基于西门子Smart 700 IE的真空炉监控系统

庞河临，毛 海,2，李 健,2

(1西安电炉研究所有限公司，陕西 西安 710061；2 西安慧金科技有限公司，陕西 西安 710061)

中国是一个工业大国，主要工业产品的原材料都需经过退火方面的处理，在能源材料危机的环境下，要减少能源材料消耗提高生产效率。从工业加热设备角度分析，真空退火炉作为热处理加工设备、广泛用于金属原材料的热处理过程中，提高设备研究改进控制系统存在着重要的现实意义。

真空退火炉是一个复杂的集成系统，应用到多方面的知识，其中包括材料、机械制造、热处理工艺及工业电气自动化等学科，几方面学科的合理配合及其优化设计才能集成出优等的产品。热处理设备是非标设备，是一种紧密结合实践的产物，应用到的许多知识只能在实践中去摸索出真理和积累经验。以某公司研发、设计电阻炉、感应炉、电弧炉为主要经营业务、同时兼具调试和安装售后服务。基于公司及产品的特点，浅谈一种以真空退火炉为应用载体，配套该类设备的电气自动化控制系统。其中，应用西门子触摸屏Smart 700 IE实现该系统中的监视、控制、记录、查询功能。

1 真空退火炉设备特性

某真空退火炉的主要技术参数如下：

额定功率/kW 330

额定温度/ ℃ 800

最高工作温度/ ℃ 850

工作区尺寸/ mm2× mmΦ1 800×2 400

一次最大装载量/kg ～750(包括工、夹具)

炉温均匀性/ ℃±5

炉温稳定度/ ℃±1

真空罐冷态极限真空度/Pa 5×10-2

真空罐压升率/ Pa·h-12

极限真空度/Pa 7

加热罩压升率/Pa·h-120

充氩压力/MPa 0.2 ～0.3

冷却水消耗量/ t·h-1<0.8

总质量/ t ～9.5

2 电气控制系统方案及功能

在满足以上设备主要技术参数的要求下，设计服务该参数性能的电气控制系统。

2.1 电气系统主要组成

控制系统由配电系统、温度控制系统、PLC控制系统、HMI监控系统四大部分组成。

2.2 配电系统

配电系统主要由低压断路器、快速熔断器、交流接触器、三相数字调功装置等部分组成，主回路电压、电流、功率等电参数均可在控制柜上的SCR调功装置外引面板上显示并查看。加热输出电源通过电缆与加热炉各区加热体连接，通过温控系统对加热电源输出功率的实时调节，实现温度的自动控制。

快速熔断器在加热主回路起保护作用，当出现短路等恶劣情形而SCR自身又不能保护时，快速熔断器烧断，保护主回路电器元件。调功器通过电缆与各区加热体相连接，通过温控仪表的反馈信号对调功器输出功率进行实时调节，实现温度的自动控制。调功器选用全数字三相晶闸管功率控制器，具有过流、过热、晶闸管故障、主回路电源丢失、负载断相报警等保护功能。自带RS485通讯接口，可以将三相功率控制器的所有参数(如电压、电流、功率等)上传至HMI系统。

温控柜柜体采用标准柜，前后开门，整体密封组合式结构。柜内安装有检修插座、并安装强排风风机，以确保柜内的温升正常。每个柜内均有独立的照明装置，开启柜门的同时开启照明装置，能够清晰的观察和维护柜内元器件。铜排与元件的连接部分采用可视化的绝缘方式。为提高连接处的可靠性，铜排及导线接头采取镀锌或搪锡措施，导线接头的暴露部分用热缩套管绝缘，不同的相序为不同的颜色，为安装及维护提供方便。

2.3 温度控制原理

温度控制系统采用温控仪选用岛电系列仪表，配合铂铑分度热电偶和补偿导线，以及所有的补偿导线单独穿管，以获得较高的系统精度。温控仪表输出4～20mA信号至调功器输出功率大小。设有超温保护仪表，仪表采集超温热电偶信号，其温度高报警输出串接至调功器的启停控制上，以达到硬接线超温保护目的。

温度工艺程序编制如表1所示，真空退火炉温度控制曲线图如图1所示，温度控制主电路图如图2所示。

表1 温度程序表

图1 温度控制曲线图

2.4 HMI 系统

HMI系统主要用来监控、显示、记录真空度参数和温度趋势，同时还可实现在线参数设定、实时工艺模拟显示和报警显示处理等功能。系统主界面如图3所示。

HMI系统采用Smart 700 IE触摸屏，通过控制软件进行程序编制，保证整个加热设备处于最佳工作状态，按照给定的工艺要求完成执行动作和升温保温的生产要求。该系统采用主从控制方式的数据采集和监控系统，上位主控功能主要由触摸屏来实现，下位设备由PLC、控温仪表及现场执行设备组成，主从设备之间通过各自对应的通信协议实现数据的交换和处理功能。

触摸屏组态软件根据用户习惯选用国产HIMbuilder，显示屏暮10寸英寸显示器，预留工厂级数据通讯接口。但这次选用SMART 700 IE V3在画面制作和触摸屏设置方面都国产屏幕好用的多，主要特点是画面流畅。界面设置和相关参数调整界面如图4所示。

图2 温度控制主电路图

图3 HMI系统主界面图

图4 界面设置和相关参数调整界面

2.5 保护及报警

主要包括过流、缺相、超压、低温等报警及保护系统。当测温温度值超出设定值时，温控仪输出一个信号，产生声光报警。报警同时通过小型继电器来驱动主回路上的交流接触器切断加热电源。此外在温度系统中设有各区超温、断偶、声光报警、短路、漏电保护装置。

联锁保护：炉体送电顺序、停电顺序等之间均设有相应的联锁保护。

断偶保护：当热电偶断偶，仪表自动将测温定义为最高温度、加热器断电并报警。

过载短路保护：可控硅过热报警及自动空气开关等相应的保护电路，一旦某个温区出现上述故障，该区的加热电源自动切断为避免加热器短路引起的可控硅等元件损坏，均设有短路、过载保护器件(见图5)。

图5 设备真空系统实物图

3 结 论

真空炉监控系统具有实时性、可靠性、可维护性、过程量采集和输出、人机交互、通信功能、信息处理和算法等特点。因此，在监控软件开发时,应充分从系统的基本要求和工艺特点出发,满足系统的智能化控制要求。西门子Smart 700触摸屏，具有强大且丰富的通讯能力和数据处理能力。不仅能实现真空炉的温度工艺趋势和程序智能化控制，其高分辨率使得画质细腻，整个设备的运行状态显示更加清晰生动，满足了系统高性价比的目标。