1 熱處理生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)
通過對(duì)工藝參數(shù)、工藝規(guī)程以及生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制,能大幅度提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低安全風(fēng)險(xiǎn),從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)。近年來,熱處理過程的自動(dòng)化控制向智能化控制發(fā)展,即實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自我跟蹤、自我診斷、自我優(yōu)化等功能。表1 為滲碳智能控制技術(shù)和傳統(tǒng)控制技術(shù)的比較,從該表中可以很清楚地看出智能控制技術(shù)的優(yōu)越性。
▼表1 滲碳智能控制技術(shù)和傳統(tǒng)控制技術(shù)的比較
1.1 熱處理生產(chǎn)自動(dòng)控制裝置的基本組成
自動(dòng)控制裝置基本上包括三個(gè)組成部分:第一部分是測(cè)量元件和變送器。它的作用是測(cè)量為實(shí)施熱處理工藝規(guī)程及產(chǎn)品技術(shù)要求所需的參數(shù),并轉(zhuǎn)換成控制器能夠接收的信號(hào)。第二部分是控制器(或稱調(diào)節(jié)器)。它把變送器送來的測(cè)量信號(hào)與設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較,并將比較后的偏差按預(yù)定的規(guī)律進(jìn)行計(jì)算,然后將計(jì)算結(jié)果送給執(zhí)行器。第三部分是執(zhí)行器。它根據(jù)控制器發(fā)出的控制信號(hào)去操作供電、輸氣、機(jī)械動(dòng)作等,以實(shí)現(xiàn)熱處理工藝所要求的參數(shù)。圖1 所示為熱處理爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖。在此閉環(huán)的控制系統(tǒng)中,控制器是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),它包括了對(duì)測(cè)量信號(hào)的處理、測(cè)量信號(hào)與設(shè)定值的比較及控制量的產(chǎn)生。按控制器的類別可以將控制系統(tǒng)分為:常規(guī)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
▲圖1 熱處理爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖
1. 常規(guī)控制系統(tǒng)。
這種系統(tǒng)基本上都是用自動(dòng)化儀表組合而成的,一般只有簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理功能,對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定量處理,沒有運(yùn)算功能。
2. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
這是以計(jì)算機(jī)為控制器的控制系統(tǒng),控制程序由軟件來實(shí)施,可以執(zhí)行特定的控制算法及復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,甚至具有智能調(diào)控功能。
1.2 熱處理生產(chǎn)過程控制的分類
1.2.1 根據(jù)控制的對(duì)象來分,可以分為以下兩種:1. 按時(shí)間來控制參數(shù)的熱處理工藝過程控制。這種熱處理過程控制是以 “時(shí)間-溫度”、“時(shí)間-滲劑流量” 等工藝曲線作為控制手段。這種控制結(jié)構(gòu)屬于總體上開環(huán)、局部閉環(huán)的控制方式,采用一般調(diào)節(jié)儀就能實(shí)現(xiàn)控制。但不能對(duì)生產(chǎn)過程中發(fā)生變化或受到干擾的參數(shù)作出反應(yīng),保證不了質(zhì)量的穩(wěn)定性。2. 以最終性能為目標(biāo)的熱處理工藝過程控制。這種熱處理工藝過程控制以產(chǎn)品熱處理最終性能技術(shù)要求為目標(biāo)。例如滲碳,以滲層深度、表層碳含量、滲層濃度分布狀態(tài)等為目標(biāo)。這種控制需采用智能調(diào)節(jié)儀或計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)才能完成,是一種建立在數(shù)學(xué)模型模擬仿真基礎(chǔ)上的閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種工藝過程控制,有時(shí)要用數(shù)字程序控制。1.2.2 根據(jù)控制規(guī)模來分,也可以分為兩種:1. 生產(chǎn)線順序控制。除局部熱處理工藝過程控制外,要求整條生產(chǎn)線進(jìn)行順序控制。這種控制采用順序控制器、可編程控制器或微機(jī)來實(shí)施。2. 全熱處理車間生產(chǎn)過程控制。較先進(jìn)的采用集散式控制系統(tǒng)(TDCS) 或稱分解型控制系統(tǒng)(DSC) , 它將各設(shè)備的控制系統(tǒng)分散,而將全車間的管理高度集中。控制設(shè)備分前沿機(jī)(布置在設(shè)備前)和上位機(jī)(監(jiān)控機(jī))。1.3 熱處理生產(chǎn)過程控制的邏輯關(guān)系熱處理生產(chǎn)過程中,除了對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行控制外,還必須按照一定的工藝路線將零件從一個(gè)熱處理設(shè)備轉(zhuǎn)移到另一個(gè)熱處理設(shè)備,零件在這些設(shè)備中順序完成規(guī)定的工藝操作后才能獲得預(yù)期的性能。這樣的過程控制通過順序控制得以實(shí)現(xiàn)。順序控制,就是發(fā)出操作指令后,控制系統(tǒng)能自動(dòng)地、順序地根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序或條件完成一系列操作,達(dá)到控制目的。順序控制可以分為:時(shí)序順序控制、邏輯順序控制和條件順序控制。控制指令按照時(shí)間排列,且每一程序的時(shí)間是固定不變的順序控制,稱為時(shí)間順序控制。例如,零件的淬火過程按照一定的加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間編排控制指令。控制指令按照動(dòng)作先后次序排列而不是按時(shí)間排列,這就是邏輯順序控制。例如,周期作業(yè)爐自動(dòng)裝料過程的控制,爐門打開到規(guī)定高度,推桿就自動(dòng)往爐內(nèi)裝料,爐門打開時(shí)間不是控制條件。控制指令不是按時(shí)間和先后排列,而是根據(jù)事先規(guī)定的條件對(duì)控制動(dòng)作有選擇地逐次進(jìn)行控制的順序控制,稱為條件順序控制。例如,對(duì)工件在傳送過程中進(jìn)行挑選,滿足條件的工件進(jìn)入下一道加工工序,而不滿足條件的工件則重新處理。電子順序控制器由各種無觸點(diǎn)邏輯元件組成,可分為簡(jiǎn)易順序控制器和可編程控制器。
2 熱處理生產(chǎn)過程控制所使用的設(shè)備和器件
2.1 繼電器接點(diǎn)程序控制系統(tǒng)
此種控制系統(tǒng)是由開關(guān)元件組成的起 “斷、續(xù)” 作用的程序控制系統(tǒng),其基本控制元件是繼電器、接觸器。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,調(diào)整維修容易,抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是,有觸點(diǎn),允許的工作頻率低,當(dāng)觸點(diǎn)打開時(shí),經(jīng)常產(chǎn)生電弧,觸點(diǎn)容易燒壞,導(dǎo)致開關(guān)動(dòng)作不可靠。目前,該類系統(tǒng)的執(zhí)行元件正逐漸被無觸點(diǎn)邏輯控制系統(tǒng)取代。熱處理過程中常見的繼電器接點(diǎn)程序控制線路包括:電源電路(刀開關(guān)控制的電源電路、接觸器控制的電源電路);
電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路(帶互鎖的正反控制電路、復(fù)合按鈕的互鎖控制電路);
位置控制電路(限位控制回路、自動(dòng)往復(fù)行程控制電路);
順序動(dòng)作控制電路;
兩地控制電路;
時(shí)間控制電路;
保護(hù)電路;
警報(bào)電路;
指示電路。
2.2 順序控制器(包括可編程控制器)
順序控制器主要有兩種類型,即矩陣式控制器和可編程控制器。矩陣式控制器常用的有時(shí)序步進(jìn)式和條件步進(jìn)式。由于矩陣式控制器、繼-接電路這類控制器缺乏存儲(chǔ)功能、難以調(diào)整修改,逐漸被可編程順序控制器取代。可編程序調(diào)節(jié)器是儀表化了的微型控制計(jì)算機(jī),它既保留了儀表的傳統(tǒng)操作方式,又可以通過編程序來構(gòu)成控制系統(tǒng),還可實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的邏輯判斷。它將過程控制系統(tǒng)中經(jīng)常用到的運(yùn)算功能以模塊的形式提供給用戶,設(shè)計(jì)人員只需要將各種功能模塊按需要以一定的規(guī)則連起來即可。PLC采用可編程的存儲(chǔ)器,用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序,執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令,并通過數(shù)字或模擬式輸入輸出,控制各種型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備,都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體,易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。PLC一般由微處理器 CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出系統(tǒng)及其他可選部件四大部分組成,如圖2所示。
CPU是PLC的核心,能夠識(shí)別用戶按照特定格式輸入的各種指令,發(fā)出相應(yīng)的控制指令,完成預(yù)定的控制任務(wù)。與其他部件之間的連接是通過總線進(jìn)行的。存儲(chǔ)器由系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器兩部分組成。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器容量
的大小決定了功能和性能;用戶程序存儲(chǔ)器容量的大小決定了用戶程序的功能和任務(wù)復(fù)雜程度。
“輸入/輸出” 系統(tǒng)是過程狀態(tài)與參數(shù)輸入以及實(shí)現(xiàn)控制時(shí)控信號(hào)輸出的通道,包括被控過程與接口之間的電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串/并轉(zhuǎn)換,A/D轉(zhuǎn)換等功能。熱處理過程中各種連續(xù)性物理量(如溫度、壓力、壓差)于在線檢測(cè)儀表將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào),通過模擬量輸入通道進(jìn)行處理;模擬量輸出通道則實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象連續(xù)變化的模擬信號(hào)的調(diào)節(jié)輸出。對(duì)于各種限位開關(guān)、繼電器或電磁閥門、手動(dòng)操作按鈕的啟閉狀態(tài),通過開關(guān)量輸入通道處理,開關(guān)量輸出通道用于控制電磁閥門、繼電器、指示燈、聲/光報(bào)警器等的開/關(guān)狀態(tài)輸出。這里是指與 PLC 的運(yùn)行沒有依賴關(guān)系的一些部件,是PLC系統(tǒng)編程、調(diào)試、測(cè)試與維護(hù)等必備設(shè)備,包括編程器、外置存儲(chǔ)設(shè)備、V/O擴(kuò)展口、數(shù)據(jù)通信接口。①所有的I/O接口電路均采用光電隔離,使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。②各輸入端均采用R-C濾波器,其濾波時(shí)間常數(shù)一般為10~20ms。⑤對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。⑥良好的自診斷功能,一旦電源或其他軟、硬件發(fā)生異常情況,CPU立即采用有效措施,以防止故障擴(kuò)大。⑦大型PLC還可以采用由雙CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或三CPU 構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進(jìn)一步提高。2) 豐富的I/O接口模塊。PLC 針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào),如交流或直流、開關(guān)量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強(qiáng)電或弱電等,都有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備,如按鈕、行程開關(guān)、接近開關(guān)、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥等直接連接。另外,為了提高操作性能,它還有多種 人-機(jī) 對(duì)話的接口模塊;為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò),它還有多種通信聯(lián)網(wǎng)的接口模塊,等等。3) 采用模塊化結(jié)構(gòu)。為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要,除了單元式的小型PLC以外,絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件,包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì),由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來,系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式,對(duì)使用者來說,不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí),因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。最普遍的 PLC 編程語(yǔ)言是梯形圖與語(yǔ)句表(梯形圖助記符)。梯形圖表達(dá)式吸取了繼電器路線圖的特點(diǎn),是從接觸器、繼電器梯形圖基礎(chǔ)上演變而來的,形象直觀,簡(jiǎn)單實(shí)用,是 PLC 主要編程語(yǔ)言。為了使編程語(yǔ)言保持梯形圖的簡(jiǎn)單、直觀特點(diǎn),方便現(xiàn)場(chǎng)編制程序,派生了梯形圖的輔助語(yǔ)言-語(yǔ)句表(梯形圖助記符)。除了這兩種編程語(yǔ)言外,還有一些其他編程語(yǔ)言,例如控制系統(tǒng)流程圖編程、邏輯方程、布爾編程表達(dá)式以及高級(jí)編程等。PLC不需要專門的機(jī)房,可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí),只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的 I/O 端相連接,即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置,便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu),因此一旦某模塊發(fā)生故障,用戶可以通過更換模塊的方法,使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。PLC的功能包括邏輯控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、步進(jìn)(順序)控制、PID控制、數(shù)據(jù)控制(數(shù)據(jù)處理能力)、通信和聯(lián)網(wǎng)。常見的PLC 主要有霍尼韋爾 DCP50、DCP100、DCP300, ICP1100S, 橫河 UP 系列,山武DCP 系列等。
▲圖3 熱處理爐加熱PLC控制原理示意圖
2.3 熱處理順序控制執(zhí)行器
順序控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般包括電器、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等。這里簡(jiǎn)單地介紹這些內(nèi)容。電器包括電機(jī)及各種低壓電器,如接觸器、繼電器、電磁鐵、行程開關(guān)等。熱處理生產(chǎn)線采用電-液聯(lián)動(dòng)裝置使整個(gè)生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)一般由液壓泵、液動(dòng)缸、液壓閥和輔助裝置(濾油器、油箱)等四部分組成。熱處理設(shè)備中使用最多的是齒輪泵和葉片泵。液壓閥根據(jù)其在系統(tǒng)中所起的作用,可分為三類:方向控制閥:如單向閥、換向閥等;壓力控制閥:如溢流閥、減壓閥、順序閥等;流量控制閥:如節(jié)流閥、調(diào)速閥等。
3. 氣動(dòng)系統(tǒng)
氣動(dòng)和液壓控制元件的工作原理、元件的組合和實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)自動(dòng)化的方法大體相同,但液壓油幾乎不可壓縮,而氣體可壓縮,因此,氣動(dòng)工作速度不穩(wěn)定,外部載荷的變化對(duì)速度的影響較大,難以精確控制工作速度,效率比較低。近年來,采用氣液聯(lián)合傳動(dòng)方法,綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn),擴(kuò)大了氣動(dòng)的應(yīng)用范圍。
氣動(dòng)系統(tǒng)基本上包括兩個(gè)部分。第一部分是壓縮空氣供給裝置,包括空氣壓縮機(jī)、后冷卻器、儲(chǔ)氣罐。第二部分是執(zhí)行裝置,即氣缸和氣動(dòng)馬達(dá)。
氣缸是氣動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件,目前尚無統(tǒng)一分類標(biāo)準(zhǔn)和定型完善的結(jié)構(gòu)。
氣動(dòng)控制閥在氣動(dòng)系統(tǒng)中的作用是控制壓縮空氣的壓力、流量和方向。按作用可以分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥三大類;按各種閥在回路中的主從關(guān)系可分為主閥和先導(dǎo)閥。直接控制氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)換向的氣閥稱為主閥,控制主閥的氣閥稱為先導(dǎo)閥。壓力控制閥包括溢流閥、減壓閥和順序閥等,它們的共同特點(diǎn)就是用空氣壓力和彈簧力相平衡的原理來工作。
3 熱處理生產(chǎn)過程控制的集散控制結(jié)構(gòu)
集散式控制系統(tǒng)可以劃分為三級(jí):各級(jí)之間通過通信網(wǎng)絡(luò)相連,同級(jí)各單元由本級(jí)的通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。由于采用了分布式監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng),使各種不穩(wěn)定因素分散到各個(gè)控制點(diǎn)上,某個(gè)點(diǎn)或主機(jī)出現(xiàn)故障而不影響其他點(diǎn)的監(jiān)測(cè),因此具有集中管理分散控制、危險(xiǎn)分散、可靠性高的特點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上,系統(tǒng)可以分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。下位機(jī)布置在設(shè)備處,采集數(shù)據(jù)和向上位機(jī)傳遞數(shù)據(jù),上位機(jī)向下位機(jī)傳送命令和接受數(shù)據(jù)。從邏輯上,系統(tǒng)可以縱向分為上下兩層;第一層為現(xiàn)場(chǎng)控制層,任務(wù)是根據(jù)上層指令直接控制熱處理設(shè)備的溫度和氣氛等工藝參數(shù);第二層為最優(yōu)控制層,任務(wù)是根據(jù)給定的目標(biāo)函數(shù)與約束條件建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,給出最優(yōu)控制策略,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制層的控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和PID參數(shù)設(shè)定。計(jì)算機(jī)之間和智能控制器、終端之間的數(shù)據(jù)傳送采用串行通信和并行通信方式。串行方式使用線路少,成本低,尤其適合遠(yuǎn)程通信。RS232C、RS485是工業(yè)控制中最常見的兩種串行通信接口標(biāo)準(zhǔn),其中,RS485具有良好的抗噪聲干擾性、傳輸距離遠(yuǎn)和多點(diǎn)能力,逐漸取代了較早的RS232C標(biāo)準(zhǔn)。軟件系統(tǒng)是分散型控制系統(tǒng)(DCS) 的核心,所有的數(shù)據(jù)收集、工藝設(shè)置、調(diào)控協(xié)調(diào)和監(jiān)視都通過上位機(jī)上運(yùn)行的軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。大型的軟件系統(tǒng),如 Honeywell PlantScape Vista, 這是一款功能齊備的客戶機(jī)/服務(wù)器監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集軟件。PlantScapeVista基于微軟 Windows2000/XP操作系統(tǒng),具有良好的人機(jī)界面(HMI) , 適合于中小規(guī)模的制造和過程控制環(huán)境,也可以移植到更大規(guī)模的系統(tǒng),可以和 UDC2500等通用溫度控制設(shè)備集成,甚至可以和第三方公司產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)集成,它可支持HC900、其他 IM&C產(chǎn)品及可選擇的第三方接口,容易實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。但是,針對(duì)熱處理過程目前沒有統(tǒng)一的軟件系統(tǒng),基本上是各個(gè)使用客戶根據(jù)實(shí)際情況采用 VC/VC++、VB 等可視化語(yǔ)言編制,再通過接口與RS232/C和 RS485 通信。以滲碳過程為例,控制軟件應(yīng)有以下功能:1) 建立、修改工藝條件,根據(jù)工藝參數(shù)模擬滲碳過程總的碳濃度分布的變化過程。2) 設(shè)置滲碳控制器的PID系數(shù)、上限值、控制起點(diǎn),記錄保存各儀表的數(shù)據(jù)。3) 工藝過程操作,實(shí)時(shí)控制,顯示爐溫,碳勢(shì)等參數(shù),并以碳濃度曲線圖和過程參數(shù)圖直觀顯示爐溫、碳勢(shì)等參數(shù)隨時(shí)間變化情況。4) 報(bào)警功能。針對(duì)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的各種突發(fā)意外情況,及時(shí)發(fā)出聲光警報(bào)。
4 熱處理生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)發(fā)展
熱處理生產(chǎn)過程控制的發(fā)展趨向從常規(guī)控制系統(tǒng)向智能化控制的方向發(fā)展。根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和控制特征,目前控制系統(tǒng)大體上有如下等級(jí)。如溫度、壓力、流量、氣氛、時(shí)間、機(jī)械動(dòng)作及位移等,可以選用常規(guī)控制儀表或系統(tǒng),也可以采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制或閉環(huán)控制。如控制溫度隨時(shí)間的變化規(guī)程,爐氣氛隨時(shí)間的變化規(guī)程等。這種控制基本上都采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),分為靜態(tài)控制和動(dòng)態(tài)控制。按固定程序進(jìn)行采樣和控制從的屬于靜態(tài)控制,控制結(jié)果采用數(shù)字顯示。動(dòng)態(tài)控制是即時(shí)進(jìn)行采樣和控制,常利用計(jì)算機(jī)按數(shù)學(xué)模型運(yùn)行程序控制,并可隨時(shí)改變和處理控制程序,控制的結(jié)果可在計(jì)算機(jī)屏幕上以曲線或動(dòng)畫即時(shí)顯示。這是把熱處理的最初始的資料,如工件、鋼材、技術(shù)要求、工況等及工藝過程的基本數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī),計(jì)機(jī)將模擬熱處理工藝過程,自動(dòng)地確定和提供熱處理工藝參數(shù)。它是將熱處理原理、材料學(xué)、彈塑性力學(xué)、流體力學(xué)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科理論知識(shí)加以集成,建立定量描述熱處理過程中各種現(xiàn)象及其相互作用的數(shù)學(xué)模型;用計(jì)算機(jī)模擬熱處理生產(chǎn)條件下工件內(nèi)溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、相變和應(yīng)力場(chǎng)的演變過程,作為制訂合理的熱處理工藝和開發(fā)熱處理新技術(shù)的依據(jù);在生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)中實(shí)時(shí)監(jiān)控,修正工藝參數(shù),使生產(chǎn)過程始終處在最優(yōu)的工作狀態(tài)。整個(gè)熱處理生產(chǎn)線,包括各熱處理工序、各機(jī)械動(dòng)作、各工藝參數(shù)等通過智能控制技術(shù)、CAE/CAM一體化系統(tǒng)、智能化傳感與測(cè)試技術(shù)、生產(chǎn)紀(jì)錄的管理和利用等子系統(tǒng)協(xié)調(diào)組成。其中,熱處理 CAE/ CAM具有自動(dòng)生成優(yōu)化的熱處理工藝,自動(dòng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制,自動(dòng)處理各種因素的影響和在生產(chǎn)過程中自動(dòng)補(bǔ)償偏差對(duì)熱處理質(zhì)量影響的功能。此控制屬于集散式控制系統(tǒng)(TDCS) 或分散型控制系統(tǒng)(DCS) , 結(jié)構(gòu)上將各設(shè)備的控制系統(tǒng)分散,而將全車間的管理高度集中。這種控制系統(tǒng)是以微處理器及微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ),集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、顯示技術(shù)和自動(dòng)控制技的
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。分布于生產(chǎn)過程各部分的以微處理器為核心的過程控制站,分別對(duì)各部分工藝流程進(jìn)行控制,又通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)與中央控制室的各監(jiān)控操作站聯(lián)網(wǎng),操作員通過監(jiān)控終端,可以對(duì)全部生產(chǎn)過程的工況進(jìn)行監(jiān)視和操作,網(wǎng)絡(luò)中的專業(yè)計(jì)算機(jī)用于數(shù)學(xué)模型或先進(jìn)控制策略的運(yùn)算,適時(shí)地給各過程站發(fā)出控制信息、調(diào)整運(yùn)行工況,因此稱為集散控制系統(tǒng)(TDCS) 。分散控制系統(tǒng)可以組成熱處理爐的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS) 、自動(dòng)控制系統(tǒng)(ACS) 、順序控制系統(tǒng)(SCS) 及安全保護(hù)等,完成數(shù)據(jù)采集與處理、控制、計(jì)算等功能,便于實(shí)現(xiàn)功能、地理位置和負(fù)載上的分散,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)過程控制。目前已有成熟的DCS控制設(shè)備,如HC900、PKS等。
4.6 熱處理生產(chǎn)與管理全面控制
此種控制系統(tǒng),除完成熱處理工藝過程控制任務(wù)外,還能完成整個(gè)企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)計(jì)劃、材料消耗、成本核算、設(shè)備檢修和維護(hù)等企業(yè)管理任務(wù),實(shí)現(xiàn)信息化的熱處理生產(chǎn)管理決策。實(shí)際上,熱處理的生產(chǎn)率、經(jīng)濟(jì)效益和質(zhì)量保障都和生產(chǎn)管理水平密切相關(guān),例如,空爐升溫和冷卻造成的蓄熱損失在總能耗中占相當(dāng)大的比例,在滿足企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃和物流動(dòng)化的要求,以及滿足不同用戶對(duì)熱處理協(xié)作件交貨期要求的前提下,合理安排熱處理生產(chǎn)計(jì)劃,就有可能大幅度降低熱處理能耗。通過電子商務(wù)組織異構(gòu)協(xié)作,能有效地提高熱處理勞動(dòng)生產(chǎn)率,進(jìn)而將信息化的熱處理生產(chǎn)管理系統(tǒng)也納入整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)(ERP) 。控制技術(shù)正在由分散型過程向網(wǎng)絡(luò)集成化方向發(fā)展,將支持廣域網(wǎng)(WAN) 、局域網(wǎng)(LAN) 、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN) 、標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備、Internet/Intranet 連接、通信協(xié)議等。其最終目的是讓檢測(cè)和控制實(shí)現(xiàn)完全分散化狀態(tài),生產(chǎn)控制與辦公網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)一體。分散的傳感設(shè)備、VO數(shù)據(jù)、過程控制器,依賴于高速通信通道工業(yè)總線組合成分散控制系統(tǒng)(DCS) , 滿足了連續(xù)過程控制應(yīng)用的需要,又適合了分散順序和運(yùn)動(dòng)控制的需要。進(jìn)一步利用以太網(wǎng)和其他基于現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù),連接到采用商用操作系統(tǒng)的開放式過程控制系統(tǒng)中,具有基于Web技術(shù)信息分布形式和其他數(shù)據(jù)服務(wù)功能的特點(diǎn)。圖4 以 Honeywell 混合控制系統(tǒng)為例,通過PlantScape Vista 模塊化監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理控制。
生產(chǎn)過程控制的發(fā)展趨勢(shì)是 FCS (Field Control System) , 即總線控制系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)。FCS是一種分布式的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化系統(tǒng),其基礎(chǔ)是現(xiàn)場(chǎng)總線,形成了從測(cè)控設(shè)備到操作控制計(jì)算機(jī)的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò),適應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求,因而成為控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。與FCS相比,DCS由于采用獨(dú)家封閉的通信協(xié)議,不同廠家的設(shè)備不能互連在一起,系統(tǒng)和外界之間的信息交換難于實(shí)現(xiàn),給用戶的系統(tǒng)集成和應(yīng)用造成了不便。FCS是開放式系統(tǒng),采用了一套標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議,把測(cè)控設(shè)備和控制系統(tǒng)完美地結(jié)合在一起,使設(shè)備之間的互操作變得方便、快捷,用戶可以選擇不同廠商、不同品牌的各種設(shè)備連入現(xiàn)場(chǎng)總線,達(dá)到最佳的系統(tǒng)集成。但目前FCS尚未成為主流,原因在于,FCS和 DCS的相比,FCS系統(tǒng)采用的是數(shù)字化通信,省去了D/A與A/D變換,雖然提高了精度,但是對(duì)傳感器的要求也高了;DCS大多為模擬數(shù)字混合系統(tǒng),不需要全部更換測(cè)量設(shè)備,更適合當(dāng)前的生產(chǎn)需要。
附:實(shí)例——多用爐生產(chǎn)線控制
對(duì)于密封箱式多用爐生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng),各生產(chǎn)廠的產(chǎn)品有較大差異,以下介紹某生產(chǎn)線的一些控制形式。
一、 生產(chǎn)線組成
生產(chǎn)線以俗說的312配置,由以下部分組成:3臺(tái)密封箱式滲碳爐,1臺(tái)清洗機(jī),2臺(tái)回火爐,2臺(tái)升降平臺(tái)(裝料臺(tái)),2臺(tái)固定平臺(tái)(裝料臺(tái)),2臺(tái)吸熱式氣氛發(fā)生爐,氧碳擴(kuò)散控制計(jì)算機(jī),氧碳控制儀,氮?dú)狻薄⒈槠妊b置,以及測(cè)定和校正碳勢(shì)的輔助儀器,即箔片天平和露點(diǎn)儀。
二、控制系統(tǒng)和控制任務(wù)
某密封箱式爐控制系統(tǒng)組成如圖5 所示。
溫度控制系統(tǒng)由熱電偶、智能調(diào)節(jié)儀和晶閘管組成。溫度信號(hào)同時(shí)傳輸給氧碳控制儀和計(jì)算機(jī)。①中央指令系統(tǒng):氧碳擴(kuò)散控制計(jì)算機(jī)(O. C. D) 。②二級(jí)控制系統(tǒng):可編程序控制器,碳勢(shì)控制儀(或氧碳控制儀)。③執(zhí)行系統(tǒng):機(jī)械傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電磁閥、開關(guān)等。碳勢(shì)控制儀系統(tǒng)如圖6 所示。
檢測(cè)爐氣氛碳勢(shì)的直接儀表,常放置在爐前操作,故常稱前沿機(jī)。該系統(tǒng)以氧探頭作傳感器,檢測(cè)爐氣氛氧含量,以氧電勢(shì)輸出,在碳勢(shì)控制調(diào)節(jié)儀中與設(shè)定值進(jìn)行比較,進(jìn)行PID運(yùn)算輸出控制量,控制執(zhí)行元件,調(diào)節(jié)富化氣供入量,同時(shí)把氧電勢(shì)傳輸給計(jì)算機(jī)。
▲圖6 碳勢(shì)控制系統(tǒng)
其主要功能是按工藝要求對(duì)爐內(nèi)機(jī)械動(dòng)作實(shí)行自動(dòng)控制。密封箱式滲碳爐可實(shí)現(xiàn)三種工藝方式,即直接淬火、重新加熱淬火和氣體淬火。它們的操作程序都儲(chǔ)存在可編程序控制器中。3) 氧、碳擴(kuò)散控制計(jì)算機(jī)(O. C. D)。它是一個(gè)專用工藝程序計(jì)算機(jī),其主要控制任務(wù)如下:①工藝過程自動(dòng)控制。按滲碳工藝要求分為三類:滲碳工藝、修正滲碳工藝(即對(duì)已滲碳工藝的返修工藝)和保護(hù)氣氛熱處理。這三類工藝又可按不同淬火方式分別編制程序。計(jì)算機(jī)工藝程序編制是通過鍵盤輸人的,輸入材料數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù),例如,鋼材碳含量、合金化系數(shù)、炭黑極限、爐氣中H2、CO含量,有效硬化層深度及其碳含量等;再輸入各個(gè)程序段的數(shù)據(jù),如設(shè)定溫度、設(shè)定滲碳最終要求達(dá)到的滲層深度等。計(jì)算機(jī)按工件最終目標(biāo)進(jìn)行控制,調(diào)節(jié)工藝參數(shù),當(dāng)達(dá)到99%的滲碳層深后,爐溫降到淬火溫度并保溫,到達(dá)要求的滲碳深度后,工件出爐送往淬火槽。②滲碳工藝的模擬仿真功能。在計(jì)算機(jī)控制中,通過模擬運(yùn)算可實(shí)時(shí)顯示溫度和碳勢(shì)工藝曲線及實(shí)時(shí)記錄曲線、表面碳濃度梯度、設(shè)定溫度和碳勢(shì)、實(shí)時(shí)滲層深度和時(shí)間等內(nèi)容。從而以總覽的形式表示各種溫度和碳勢(shì)的狀況。3. 滲碳爐內(nèi)機(jī)械傳動(dòng)及控制1) 料盤傳送(即推、拉料機(jī)構(gòu))采用雙速電動(dòng)機(jī),有負(fù)荷時(shí)慢速運(yùn)動(dòng);空載時(shí)快速運(yùn)動(dòng)。由可編程序控制器按工藝過程要求控制。工件入油淬火時(shí),升降臺(tái)下降速度由快變慢,由雙速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)。3) 兩臺(tái)獨(dú)立的淬火油攪拌裝置,其攪拌速度可變,在工件入油后可分期控制淬火強(qiáng)度。以上機(jī)械動(dòng)作的傳動(dòng)電動(dòng)機(jī),除爐門、中爐門和攪拌風(fēng)扇外,均采用雙速電動(dòng)機(jī),均由可編程序控制器控制,在程序控制下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。4) 控制裝卸料、淬火升降臺(tái)、爐門和爐頂風(fēng)扇的電動(dòng)機(jī)一旦停電,均可用手柄搖動(dòng)。4. 前室爐壁油的自動(dòng)循環(huán)冷卻系統(tǒng)為了加快滲碳后工件在前室的冷速,除在前室頂部安裝有大功率的離心風(fēng)扇外,為防止在前室壁結(jié)露,還在其頂部和兩側(cè)面安裝了扁平油箱,內(nèi)充普通全損耗系統(tǒng)用油,熱油通過循環(huán)泵進(jìn)入爐體外側(cè)的水冷卻器。在進(jìn)入冷卻器的熱油管路上安裝了一個(gè)溫度傳感器,控制供水閥的開度,實(shí)現(xiàn)了前室爐壁油的自動(dòng)循環(huán)冷卻,其油溫控制在70℃左右。
三、生產(chǎn)線控制
回火爐設(shè)有料盤推拉料裝置、風(fēng)循環(huán)裝置及溫度控制裝置。溫度控制是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng),其余控制均按程序由可編程序控制器控制。
該自動(dòng)線配備了2臺(tái)吸熱式氣氛發(fā)生爐,其主要技術(shù)規(guī)格如下:
外形尺寸:1900×1150×2000mm
發(fā)生爐上安裝的CO2分析儀為MAIHAK UN-OR-4N型,用來測(cè)量和顯示保護(hù)氣的CO2含量。對(duì)CO2的控制是依靠818型CO2控制儀進(jìn)行的,而執(zhí)行器就是空氣旁路上的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)。發(fā)生爐的爐溫控制亦用818溫度控制儀完成。這些控制儀都具有PID調(diào)節(jié)功能,使保護(hù)氣的CO2含量穩(wěn)定在較小的波動(dòng)范圍內(nèi),重量2.5t。為了防止開始產(chǎn)氣時(shí)保護(hù)氣中的水分進(jìn)入紅外儀,產(chǎn)氣開始先將樣氣導(dǎo)入一個(gè)水冷裝置中,它具有類似鏡面露點(diǎn)儀的功能,如果氣體露點(diǎn)較高就在冷卻室周圍出現(xiàn)積水,這時(shí)應(yīng)繼續(xù)調(diào)整氣體混合比,直至露點(diǎn)室無結(jié)露現(xiàn)象,再通過手動(dòng)閥門將樣氣導(dǎo)入紅外儀。這一設(shè)計(jì)不僅保護(hù)了設(shè)備,而且對(duì)操作也帶來很大方便。該發(fā)生爐還具有完善的安全報(bào)警功能,對(duì)供水不足、丙烷氣不足、混合氣進(jìn)口回火、爐罐超溫、CO2超過控制極限及氣體排放點(diǎn)燃故障等故障狀態(tài)均會(huì)發(fā)出聲、光報(bào)警。3. 清洗機(jī)KEKTE4/1-70-65-130清洗機(jī)由中央部位的清洗、噴淋室和左右兩側(cè)的清水儲(chǔ)箱、堿水箱組成。清洗室內(nèi)裝有升降臺(tái)和活動(dòng)噴頭的清水儲(chǔ)箱和堿水儲(chǔ)箱,底部均裝有電熱管,每一加熱區(qū)均有膨脹桿式熱動(dòng)開關(guān)控制溫度,由液位監(jiān)測(cè)器和電磁閥聯(lián)合控制液位并自動(dòng)補(bǔ)充新液。每個(gè)儲(chǔ)箱的外側(cè)均裝有溢流管和廢料排放管,在清洗機(jī)的后側(cè)還裝有兩臺(tái)葉輪式離心泵,分別用來完成兩個(gè)儲(chǔ)箱與清洗噴淋室之間的液體循環(huán)。清洗機(jī)在工作期間將按下述步驟運(yùn)行:升降臺(tái)升起(原始位置)→裝料→升降臺(tái)落下→堿液清洗→升降臺(tái)升起→瀝干→清水噴淋→瀝干→出料。堿液清洗時(shí)間、清水噴淋時(shí)間和瀝干時(shí)間均可在操作面板上手動(dòng)設(shè)定,通過時(shí)間繼電器進(jìn)行控制。清洗機(jī)的工程程序可按需要選擇自動(dòng)方式或手動(dòng)方式運(yùn)行。
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