PLC 在中頻無芯感應電爐中的應用

孫 濤

（銅陵有色股份銅冠黃銅棒材有限公司 安徽 銅陵 244000）

0 引言

中頻無芯感應電爐是一種節能，高效率的熔化爐。 按照工藝要求分為無芯爐溫度控制、檢測，液壓系統、循環冷卻水等系統的控制。 整個控制系統要求自動化程度高、可靠性高。 涉及到大量的傳感器、電磁閥、電機按照程序要求和邏輯關系的開停操作。 以及根據工藝要求對溫度、壓力、流量的控制。 選用西門子公司的S7-400 PLC 為主控制系統。 既可以實現在線的組態編程和下載， 又可以用于在線監控的運行狀態， 形成具有現場控制層和協調控制層的分散式控制系統。

1 無芯感應電爐的結構及工作原理

1.1 無芯感應電爐的結構

無芯爐使用中頻電源。 爐子的水平截面可以看出其結構：可移動式的干燥陶瓷、水泥結構、絕緣層、線圈和扼流圈。垂直截面的結構有：水泥結構、可移動式的干燥陶瓷、熔化金屬和爐子頂部的排煙罩。

爐子頂的排煙罩， 限位開關給出的信號用于調節排煙閥，外加排煙系統。

1.2 工作原理及特點

爐子內的殘留熔體可以確保爐子最小容量時對碎屑的最佳處理。 殘留熔體看上去體積較大，要考慮到陰極銅和廢料包要盡量浸入熔液中。 只有在這種情況下，才可達到最佳的熱效率。 在長時間操作的情況下，爐子可完全被清空，完全切斷能源。

由于采用雙汽缸，爐子的傾角可達95°。由液壓缸自身的供能，液壓能源包位于爐子附近。 液壓驅動可傾系統要防止碎裂的管道和軟管。 電能不足的情況下，可以使用應急電源。所有的液壓部件可手動操作。

溫度測量設備（手動）給出正確的溫度。 在保溫和過熱情況下，與稱重系統一起自動控制能量供應。

爐子排煙罩上部有碎屑加料系統。 通過懸垂直的按鈕啟動（手動操作）。 在此操作中，爐子一直處于低功率狀態。隨著加料的增多，功率逐漸加大。 即使是冷啟動時，改變合金，爐子內部也沒有殘留熔體。 在這種情況下，一旦給爐子加料就啟動能源，而且隨著加料的增多而加大。 使用殘留熔體，可以提高效率，減少能耗。 使用中頻變頻器和感應器的線圈產生的功率使原料熔化到一定溫度。 達到熔化溫度后，可以將熔液從爐中倒進預加熱的流槽內。 所需能耗通過處理器來計算，計算的依據是料重。 料重由爐子底部的稱重系統提供。

所需的電能由變壓器、中頻IGBT－變頻器、電容器導軌包括電氣控制設備產生。 通過水冷電纜供應給爐子。

開關帶有西門子的SPS。 所有加熱和上料的控制部件都是布好線、經過測試的。 位于爐子附近的控制臺帶有西門子的PLC，用于提供操作時的信息和可視化系統（JOKS）。

2 系統硬件的配置

該系統選用西門子公司的SIMATIC S7PLC-400，帶有一個擴展模塊。 PLC 由UR2 底板、PS405 4A 電源摸板、CPU4142-2 和CP 4431-1 工業以太網通訊摸板組成。 遠程站選用的是SIMATIC ET200M16 套，搭載一定數量的DI、DO 摸板，完成現場數據采集及設備控制。

3 軟件組成

PLC 編程采用的是西門子公司的STEP7 編程軟件，它是用于SIMATIC S7-400 PLC 和基于PC 控制產品的組態、編程和維護的項目管理工具。 通過STEP7，用戶可以進行系統配置和程序的編寫、調試；在線診斷PLC 的硬件狀態；控制PLC和I/O 通道的狀態等。

HMI 組態軟件采用的是西門子公司的WINCCV5。 保證了與S7-400 PLC 的完全兼容。WINCC 是基于32 位操作系統WINDOWS95/98 或WINDOWSNT 的面向對象的32 位應用軟件，它提供了基于全面開放式接口的解決方案，具有標準的應用程序接口， 通過標準接口ODBC 和SQL 能訪問WINCC所集成的過程數據。 總之，該軟件接口開放、功能強大，圖庫豐富，能方便地進行生產過程的監視控制，并提供事件處理，報警登錄和歷史記載等多種手段進行數據分析。

4 中頻無芯感應電爐的控制系統

作為對數據采集與監視的核心－PLC, 從系統的可靠性、平穩性。 性價比等方面綜合考慮采用西門子S7-400 系列的產品。

西門子公司的400 系列PLC 具有先進的編程的特性、易于組態、體積小、便于安裝、成本低、性能高等特點。 能方便的用于繼電器和接觸器控制到復雜的中型自動化控制系統的場合。 它的CPU 具有強大的功能，如結構化編程，中斷控制、間接尋址實時鐘、IEC 定時器/計數器及測試功能模塊， 能完成復雜的各種操作。

CPU 模塊內置的兩個通信接口， 通信接口可以作MPL和DP 站，有光隔離。 作MPL 接口時，可以與編程器和OP 通信，可以做路由器。 S7 標準通信每個作業的用戶數據最大為64KB，S5 兼容通信每個作業的用戶數據最大為8KB， 通過CP 和可裝載的FC 可以進行標準通信。 內置的各通信接口最大傳輸速率為12Mbit/S。 作DP 主站時，可以與編程器和OP通信，支持內部節點通信，有等時線和SYNC/FREEZE 功能，除S7-412 外，有全局數據通信、S7 基本通信和S7 基本功能。最多32 個DP 從站，可以作路由器，插槽數最多512 個。最大地址區為2KB。 每個DP 從站的最大可用數據為244B 輸入/244B 輸出。

5 爐子控制系統主要功能

圖1 自動控制系統圖

根據熔化爐實際運行需要，自動適應溫度環境和上料重量的電能爐子，通過爐子的重量和分段加熱時間來理論計算熔化耗能。 本系統主要以PLC 為控制中心,變頻器是調節輸出頻率來控制輸出功率。其作用是通過爐料的重量信號反饋,來調節變頻器的輸出。 見圖（1）。 從而達到節能的作用。 提高工作效率。 主系統功能主要實現對熔化爐運行參數的采集、顯示和上傳。

一條閉合的二次水冷卻回路，用于爐子和開關設備。 回路的設計帶有熱交換器和獨立的水泵。 熱交換器和水泵均位于爐子和開關附近。 每個冷卻管道都裝有電磁閥來監視冷卻水的溫度和流量。 操作站HML 對不同時間段的生產數據記錄、出錯報警顯示與儲存（包括發生的時間和日期）。 報警分類，按照時間和發生的頻率，數據趨勢圖，由工藝控制系統監控。 操作臺上用于控制爐子的開、關動作的開關靠近爐子一側。 帶有顯示功能的操作員面板，可以對溫度進行設置，并且顯示出實際溫度。 除此之外，在操作員面板上還可顯示出錯報警，并帶有相關的電路圖，以便于發現和排除警報。

6 結束語

隨著微型計算機技術的不斷發展與完善，無芯爐保留了傳統的工藝流程基礎上，結合現有的控制裝置，實現無芯爐各組成單元的控制和保護，使能控制更容易更自動化。

無芯爐生產采用PLC 控制，充分運用工業網絡，現場總線技術，將PLC 與操作站，PLC，分布式I/O 站有機地連接起來，實現了快速，準確的控制，閉合回路調節，報警，趨勢記錄等一系列功能，提高了作業率，工作效率，降低能耗，減少了故障停機率，同時也改善了工作環境，減少了勞動強度。 完全可以實現生產過程的快速、準確，平穩可靠運行，節約能源的目的。

相信隨著我國金屬工業的發展，由PLC 控制變頻器在加熱爐中的運用將得到更加廣泛的運用。

［1］王慧.計算機控制系統[M].北京：化學工業出版社，2000，7.

［2］邊春元，任雙艷，滿永奎，等.S7-300/400 PLC[M].機械工業出版社，2006，10.

［3］王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2000.