孫方剛，紀(jì)志堅

(青島大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071)

基于PLC釹鐵硼氫氣粉碎工藝控制系統(tǒng)設(shè)計

孫方剛，紀(jì)志堅

(青島大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071)

氫粉碎工藝是生產(chǎn)高磁性釹鐵硼永磁材料的重要手段。為優(yōu)化釹鐵硼氫粉碎的控制過程，本文提出了通過對釹鐵硼合金吸氫飽和度值的判斷，主要是對反應(yīng)爐的溫度和壓力在不同的過程進(jìn)行控制，設(shè)計了基于 PLC釹鐵硼氫粉碎的過程控制系統(tǒng)。運(yùn)用西門子S7-200PLC實現(xiàn)對釹鐵硼氫粉碎過程中對反應(yīng)爐的溫度和壓力的控制，通過電動調(diào)節(jié)閥和固態(tài)繼電器具體地控制壓力和溫度，比較理想的實現(xiàn)了釹鐵硼氫粉碎。

釹鐵硼；氫粉碎；S7-200PLC；固態(tài)繼電器

0 引言

隨著現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，全球市場對高磁性的永磁材料需求量越來越大，而通過傳統(tǒng)的球磨工藝控制方法生產(chǎn)的釹鐵硼[1]材料已經(jīng)很難適應(yīng)當(dāng)前實際市場的需要。因此本文研究釹鐵硼氫粉碎工藝[2-3]過程中吸氫速率與脫氫速率對與釹鐵硼永磁材料生產(chǎn)的影響，充分利用現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線的分析并及時的發(fā)出控制指令進(jìn)行現(xiàn)場的控制。針對氫粉碎過程的原理和特點，設(shè)計了利用 S7-200PLC[4]實現(xiàn)對釹鐵硼氫粉碎的工藝控制系統(tǒng)，完成了對釹鐵硼合金的粉碎，從獲得了磁性較高的釹鐵硼材料。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制方式

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PLC 有著廣泛的應(yīng)用[5-6]，本設(shè)計通過西門子S7-200對反應(yīng)爐[7]溫度，壓力等數(shù)據(jù)的采集，上位機(jī)起到監(jiān)控的作用，通過在編寫梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)設(shè)計的控制。系統(tǒng)設(shè)計框圖如下圖1所示。系統(tǒng)主要實現(xiàn)吸氫過程的壓力控制，在完成正壓和真空檢查后，打開氫氣閥門，進(jìn)行吸氫過程，由壓力傳感器檢測的數(shù)值輸出來時時監(jiān)測爐內(nèi)的壓力，通過控制電動調(diào)節(jié)閥的開度來改變氫氣的流量速率，進(jìn)而控制爐內(nèi)的壓力的大?。煌瑫r，需要在脫氫過程中實現(xiàn)對溫度進(jìn)行實時的檢測與控制，在置換控制結(jié)束后對反應(yīng)爐進(jìn)行真空控制，然后在真空狀態(tài)下進(jìn)行加熱使釹鐵硼脫氫[8]，在加熱過程中，由溫度傳感器[9]檢測的輸出數(shù)值來實時監(jiān)測爐內(nèi)的溫度變化，并將其數(shù)據(jù)傳輸給PLC，再通過PLC控制器發(fā)出的指令來控制反應(yīng)爐內(nèi)的溫度大小。

1.2 系統(tǒng)PLC硬件選型

本系統(tǒng)主要控制溫度和壓力模擬量以及閥門的開關(guān)、電動機(jī)的啟停等數(shù)字量。實際上，溫度和壓力這兩個模擬量并不是同時控制的，壓力控制是在吸氫[10]的過程中進(jìn)行的，吸氫時是放熱反應(yīng)，不需要加熱，只要控制充入氫氣的壓力保持在 195～200 KPa，時間大約在2～4個小時即可，具體時間還得看實際的反應(yīng)情況。而PLC控制移相觸發(fā)器[11]，通過固態(tài)繼電器[12-14]控制溫度是在脫氫的過程中進(jìn)行的，脫氫時，只要求一定的溫度和時間，即溫度保持在 600℃，大約需要二十個小時左右。在整個釹鐵硼氫粉碎工藝過程中，需要控制的輸入量有二十八個，其中模擬量輸入為四個，數(shù)字量輸入二十四個；在整個控制過程中需要控制的輸出量有十六個，其中有兩個輸出模擬量與十六個數(shù)字輸出量。基于以上控制策略，本系統(tǒng)S7-200硬件選型如下：CPU模塊：CPU226[15]；模擬量模塊：EM231模擬量輸入，4個輸入，輸入范圍：0～10 V或0～5 V的電壓信號或 0～20 mA的電流信號；精度：12位；EM232模擬量輸出，2個輸出，輸出范圍：電壓-10 V～+10 V；電流：0～20 mA；精度：11位。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

1.3 控制系統(tǒng)硬件電路圖設(shè)計

根據(jù)整個氫粉碎過程控制系統(tǒng)控制目標(biāo)和要求，根據(jù)整個控制系統(tǒng)的設(shè)計思路，由此可知，整個控制系統(tǒng)的主回路包含了三臺三相異步電動機(jī)其中真空泵電機(jī)主要是為了完成整個控制系統(tǒng)的抽真空過程目的，而滾筒電機(jī)是為了完成氫粉碎過程中的加熱移動過程，最后，冷卻風(fēng)扇電機(jī)主要是為了在整個控制過程完成后的冷卻的作用。這三個三相異步電動機(jī)都是由PLC控制器直接控制的，特別地，在抽真空與冷卻過程中，電動機(jī)只需要進(jìn)行單方向的轉(zhuǎn)動，可以用KM3和KM4兩個接觸器進(jìn)行控制；但是在加熱時，就需要讓電動機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的控制，用KM1和KM2兩個接觸器實現(xiàn)控制目的。主回路電路如上圖2所示。

圖2 主回路電路圖

根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求，設(shè)計控制回路，回路中有手、自動的切換，及手、自動時的部分具體回路設(shè)計，如下圖3所示。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

釹鐵硼合金氫粉碎的工藝控制過程包括五個階段性過程，分別是壓檢、吸氫、置換、脫氫與冷卻。根據(jù)實際的工藝過程的控制需求，來實現(xiàn)整個氫粉碎工藝的計算機(jī)控制，具體過程控制的思路如下：

圖3 控制回路統(tǒng)設(shè)計圖

（1）壓檢：壓檢包括正壓檢測和真空檢測，需要做的工作包括各閥門開關(guān)的狀態(tài)檢測、反應(yīng)爐門的開關(guān)狀態(tài)檢測、羅茨泵的啟動狀態(tài)檢測，其目的是為了檢測爐子是否漏氣。程序流程如上圖圖4和圖5所示。

圖4 正壓檢測

圖5 真空檢測

（2）吸氫：在吸氫過程中，我們需要打開充氫氣閥、讀壓力值、控制吸氫壓力。具體流程圖如下圖6所示：

圖6 吸氫

（3）置換：置換的目的就是將吸氫后的殘余氫氣用氬氣置換走，以降低氫氣的濃度，防止發(fā)生氫氣爆炸事件。具體置換流程圖如下圖7所示：

圖7 置換

（4）脫氫：在脫氫過程中，控制系統(tǒng)需要控制真空泵和真空閥，及時地通過PLC上面的PID控制器來及時地控制脫氫的溫度，實現(xiàn)釹鐵硼合金脫氫的目的。其流程圖如上圖8所示。

圖8 脫氫

（5）冷卻：脫氫結(jié)束后，打開風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻。具體流程圖如上圖9所示。

圖9 冷卻

3 程序設(shè)計調(diào)試與仿真

在 S7-200的仿真軟件中進(jìn)行程序的調(diào)試和仿真中，先一步一步對正壓檢測程序、真空檢測程序、吸氫程序、置換程序、脫氫程序、冷卻程序，進(jìn)行實際的實驗。部分程序的調(diào)試和仿真如下圖10所示。

圖10 系統(tǒng)調(diào)試和仿真圖

4 結(jié)論

本文控制系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了目標(biāo)控制，通過PLC實現(xiàn)反應(yīng)爐的溫度、壓力的控制，從而改善和優(yōu)化了釹鐵硼合金的氫粉碎工藝過程控制。由此可知，控制溫度和壓力的大小在整個氫粉碎的控制過程中起到了關(guān)鍵作用。氫粉碎工藝達(dá)到了預(yù)期的期望，在一定程度上符合氫粉碎工藝的要求，但是如何進(jìn)一步生產(chǎn)更高磁性的釹鐵硼料還需要更多的探索和實踐。

[1]鐘明龍, 劉徽平, 我國釹鐵硼永磁材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].電子元件與材料, 2013, 32(10): 6-9.

[2]呂品, 釹鐵硼氫粉碎工藝計算機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].包頭: 內(nèi)蒙古科技大學(xué), 2010.

[3]基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的氫粉碎工藝氫含量的預(yù)報[J].工礦自動化, 2010, 36(10): 70-72.

[4]姜建芳, 西門子S7-200PLC工程應(yīng)用技術(shù)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2010: 184-185.

[5]嚴(yán)元, 於磊.基于PLC的自動售貨機(jī)[J].軟件, 2013, 34(6): 27-28.

[6]馮平, 王毓順, 徐世許.液體農(nóng)藥配料線自動控制系統(tǒng)研究[J].軟件, 2016, 37(4): 93-95.

[7]孫謙, 釹鐵硼氫粉碎過程控制實驗平臺的研究與設(shè)計[D].包頭: 內(nèi)蒙古科技大學(xué), 2014.

[8]陳磊, 釹鐵硼氫粉碎自適應(yīng)控制策略研究[D].包頭: 內(nèi)蒙古科技大學(xué), 2015.

[9]車軒, 王洪元, 王天成.一種WIA網(wǎng)絡(luò)中的無線低功耗溫度傳感器節(jié)點設(shè)計[J].新型工業(yè)化, 2012(12): 41-46.

[10]朱林, 樊可鈺, 婁樹普, 軟測量技術(shù)在釹鐵硼氫粉碎工藝過程中的應(yīng)用[J].稀土, 2009, 30(5): 63-66.

[11]楊懷林.基于PLC的太陽能積熱管烤消溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].湖北理工學(xué)院學(xué)報, 2013, 29(3): 5-7.

[12]劉赟.固態(tài)繼電器原理及應(yīng)用技術(shù)探討[J].魅力中國, 2010(4): 36-36.

[13]張英壽, 朱紅梅.基于PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)[J].2012(7): 73-75.

[14]柳仁松, 徐世許, 陳大程.PLC的PID及PWM功能在加熱控制中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計算機(jī), 2012, 25(3): 89-91.

[15]趙景波等.零基礎(chǔ)學(xué)西門子S7-200PLC[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社2013, 18-19.

NdFeB Hydrogen Pulverization Process Control System Design Based on PLC

SUN Fang-gang, JI Zhi-jian
(College of Automation and Electrical Engineering, Qingdao University, Qingdao 26607l, China)

The hydrogen pulverization process is one of the essential means of preparing high-performance NdFeB magnet material.In order further to optimize the control process of NdFeB hydrogen this paper designs a control system of NdFeB hydrogen smash, based on PLC, by the judgement of NdFeB alloy absorption saturation of hydrogen and the control of the temperature and pressure of the process reaction.By using S7-200PLC, it can achieve the control of the temperature and pressure of the reacting furnace of process of NdFeB hydrogen pulverization, which are fulfilled specificly by the motorized valve and solid-state relays(SSR).It completes the hydrogen pulverization process in a way.

NdFeB; Hydrogen pulverization; S7-200PLC; SSR

TP273+.5

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.03.024

孫方剛(1990-)，男，碩士，主要研究方向為工業(yè)控制計算機(jī)、切換多智能體系統(tǒng)控制。

紀(jì)志堅(1973-)，男，博士，主要研究方向為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)控制、多智能體系統(tǒng)控制分析與控制。

本文著錄格式：孫方剛，紀(jì)志堅.基于PLC釹鐵硼氫氣粉碎工藝控制系統(tǒng)設(shè)計[J].軟件，2017，38（3）：118-121