基于PLC的石英晶体真空退火炉控制系统设计

　　石英晶体谐振器是数字化设备中不可缺少的关键器件之一，其主要作用是产生基准时钟信号，协调整体电路的工作，广泛用于计算机、通信设备、智能化仪器仪表及家用电器等产品上。晶体真空退火炉是石英晶体元器件生产过程中的专用设备，用于石英晶体的退火处理，以消除晶体产品在加工过程中产生的应力及轻微表面缺陷。目前在国内石英晶体元件生产线上使用的真空退火炉绝大部分都从日本或韩国进口，价格昂贵，同时维护非常不便。2005年，笔者与其他单位合作研制成功了国产的石英晶体真空退火炉，各项性能指标达到或超过了国外同类产品。

　　可编程控制器(PLC)是一种结构简单、通用性好、功能较完备的新型控制元件，其主要优点是抗干扰能力强，可以提高系统的可靠性和稳定性，提高生产效率，所以特别适用于工业控制。因此，在石英晶体真空退火炉研制过程中，设计了以PLC为核心的电气控制系统。

　　1 真空退火炉的工艺过程

　　该退火炉主要由左右2个真空室、真空机组、冷却水系统、气路系统和电气控制系统等组成。2个真空室可分别独立工作。考虑到石英晶体元件体积较小，为充分利用真空室内工作空间，将每个真空室分割成4个工作区，如图l所示，每区装有热电偶和电阻加热管，可单独控制该区的温度。这样，每个真空室的真空度一致，但各工作区的温度可以是不同的，使用起来更加方便。

　　设备的工艺过程主要分为3步。

　　第l步，抽真空。真空机组将真空室由大气压抽到低真空(10 Pa左右)，再抽到高真空(5×10_3Pa左右)。

　　第2步，温度控制。由加热管对工作区加热，使工作区的温度跟随设定曲线变化，对晶体元件进行退火处理。

　　第3步，真空释放。退火时间到后，依次打开放气阀和排气阀将真空释放，恢复到大气压力后可打开炉门取出晶体元件，完成真空退火处理。

　　2控制系统硬件设计

　　西门子PLC具有丰富的指令和多种功能的控制模块，能满足各种不同场合的控制需求，在中国工控市场具有较高的占有率。根据设备工艺过程及控制要求，考虑系统可靠性和性价比等因素，决定采用以西门子87-300 PLC为控制核心，以工业触摸屏为人机界面的控制方案。

　　根据外围元件需要的控制点的种类和数量来选取PLC各扩展模块。选择1个数字量输入模块SM321(DC 24 V，32入)用于接收各主令电器、阀门位置检测开关、真空测试仪等元器件的输入信号;选择1个数字量输出模块SM322(DC 24 V，32出)用于控制真空泵和阀门等执行元件。