基于PLC升級改造真空爐的方法

馬慧 任明杰

【摘 要】本文針對八十年代生產(chǎn)的冷壁內(nèi)熱式臥式雙室真空爐，由于使用至今已近三十年之久，電氣控制系統(tǒng)中元器件和導線大多數(shù)已經(jīng)老化，故障率較高，對正常的生產(chǎn)任務已造成影響。使用可編程序控制器PLC對其進行智能化升級改造，可恢復使用，并降低故障率。

【關(guān)鍵字】線路老化；故障率高；可編程序控制器；改造

中圖分類號： TM58 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）27-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.001

1 簡介

冷壁內(nèi)熱式臥式雙室真空爐有加熱室、真空隔熱閘門、氣冷室、油淬裝置、真空泵機組、水冷系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、進料機構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)等組成。具有油淬和氣淬兩種功能。

2 前期準備

（1）查閱該爐子相關(guān)資料并做記錄；

（2）咨詢操作者該爐子工作過程并做記錄；

（3）到現(xiàn)場查看控制柜接線并做記錄；

（4）整理記錄。

3 工作實施

3.1 編寫該設備結(jié)構(gòu)特點

在編寫過程中，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，思考該爐子工作過程。為后期編程打下基礎。

3.1.1 送料機構(gòu)

該爐子采用簡化結(jié)構(gòu)的叉車式送料機構(gòu)，有液壓馬達傳動蛇形鏈的進退來推拉裝有叉腳的小車，運送置于叉腳上的料盤，依靠料車滑道的上下傾斜使料盤安置在爐床上，滑道的傾斜則籍真空隔熱門下部的油缸活塞桿的升降。這種型式的構(gòu)件，進入加熱室的只有二根叉腳，而且時間很短，其他運動部分也均不受高溫影響，運動狀態(tài)十分簡單，因此較穩(wěn)定可靠。

3.1.2 冷卻室

在雙室式真空淬火爐中，一個是加熱室，另一個即冷卻室，冷卻室除具有工件淬火冷卻功能外，還供工件進加熱室前準備之用。淬火時上部供氣冷，下部置一油槽供油淬。

（1）氣冷室

氣冷室有前爐門、殼體、熱交換器、氣冷風扇等組成。殼體是雙層圓筒結(jié)構(gòu)，中間夾層通冷卻水。目的使氣冷時外壁溫升保持在40oC以下，并作氣體冷卻熱交換之用，油淬時加速油蒸汽在內(nèi)壁冷凝，這樣可以減少油蒸汽的彌漫時間，節(jié)約淬火油，縮短再裝料的等候時間。在冷卻風扇下面還裝著帶有大量鋁散熱片的熱交換器，增強氣體的冷卻效果，使氣淬工件獲得較大的冷卻速度。

（2）油淬裝置

油淬裝置由油槽、油攪拌裝置、升降機等組成。油攪拌裝置位于油槽底部，以液壓馬達帶動攪拌葉輪，液壓馬達外罩有導流錐形帽，攪拌葉輪逆時針方向旋轉(zhuǎn)。這樣在淬火時使冷卻第一階段產(chǎn)生的蒸氣泡隨流向下，在葉輪高壓區(qū)內(nèi)氣泡被打碎，同時通過灼熱工件時局部油溫升高，此局部高溫的油往下迅速翻騰，溫度降低后再流向油的表面，這樣油淬時可減少從油表面放出的蒸汽。

升降機由油缸帶動鏈輪、鏈條使裝料小車在滑道中上下移動。油淬時載有工件的料車從加熱室水平移至油槽上方，升降機上升把料盤托起，抽出料車，然后升降機下降進入淬火油內(nèi)。

3.2 選用可編程序控制器

根據(jù)輸入裝置和輸出裝置的個數(shù)，綜合考慮系統(tǒng)經(jīng)濟性和技術(shù)指標，選用歐姆龍公司的CP1E-N60DR-A可編程控制器，基本單元開關(guān)量輸入點36個，開關(guān)量輸出點24個，需外加一個CP1W-40EDR擴展模塊，該擴展有開關(guān)量輸入點24個，開關(guān)量輸出點16個，和兩個CP1W-32ER擴展模塊，每個擴展有開關(guān)量輸出點32個。

3.3 分配I/O

部分I/O分配，如表1。

3.4 繪制電氣原理圖

使用AUTOCAD軟件繪制該爐子的電氣原理圖。

3.5 編寫該爐子控制流程

該爐子有氣淬和油淬兩種方式，控制方式分為手動、自動和半自動，另加零位功能。手動工作時，每一動作都對應有單獨的啟動和停止按鈕控制，手動步進按鈕可以改變當前步的位置，每按一次改變一步。自動工作時，采用PLC可編程控制器控制，除開閉外爐門和裝卸料需手動操作外，從工件進入加熱室至淬火完成，動作完全自動進行。

手動動作過程：按下托架升按鈕→托架升電磁閥得電，托架開始上升→碰到托架上限位行程開關(guān)，托架升電磁閥失電，托架停止。按下加熱室門開按鈕→加熱室門開電磁閥得電，加熱室門開始打開→碰到門上限位行程開關(guān)，加熱室門開電磁閥失電，門停止。其他各個動作的手動控制按鈕，動作過程和上述相似。

半自動時，由操作者根據(jù)經(jīng)驗選擇該工作方式，手動出爐淬火，其他均同自動過程。

放料過程：打開外爐門→將工件放入料盤→關(guān)閉外爐門

油淬工作過程：托架升→到升位，加熱室門開→到開位，料車進加熱室→到加熱室位，托架降→到降位，料車退裝料位→到裝料位，加熱室門關(guān)→到關(guān)位，升降臺升→到升位，淋油→淋油時間到，料車進冷卻位→到冷卻位，升降臺降→到降位，料車退裝料位→到裝料位，保溫時間到（手動及半自動時需按出爐淬火按鈕）→加熱室門開→到開位，料車進加熱室→到加熱室位，托架升→到升位，料車退冷卻位→到冷卻位，托架降→到降位，加熱室門關(guān)→到關(guān)位，升降臺升→到升位，料車退裝料位→到裝料位，升降臺降→到降位，淬火，油攪拌機開→淬火時間到→油攪拌機停。

氣淬工作過程：托架升→到升位，加熱室門開→到開位，料車進加熱室→到加熱室位，托架降→到降位，料車退裝料位→到裝料位，加熱室門關(guān)→到關(guān)位，保溫時間到（手動及半自動時需按出爐淬火按鈕）→加熱室門開→到開位，料車進加熱室→到加熱室位，托架升→到升位，料車退冷卻位→到冷卻位，托架降→到降位，加熱室門關(guān)→到關(guān)位，冷卻風扇開，淬火→淬火時間到，冷卻風扇停，料車退裝料位→到裝料位。

3.6 編寫PLC控制程序

根據(jù)該爐子工作過程，及控制要求，編寫PLC控制程序。

注意加熱室爐門開出爐淬火時，旋轉(zhuǎn)警示燈響，啟動條件滿足或程序結(jié)束時，蜂鳴器響。

PLC編程指令有基本指令和功能指令組成，基本指令多用于簡單控制，編程較為靈活；對于繁瑣的控制，若僅使用基本指令，編程較復雜，可用功能指令配合編程使其程序簡化，且所編的程序較易閱讀。根據(jù)該爐子工作特點，采用步進指令程序控制，把每一動作都放在單獨的步中，上下每一步之間都相互互鎖，工作過程更可靠。

部分程序如圖1。

3.7 選用元器件

有2個5.5KW的三相電機，額定電流為12A，應選用15A斷路器和接觸器。有一個3KW的三相電機，額定電流為7A左右，應選用10A的短路器和接觸器。有一個單相的3.5KW的擴散泵，額定電流為15A，應選用20A短路器和接觸器。15A的接觸器與20A的接觸器相比，在重量、尺寸、功耗各方面均相同，考慮到，使用壽命及以后維修的互換性，接觸器通一選用20A的。發(fā)熱體功率為30KW，磁性調(diào)壓器初級電流為100A，其接觸器選用140A的。根據(jù)該爐子各部分控制電壓、電流、電機功率確定各控制器件及導線的型號、規(guī)格。

3.8 布局與接線

根據(jù)控制柜尺寸，合理布局元器件位置，根據(jù)原理圖，連接主電路和控制電路。

3.9 調(diào)試

（1）電源接通前，用萬用表測各控制回路及主回路是否存在短路、斷路、及對地電阻；

（2）將設備各斷路器斷開，熱繼電器電流設定好；

（3）將三相電源接入該設備總斷路器端，并用萬用表檢測電壓是否正常；

（4）將總斷路器接通，把控制電源短路器接通；

（5）將事先編好PLC程序下載到PLC中；

（6）按下控制柜面板上的控制電源接通按鈕，并觀察面板各指示燈的指示是否符合要求；

（7）選擇手動方式，然后依次按下各手動操作按鈕，觀察接觸器和電磁閥動作是否符合要求，并觀察面板各指示燈的指示是否符合要求；

（8）將電機或泵的電源線連接，各斷路器接通，依次調(diào)試各電機或泵的相序；

（9）啟動機械泵將加熱室和前室抽至真空狀態(tài)后，停止機械泵，啟動油泵，選擇半自動工作方式，并選擇油冷工藝或氣冷工藝，此時若蜂鳴器響2秒停止，且面板上相應程序啟動指示燈亮，說明程序啟動條件滿足，可按程序啟動按鈕啟動，運行至出爐淬火那一步時，可按一下出爐淬火按鈕（此時旋轉(zhuǎn)警示燈亮2秒），繼續(xù)運行后面的動作，直至程序結(jié)束（若是氣冷工藝，需回充氮氣），結(jié)束后蜂鳴器響2秒停止。過程中，注意觀察面板上各指示燈的指示符合要求；

（10）在真空狀態(tài)下，按溫控電源開按鈕，再按發(fā)熱體通電按鈕，看面板上電流，電壓表指示是否符合要求。

4 改造效果

控制系統(tǒng)方面：原來以五十多個中間繼電器為主控制，現(xiàn)在以一個PLC主機加三個擴展模塊控制。

控制方式方面：原來是手動和自動兩種方式，現(xiàn)在是手動、自動、半自動，另加零位功能。

警示方面：出爐淬火警示，原來是安裝于電氣控制柜內(nèi)的電鈴，且早已失去該功能，現(xiàn)在是安裝于電氣控制柜外部的旋轉(zhuǎn)警示燈，已恢復該功能；程序準備啟動條件滿足警示，蜂鳴器早已失去該功能，現(xiàn)已恢復該功能。

說明書方面：原來缺少該設備說明書，現(xiàn)在有較為完整的說明書。

圖紙方面：原來僅一張A0的復印件圖紙，使用老國標電氣符號，且不清晰，現(xiàn)在為使用新國標繪制的電氣原理圖。

改造前后效果對比：改造前，使用繼電接觸器控制，電氣元件多，控制方式繁瑣，線路復雜，大部分電氣元件和導線已老化，故障率高，工作不可靠，缺少說明書，圖紙不清晰，維修不便；改造后，使用PLC可編程控制器控制，電氣元件少，控制方式簡便，線路簡單，故障率低，工作可靠性高，編寫了較為完整的說明書，電氣原理圖閱讀方便，維修效率提高，周期短。