［摘要］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枪（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、电子枪、操作台和其它的辅助电源等组成。真空系统为电子枪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。高压电源为电子枪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，最高电压可达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枪（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枪发射出的电子，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，保证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。电子枪采用环形枪，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windows 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。
图1 控制系统构成
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最佳的位置，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
