自整定。经过整定确保温度控制精度。

设备在工作过程当中，温度升高，加工材料会出现放气现象，造成真空度下降，一般情况下，采取的是手动模式来保证真空度，待真空度恢复到一定程度后继续加温，因此在PLC温控当中，可以利用PLC的其他模块来结合使用，实现自动化控制，主要是设定一个真空度的阈值，当真空度达到这个阈值时设备自动调整。

3 结语

综上所述，真空热处理设备在当前的金属加工当中地位是非常显著的，其应用非常广泛，在真空热处理当中，要求要保证一定的真空度、温度以及加热的时间，进而保证加工质量，在实际的操作当中，实现自动化控制，生产效率会更高，加工质量也能保证。为此文章基于PLC，探索了真空热处理设备的温控系统，文章主要从PLC的硬件选择和软件设计方面做出了探讨，所列举的温控系统，结构相对简单，成本效益相对较好，自动化程度高。当然可能也存在不足之处，希望有参考价值，同时也希望能够和业内同仁共同探讨，提高真空热处理设备的自动化控制水平。