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现场安装
6ES7221-1BF22-0XA8安装调试
介绍了电子束单晶熔炉的工作原理，对控制原理进行了分析，提出用西门子200系列的可编程程序
控制器对电子束单晶熔炉进行逻辑控制。结合电子束单晶熔炉对控制系统的要求，分别对控制软件的作用和构成进行了详细的说明。控制系统运行表明：控制系统的软、硬件功能比较完善、工作可靠。
[关键词]PLC；电子束单晶熔炉；控制系统
电子束单晶熔炉是高能束技术在金属冶炼中的应用。主要工作原理是电子（阴极）通过加热发射的电子在高压静电场的加速下形成高能电子束，电子束通过聚焦后轰击要熔炼的金属，使高熔点金属熔化。电子束熔炼因熔炼金属纯度高、效率较高等优点而应用于金属冶炼领域，随着计算机技术及其它新技术的发展，加速了电子束熔炼在工业中的应用。
本工程是西北有色金属研究院难熔金属研究所的改造项目。原
设备完全由手动控制，主要用做粗加工难熔金属，不能生产单晶体，控制精度不高，效率低下。本系统在原来系统的基础上改造成为单晶体的熔炼系统，实现了系统的自动控制，控制精度高，生产效率大大提高。
1 电子束熔炉简介及工作过程
1.1 电子束单晶熔炉组成
电子束单晶熔炉主要由真空系统、高压电源、阴极电源、聚焦部分、上下料进给机构及旋转机构、冷却系统、炉体、电子、操作台和其它的辅助电源等组成。真空系统为电子和聚焦设备提供真空工作环境，主要由机械泵、真空泵、各种阀门和真空测量仪器（规管）组成。高压电源为电子发射出的电子提供加速电压，高压通过三相不可控整流器获得，*高电压可达25kV，高压直流电源内阻小、稳定工作时输出纹波系数小、具有软起动及保护功能。阴极电源通过加热电子（阴极）使之能够发射足够多的电子。聚焦部分是用来聚焦电子发射出的电子，使之能够准确轰击被熔化的料棒。上下料进给机构和旋转机构由4台伺服电机组成，上下料进给机构是使料棒在熔炼时能够上下移动，而旋转机构是使料棒在熔化后能够冷却均匀。冷却系统采用循环水进行冷却，被冷却的部分有炉体、坩埚等。炉体为熔炼提供真空条件，保料棒熔炼的正常运行，同时还可以防止各种射线泄漏伤害现场的操作人员。电子采用环形，材料为钨丝，加热到白炽状态后能发射足够多的电子。操作台主要由电源、控制部分等组成，用来控制4台伺服电机。
1.2 工作过程
（1）打开冷却循环水阀门，启动压缩机、机械泵和预抽阀。
（2）接通阴极电源和上下料旋转伺服电机。
（3）接通高压电源和聚焦部分。
（4）熔化料棒。
（5）继续熔化下一根棒料，重复上面的（2）、（3）、（4）过程。
（6）棒料熔炼完毕停止熔炼，停止熔炼的顺序和启动过程相反。
整个过程可完全由人工操作，也可通过PLC自动完成。PLC自动完成启动循环水、压缩机、机械泵、抽真空等，使之达到正常熔炼所需要的条件，然后接通阴极电源和高压电源（采用PID控制），自动完成熔炼过程，停止熔炼的顺序与启动的顺序相反。熔炼过程中，如果联锁条件不满足或冷却水、炉内真空度及各种设备的状态有故障时，PLC自动报警，操作人员处理完毕复位后，PLC继续执行原程序。
2 系统组成
控制系统构成如图1所示。上位计算机采用研华工控机，在操作系统bbbbbbs 2000下进行软件的设计和开发，实现对整个过程的监控和数据监测，可以随时存储数据，还可以随时打印采集到的数据。下位计算机以PLC为核心分别对各控制部分进行控制和检测，PLC选用西门子公司的S7-200系列的CPU224。各个部分的控制如下。
1—高压部分；2—阴极部分；3—聚焦控制部分；4．真空及阀门控制部分；5—循环水控制部分；6—伺服电机控制部分
（1）高压控制部分 高压控制部分由PLC模拟量输出模块、晶闸管触发电路、传感器、PLC模拟量输入模块等组成。PLC经过内部的PID运算后输出模拟信号直接给晶闸管触发电路来控制高压电源的输出，并实现高压的稳定和调节以及对高压电源的联锁控制。高压控制部分的主要功能有高压梯度上升和下降、料棒熔化过程中的高压保护、急停和故障显示等。
（2）阴极控制部分 阴极控制部分由PLC模拟量输入和输出模块、晶闸管触发电路、传感器等组成。PLC经内部的PID运算后，输出模拟信号给阴极的晶闸管电路，控制阴极电流输出，实现阴极电流的稳定和调节，主要控制阴极电流梯度的上升和下降，熔化料棒过程中的急停、故障显示等。
（3）聚焦控制部分 聚焦控制部分控制电子束的准确度，在电子束发射电子数目一定的情况下，让尽量多的电子轰击到料棒上，提高电子的利用率。它主要通过上下移动聚焦环来获得*佳的位置，同时还保证与其它控制部分的联锁。
（4）真空及阀门控制部分 真空及阀门控制部分保证设备具有正常的真空工作环境，主要由各种真空泵、阀门等组成。PLC对真空系统的控制分手动和自动两种功能，手动时各种泵和阀门的开启完全由人工控制；自动时，PLC根据程序要求自动完成对设备的抽真空任务，判断泵、阀门、真空度状态的和联锁条件是否满足等。
（5）循环水控制部分 本系统采用水冷，在启动所有设备之前需要启动循环水，在熔炼的过程中PLC不断检测各路循环水的状态（温度和压力），任何一路循环水出现故障（温度过高或者压力不足）就会报警，等待现场的人员去处理，停机时停掉所有设备之后再关闭循环水。
（6）伺服电机控制部分 伺服电机的控制通过调节伺服电机的输入电压来控制速度，而输入电压可以通过调节电位器的电压来实现。由于本系统所用伺服电机的转速与输出脉冲的关系为2500个脉冲/r，当转速较快时，单位时间内输出脉冲数多，不方便测量，所以加了分频电路（256分频），分频电路的输出连接到PLC的数字量接口，利用PLC内部计数器来记录脉冲的个数，然后通过算法还原成实际的转速。
3 软件构成
3.1 PLC软件
PLC控制流程图如图2所示。
各部分软件功能如下。
（1）初始化子程序 对本程序中要用到的寄存器、定时器和计数器清零，使设备处于初始状态。
（2）高压控制子程序 控制高压条件的连锁、高压的启动、高压数值的给定、高压上升和下降的PID参数的设定、高压故障报警和急停等。
（3）阴极控制子程序 控制阴极条件的连锁、阴极的启动、阴极电流的给定、阴极电流上升和下降的PID参数设定、阴极的故障报警和急停等。
（4）聚焦控制子程序 控制聚焦连锁、聚焦环位移，当达到*大聚焦电流时停止移动。
（5）故障检测和报警子程序 完成对设备的检测，如有故障自动报警。
（6）主程序 当处于自动状态的时候，PLC按照工艺的工作顺序启动循环水、启动各种真空泵和阀门抽真空，当达到真空度要求时，自动接通阴极电源并且逐渐加大阴极电流，自动接通高压电源，逐渐加大高压电压达到高压的设定值，然后开始聚焦，当熔炼完毕后按照相反的顺序进行。
（7）与上位计算机通信子程序 S7-200 PLC内部集成的PPI接口提供了强大的通信功能，但其通信协议尚未公开，要实现上位机与PLC的通信须选择西门子公司的组态软件，给用户带来很大不便，且提高了成本。所以与上位计算机的通信采用了自由口通信协议，大大降低了成本。
3.2 上位计算机软件
基于VB6.0处理监控界面图形、数据报表处理、历史趋势线及其通信的方便性和快捷性，上位机的控制程序采用VB6.0实现。在操作系统Win-dows 2000下使用VB本身提供的MSComm控件来实现与PLC的通信。
4 结语
本系统于2004年6月在西北有色金属研究院投入使用，连续运行，取得良好的效果，制造出ф30mm×500mm钼单晶，控制精度较高，完全达到设计要求（设计熔炼功率为20kW，波动在3％以下，实际*大波动为0.4 kW左右）。同时，系统自动化程度较高，维护简单，使用方便，降低了劳动强度，提高了系统的运行效益。
隧道窑是一种连续式窑炉，由预热区、高温区、急冷区和缓冷区组成，主要用于建筑陶瓷、日用陶瓷等烧制。隧道窑的控制涉及传动控制，温度、压力的检测、控制以及其它控制。我们采用科威EASY系列PLC开发出的高可靠性、高性价比的隧道窑控制系统，已于2005年7月成功应用在湖北华窑集团中亚窑炉公司承建的越南某隧道窑中。下面介绍此窑的控制方案。
2、用户要求
1、温度控制区8组。
2、温度显示区10组。
3、热电偶：18支。 其中： K分度11支 S分度7支
4、风机选型
排烟风机： 15kw 一开一备 要星-三角启动。
助燃风机： 15kw 一开一备 要星-三角启动。
急冷风机： 11kw 一开一备 （变频）
抽热风机： 15kw 一开一备 要星-三角启动。
快冷风机： 7.5kw 一开一备 直接启动。
轴流风机： 0.18kw 8台 直接启动
5、 安全连锁。
开关量互锁：必须是硬件互锁和软件互锁。在设计时进一步落实工艺互锁要求。
6、使用人机界面控制
现场设人机界面，所有操作均可在人机界面上完成；
面板按钮与人机界面按钮互为备份。（集中分散型控制）
7.关控制信息能传到计算机，计算机只作信息管理用，不参与控制。
计算机画面应含有：现场模拟图、温度实时曲线图、控制设定曲线图、历史趋势曲线图、并完成报表打印功能。
3 、解决方案
3、1系统分析
3、1、1温度采集部分
10支热电偶，K、S两种分度号。
3.1、2温度控制部分
18点温度中，其中8点（设计时需*）用来作温度控制用。在这8点温度控制中，其中7点是控制执行器阀位值，改变燃料注入量，从而使温度稳定。另外一点是控制急冷变频器输出频率，改变急冷风机运行速度，从而调节急冷区温度。其它因素由人工调整（如助燃风、燃气压力等）。
每个控温点占用一路模拟量输出，急冷变频器占用一路模拟量输出，执行器采取开度定位方式。
因此温度控制占用：
8路模拟量（输入、输出）。
3.1、3相关风机部分
3.1.3、1 排烟风机控制
排烟风机一用一备，二者逻辑上互锁，电气控制采用两套独立的星-三角控制，每套占三个开关输出点（主、星、三角），占三个开关输入点（启动、停止、故障），因此排烟风机控制占用：
6点开关输入：（启动、停止、故障）*2.
6点开关输出：（主、星、三角）*2.
3.1、3.2助燃风机控制
助燃风机一用一备，二者逻辑上互锁，电气控制采用两套独立的星-三角控制，每套占三个开关输出点（主、星、三角），占三个开关输入点（启动、停止、故障），因此排烟风机控制占用：
6点开关输入：（启动、停止、故障）*2.
6点开关输出：（主、星、三角）*2.
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