基于PLC的中频感应加热炉电源控制系统设计

常丽凯

(保定四方三伊电气有限公司河北保定071051)

摘要：中频感应加热炉是利用电磁感应原理实现感应加热的一种供电装置。由于这种加热方式是由电磁感应传递的，感应线圈与金属工件不直接接触，而热量是由工件本身产生的，所以称为感应加热。感应加热炉的发展与数控技术和计算机技术的应用密切相关。在这方面外国制造商已处于领先地位，其控制技术先进、效率高、可靠性高、操作简单，得到了广泛的认可。因此，大多数铸造厂已广泛使用国外生产的感应加热炉。如何吸收国外控制技术的优势，逐步缩小差距，利用PLC简单准确的特点来控制感应加热，提高感应加热系统的自动化水平，具有重要意义。

关键词：PLC控制器；中频感应加热炉；电源；系统设计

一、中频感应加热原理

中频感应加热技术是基于三相整流、逆变技术的一种加热方式，三相电源经过三相桥式整流变为直流电压，采用可控硅或IGBT再逆变为幅值可调频率可调的中频电源，这样的交流电源加载到加热线圈（一般为铜排）上，就会产生一个交变的磁场，当炉料放置到炉腔内时就会在电磁感应的作用下在炉料本体中产生感应涡流，从而使金属快速加热，符合国家节能环保的要求。

二、中频感应炉的控制系统

中频感应加热炉主要由电源、炉体、传送装置和监测与控制系统四部分组成，。其中控制系统是整个加热炉的核心环节，它控制着整体运行过程中的绝大部分技术参数，包括电源电压的控制与检测、传送带的速度，炉体温度以及加热锻件的温度等等。坯料加热过程中对温度要求很严格，过热会造成坯料过烧，影响质量，过低会使锻压设备加重负荷，降低锻造设备使用寿命。

三、加热过程的电流、电压特性

添加炉料的过程，也就是加热过程，随着炉料的增加，炉料本体中感应环流（或涡流）持续增加，负载逐步加重，中频电压、电流持续升高，而且炉料增加不是呈稳态，所以中频电压、电流处于剧烈振荡状态即浪涌状态剧烈；随着炉料状态由固态变为液态，由于涡流环趋于稳定，所以中频电压、电流逐步减小并趋于稳定。当满炉状态时，由于浇铸时炉体的移动、倾斜导致液态炉料内涡流剧烈动荡，体现在中频电压、电流也处于剧烈动荡（即浪涌）状态。整个加热过程中，炉料添加的初期中频电压、电流虽然振荡但由于每次添加炉料有限所以振荡较小；炉料处于70%以上时，每次添加炉料都会使炉体内液态炉料发生变化，而且比较剧烈，故中频电压、电流变化也大，浪涌效果明显；浇铸期间，由于炉体的倾斜导致炉内液态炉料中涡流变化更加剧烈，故中频电压、电流变化也更大，浪涌效果更加明显。电路中逆变桥中的可控硅器件从原理上讲，受到的浪涌冲击越大对器件的伤害越大，在电控设计中是应该充分考虑可控硅的保护措施的。那么，现状到底什么样的呢？到底是什么原因导致可控硅频繁损坏呢？尤其是短期内频繁损坏？

四、感应加热炉的PLC控制系统设备的选型

感应加热电源是感应加热炉的重要组成部分，电力半导体器件及电力电子学的发展对其有着重要的影响。早期的感应加热电源主要有中频发电机组和电子管振荡器式高频电源、电磁倍频器和工频感应熔炼炉。近年来，晶闸管、半导体工艺、集成加工技术的出现有力的促进了感应加热电源的发展，为感应加热电源的应用提供了坚实的基础。感应加热电源若使用分立元件来控制，自动化的程度比较低，人机界面和通信系统效果也比较差；但是如果利用PLC控制感应加热，就可以精确控制电源的各个参数，达到简单、可靠的目的，从而提高感应加热系统的自动化水平。PLC控制系统设计原则是在最大限度的满足被控对象控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、安全可靠，并考虑到今后生产的发展和工艺的改进，在选择PLC机型时，应适当留有余地。根据系统组成分析，中频感应加热炉工艺共有18个DI点，8个DO点；4个AI点，2个AO点，由此选用西门子的S7-200系列（CUP226）PLC作为控制中心，模拟量输入模块为EM231，模拟量输出模块为EM232。PLC控制系统基本组成如图1所示。

图1PLC控制系统基本组成

五、中频感应加热炉电源的控制系统设计

电源除了输出一定的功率和频率外，还要能够在各种扰动的情况下满足生产需要。因此电源要具备一定的自动控制能力。工业中常用并联谐振逆变电路，通过单独调节可控整流器输出电压来改变输出功率。通过调节中频电压就可以改变加热温度，但是中频电压会产生波动，而且温度控制存在滞后，所以一般采用温度和电压双闭环的方法来实现，如图2所示。内环是电压闭环控制，外环是温度闭环控制，内环根据电源电压和反馈电压的大小控制中频电流的输出功率，外环根据设定的温度和反馈温度设定给定电压。系统中温度和电压的闭环都采用了PI调节器，可以大幅度减少偏差，并使系统迅速达到设定值。

图2中频感应加热炉电源控制框图

结语：采用PLC设计控制系统，因其具有便于控制、设计灵活、可靠性好、编程简单、性价比高、抗干扰能力强等特点，但因其难以显示图表、用户界面较差、监控不便等缺陷导致系统使用过程中存在一定的局限。展望未来，能够发挥控制系统优势，又能提供良好人机界面的PLC控制系统一定会为工业控制做出巨大贡献，本设计暂时没有考虑采用计算机作为上位机，但在以后的研究中会进一步引入良好的人机界面，期望使系统的控制能够更加简单可靠。

参考文献：

[1]谢鑫，王倩.工频感应炉PLC自动控制系统的应用[M].鞍山钢铁公司设计研究院.

[2]吴中俊，黄永红.可编程序控制器原理及应用[M].机械工业出版社，2007.

[3]徐艮.中频感应加热炉进料系统改造[J].设备管理与维修，2013（04）：40-41.