重力热管自动退火除气线及其控制系统设计

杨晓东，廖正贵，王成君

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原030024)

在新能源利用中，太阳能热水器、太阳能热水系统的应用最为广泛，热管式真空集热管是一种先进的太阳能集热装置。热管是一种利用工质变相进行热量传递的高效传热器件，拥有很大的导热系数和良好的温度均匀性。重力热管属于热管的一种，是太阳能热水器中最常应用的热管，一般以铜为壳体材料。

铜壳热管在制造工艺过程中，为提高其韧性以便于后续的检测工序，需要进行真空退火除气处理，目前太阳能热管主流的退火工艺在单室真空炉中完成，采用手工送料、取料的方式，铜管进入真空炉后，需要在炉内完成抽真空、升温、保温、降温的过程，存在效率低、易污染、能耗高等问题。也有用单机组、双真空室交替工作的真空炉，虽然在工作效率上有所提升，但依然存在加热室直接暴露在空气中的情况，导致加热室抽真空速度变慢，而且每次加热完成需要冷却至常温取料，加热带由于不断的冷热很容易变形，缩短加热带寿命。

图1 退火线示意图

本文中设计的自动连续式退火线采用卧式、三室连续、步进结构，速度可调。其整体结构如图1 所示，系统包含6 个工件位置（由左至右）：送料车、进料车、预备室、加热室、冷却室、出料车，三室的配合使用保证了加热室一直处于高温、高真空状态下，避免外界污染，同时节约了抽真空时间和冷却时间，最大程度的提高了生产效率，保证了批量生产的需要。

1 工艺过程

人工通过传动车将工件框送至进料车，工件框进入预备室，开始抽真空至0.4 Pa 以下，加热室空出后，工件进入加热室升温至450 ℃后保温1 h，维持真空度不低于0.005 Pa，冷却室空出后送入冷却室，冷却室充入纯氮循环冷却45 min，使工件表面温度达到80 ℃以下，开门出料抽真空至0.4 Pa 以下，等待加热室的来料，人工下料，开始下一个循环。

在第一个工件框送入预备室后，人工将第二工件框送至进料车，预备室空出后，第二工件框进入预备室，第三工件框送至进料车，每个工件框经过热室加热后进入冷却室冷却，冷却完成并出料，如此循环送料、循环出料，直到所有工件框都处理完，系统自动关机。

2 控制系统功能

根据设备特点和工艺需要，控制系统主要包括温度控制、真空控制、传动控制、冷却控制和安全保护，以下就设备应用到的关键技术进行论述。

2.1 温度控制

为满足退火工艺，对设备的温度性能提出要求：最高温度500 ℃，均温区尺寸2270 mm×600 mm×600 mm，炉温均匀性±5 ℃（450 ℃）。

根据温度指标，加热室为方形结构，采用Cr20Ni80 带为加热元件，多层金属反射屏的布置提高设备的热效率，减少热量的对外辐射。加热室根据炉膛形式和热能需要分八区加热，八点控温，上下左右均匀分布，以保证温度的均匀性。

在控温上，采用低电压、大电流加热模式，每个加热回路均由PID 调节器、功率控制器、变压器、K 型热电偶组成闭环系统。

系统硬件的合理布置是温度性能指标的基础，要完全满足要求，还需要在调试过程中，根据实际情况选择最优PID 参数，选择各温区最佳温度补偿值。

2.2 真空控制

真空系统共分三套真空系统，其中预备室、冷却室采用双级泵机组，极限真空度0.2 Pa，热室采用以油扩散泵为主泵的三级泵机组，极限真空度0.001 Pa。3 个真空室使用闸阀门隔离，配备独立的真空测量仪器。

2.3 传动控制

炉内输送车包括预备室传送车、热室输送车、冷室输送车，均采用动力滚筒传输工件料框，通过链传动将减速电机的动力传输至每一支滚筒，3台电机由变频器驱动。

变频器通过485 总线与三菱PLC 通讯模块连接，利用PLC 的无协议通讯实现数据交换。实时数据读取采用轮询的方式，即根据变频器地址的不同，间隔1 s 更改一次通讯地址，实现读取对应变频器参数的目的。当需要修改设定参数时，中断参数读取，直到参数写入完成。

该控制方法在设计上灵活应用了三菱PLC的无协议通讯，同时利用PLC 稳定、抗干扰能力强的特点，保证传动系统的稳定性，有效解决了变频器参数控制的技术要求。具体程序编写步骤为：

（1）数据格式定义

LD M8000 (M8000：p_on)

SET M8161 (M8161：设置8 位运算模式)

MOV H0C88 D8120 (M8120：通讯格式7，n，2)

（2）通讯参数设置

将参数转化为ASCII 码后，写入D10-D26，参数定义如表1。

表1 通讯参数设置

（3）通讯命令

将表1 设置的ASCII 码指令（D10-D26）发送至变频器，变频器作出响应，并返回数据代码至以D50 为首地址的19 个寄存器中，命令程序如下：

LD M8000 （M8000：p_on）

RS D10 K17 D50 K19

(D10：起始符STX，D50：接收回应)

（4）数据发送、接收

通讯的实现需要置位M8122(发送请求)来触发，发送结束时M8122 自动复位。

从变频器的设备接收到数据后，M8123(接收结束标志位)置位，将D50 为首地址的19 个字移动到其他的保存区域中进行解码，然后将M8123 复位。

3 控制系统实现

控制系统通过硬件和软件的配置来实现各项功能。

3.1 硬件组成

系统以三菱FX3U 系列可编程控制器为控制核心，通过编程口与上位机通讯，实现设备的可视化操作，上位机采用MCGS 嵌入版组态软件作为开发平台。

设备的硬件系统连接如图2 所示，所有外围设备通过总线与上位机通讯，建立起一个小型的集散系统。

3.2 软件设计

软件由上位机组态软件和PLC 编程两部分构成。

（1）组态设计

图2 硬件连接系统示意图

组态设计以北京昆仑通态嵌入版组态软件为平台进行开发，通过上位机可以设置工艺参数，对设备进行全自动或分步操作，观察系统实时真空度、温度、电机转速等参数。设备拥有故障自检功能，为设备的安全可靠运行提供保障。同时，软件可实现对历史数据的查询，工艺过程参数以列表的方式存储保存，便于工艺分析及优化，实现故障追溯。图3 为设备操作主界面。

（2）PLC 控制系统图

PLC 编程以工艺流程为指导思想，为实现全自动运转的功能，采用分系统模块化设计方法，利用子程序的调用最大程度的简化PLC 程序，增加程序的可靠性、可读性。

本程序中应用了11 个独立的子程序，利用CALL 指令调用，图4 为设备自动程序概略图。

经过优化设计，本程序最大程度的实现了自动化，在自动执行过程中，操作人员所要手动完成的工序只是将工件车放置在进料车上，以及移走已经处理完并传送至出料车的工件，其余动作均无需人为干预。

图3 操作界面

图4 自动程序概略图

4 结束语

太阳能重力热管自动退火线是2010年由皇明太阳能集团有限公司提出要求，由中国电子科技集团公司第二研究所研发生产的项目，本项目根据专用的技术要求进行系统设计，于2011年3月交付用户使用。经过长期运行考验，无维修记录，足以证明其控制系统运行安全可靠、运行稳定，完全满足工艺要求。

[1] 宋伯生. PLC 编程理论·算法及技巧[M]. 北京：机械工业出版社，2005.251-254.

[2] GB/T 24767-2009，太阳能重力热管[S].

[3] MITSUBISHI ELECTRIC.FX 系列微型可编程控制器用户手册（通信篇）[M]. 上海：三菱电机自动化（上海）有限公司，2006.F30-F35.

[4] AELTA. VFD-M 使用手册[M]. 上海：中达电通股份有限公司，2005.5_37-5_41.