基于PLC控制潔凈恒溫烘柜機電一體化設計

摘要：該設計采用高溫高效過濾器，對進入柜體的熱空氣進行充分有效的凈化，使烘柜腔內的凈化級別達到百級，采用基于PLC控制系統使烘柜在0℃～300℃之間恒溫，并溫度可調。

關鍵詞：恒溫潔凈；烘柜；烘箱；高效過濾器

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）18-0007-02

在電子及半導體行業，特氣零件應用非常廣泛。基于工作環境的特殊性，其對潔凈度要求非常高，而在零件焊接和部分組件裝配過程中，不可避免地會沾染空氣中的顆粒物，吸附在管壁或有拐角的地方，用普通的吹掃方式，效果不佳。這就需要對零件進行深度清洗，然而附著在零件表面的水卻難以去除。用烘烤的方法可行，但市售的普通烘箱，無法滿足其對潔凈度的要求。而本設計可以很好地解決以上問題。

1 設備整體方案設計

1.1 設備預實現的功能及技術指標

（1）該潔凈恒溫烘柜是由4kW電阻絲加熱，控制溫度范圍為25℃～300℃之間，可調。

（2）可預調節恒溫柜溫度，干燥過程可實現任意溫度恒溫控制，溫度誤差控制在≤ 2℃以內。

（3）預制時要顯示設置溫度，恒溫時顯示實時溫度，顯示溫度精確到0.1℃。

（4）溫度超出設定溫度 3℃時發出警告聲音。

（5）柜內潔凈度要求能達到百級標準。

（6）升溫、降溫過程實現可視化操作的人機界面。

1.2 設備結構的組成

（1）機械單元：高效過濾器、風機、加熱系統、真空擋板閥、真空泵。

（2）電氣單元：鎧裝熱電偶、溫控器、報警裝置、控制總線、驅動器、電阻絲、電磁閥。

（3）控制單元：觸摸屏、PLC主機。

1.3 設備工作原理

（1）潔凈原理：開啟真空泵，抽走浮塵，并用純氮破空；在風機的作用下，將熱空氣從烘柜一側通過高溫高效過濾器送入柜內，經另一側排除，經20～30分鐘運行后，柜內潔凈度可達百級（即含粒徑≤0.3um的微?！?.5粒/ L ）。

（2）除濕原理：在高溫下液態水蒸發為氣態，快速流動的空氣帶走水蒸氣，從而達到去水的效果。

（3）控制系統原理：恒溫柜用電熱絲來完成對其內部進行加熱，因該設備在正常工作時溫度較高，且對溫度控制精度相對要求高，所以使用精度較高且耐高溫的鎧裝熱電偶作為測量溫度器件較為合適。恒溫烘柜的電源采用三線制單相220V交流電，加熱絲的輸出功率通過可控硅進行調節。溫控系統啟動后，PLC將由熱電偶采集來的溫度測量值與初始設定值進行PID運算，然后輸出信號給可控硅，對加熱絲的功率進行控制，從而將溫度保持在設定值。PLC在進行運算的同時會做出相應的判斷，來決定是否輸出報警信號等。該溫控系統主要由人機界面、主機、溫控三部分組成。圖1為PLC潔凈恒溫烘柜溫度控制系統圖。

2 工藝過程

圖2為潔凈恒溫烘柜整體結構示意圖，該控制系統采用高溫快速氣流可以加速液態水蒸發的原理，對放置其中的已完成清洗的零件進行烘干處理。烘烤前，開啟真空泵，對柜腔進行抽空，去除浮塵，關閉閥門，并用純氮進行破空。然后通過人機界面調出存儲在內存中的工藝配方，并根據情況選用相應的配方，做好烘干前的準備工作。開始烘干作業后，流程如下：

（1）啟動風機，讓氣流流經烘柜各層。

（2）通過人機界面點擊啟動按鈕，PLC按照既定的參數開始工作。

（3）烘干作業結束后，PLC控制加熱絲停止加熱。

（4）待烘柜內溫度恢復常溫，相關控制系統停止風機工作。

3 系統硬件設計

3.1 控制過程及控制系統組成

控制過程：烘柜開始工作后，實時溫度值由熱電偶進行采集，并通過模擬量擴展模塊傳送給PLC，目標溫度由人機界面輸入CPU，主控單元通過將實測值與設定值進行PID運算，得出相應控制量。該結果由相應模塊輸出到可控硅（SCR），再由可控硅控制加熱絲進行加熱。

該控制系統主要由主控單元、監控單元、溫度檢測與執行機構四大部分組成。 其中，主控單元包括S7-1200系列PLC和模擬量擴展模塊；監控單元為TP700觸摸顯示屏；溫度檢測單元主要由鎧裝熱電偶來實時完成；執行機構包括可控硅（SCR）單項調壓模塊和加熱絲。

3.2 硬件的選型

高溫高效過濾器的優點：

（1）性能卓越的過濾介質。

（2）可供選擇的過濾介質種類繁多。

（3）持久的過濾能力。

（4）使用簡單、維護方便，過濾精度高。

（5）耐高溫效果明顯。

S7-1200系列小型PLC適用于各種自動化控制系統，該型具有成本低廉、結構緊湊、功能強大的指令集。從而使S7-1200系列PLC成為各種小型自動化控制任務的理想選擇。同時，西門子S7-1200系列產品具有基于Windows及多元化的編程工具，能夠出色地完成各種小型自動化控制任務。

西門子公司的TP700智能型觸摸屏具有突出的優點：

（1）超高的性價比。

（2）前面板經過防水防塵化處理，應用環境范圍較為廣泛。

（3）Tags界面以及動態化的用戶圖形。

（4）出色的人機界面設計軟件工具。

（5）能夠與目前市場上主流的各種小型PLC進行通訊。

（6）具有串行并行通信接口等優點。

鎧裝熱電偶的優點：

（1）由于直接接觸被測物體，測量較準確。

（2）測量范圍較寬，可供挑選使用的型號多。

（3）與屏蔽線配合使用，抗干擾能力強，耐高溫。

為了方便操作和使用，我們將烘柜溫度控制系統安裝在烘柜的外壁上，基于有限空間，我們優先考慮選用體積較小但功能強大的控制類型。另外，溫度控制單元安放在工作現場，這就要求其抗干擾以及防水防塵等功能務必非常突出。最后，還要考慮硬件選配的使用成本等問題。綜上所述，以下選型較為合適：主控制器選用S7-1200系列PLC，CPU型號為6ES7214-1BE30-OXBO；模擬量擴展模塊選用兩塊4I/2Q可滿足使用要求；人機界面選用西門子公司生產的觸摸屏，型號為TP700；PLC與觸摸屏的通訊可直接采用PPI電纜作為傳遞信號的媒介；溫度傳感器采用鎧裝熱電偶。

4 軟件系統設計

本控制系統主控制器的編程軟件采用TIA Portal step7 V11，并使用LAD作為編程語言。

該控制系統采用傳統的PID控制模式，其由PID控制器和控制對象組成，PID根據給定值r（t）與實際輸出值c（t）構成控制偏差e（t）=r（t）-c（t），將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構成控制量。

西門子TP700智能觸摸屏的編程軟件采用TIA Portal simatic wincc，版本為TIA Portal simatic wincc V11， 該軟件是基于Windows的軟件，廣泛支持Windows系列版本。具有完整的工程項目管理環境，面向圖形和動態Tags編輯。

5 結語

該控制系統準確、穩定地實現了恒溫潔凈烘柜工作過程中各個參數實時有效的控制，使用功能強大但體積較小的西門子S7-1200系列PLC和西門子系列智能觸摸屏構成的烘柜溫控系統，達到了準確、快速、經濟、可靠的控制目的。該設備可廣泛應用于電子及半導體等對零件潔凈度要求較高的行業。

參考文獻

[1] 郁桂林.基于PLC的加熱爐溫度模糊控制系統 [J].干燥技術與設備，2005，3（3）：151-152.

[2] 宋樂鵬.基于PLC的加熱爐溫度模糊控制系統的研究[J].微計算機信息，2008，24（22）：67-68、90.

[3] 高永亮，虎恩典.基于西門子PLC和觸摸屏的烘柜溫度控制系統[J].寧夏工程技術，2010，（3）.

[4] 李麗敏，張玉峰.恒溫烘柜溫度控制系統的設計[J].佳木斯大學學報，2007，（5）.

作者簡介：昌希武（1983-），男，安徽金寨人，東莞宏威數碼機械有限公司工程師，研究方向：機電；顏高彥 （1985-），男，陜西扶風人，東莞宏威數碼機械有限公司助理工程師，研究方向：控制工程。