真空熱處理爐應用AI分體式無(wú)紙記錄儀案例
廈門(mén)宇電自動(dòng)自動(dòng)化科技有限公司 技術(shù)部 邵平
關(guān)鍵詞：真空熱處理爐、AI程序調節器、AI分體式無(wú)紙記錄儀
一、概述：
我國真空工業(yè)經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，已形成了門(mén)類(lèi)齊全結構完整的工業(yè)體系，肩負起對國民經(jīng)濟各領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)裝備的重任。多年來(lái)，行業(yè)企業(yè)通過(guò)技術(shù)引進(jìn)、技術(shù)改造和合資合作等方式，使企業(yè)管理水平、技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量都有顯著(zhù)的提高。從產(chǎn)品產(chǎn)量、品種、規格和質(zhì)量上，基本都能滿(mǎn)足國民經(jīng)濟各部門(mén)和人民生活各方面的需求。
真空熱處理爐是機械制造四大基礎行業(yè)(鑄造、鍛造、熱處理、焊接)之一，是機械產(chǎn)品制造過(guò)程中一個(gè)十分重要的關(guān)鍵工序。
所謂“真空處理”是指將工件置于負壓條件下加熱到所需溫度，然后以不同冷速進(jìn)行冷卻的一種熱處理工藝方法。真空熱處理是集真空熱處理是通過(guò)將金屬材料置于一定的介質(zhì)中加熱、保溫、冷卻以改變其表面或內部組織結構而達到預期的性能要求。它是保證機械零件和工模具內在質(zhì)量的主要手段，是充分發(fā)揮金屬材料潛力、節約材料的有效途徑。正確地進(jìn)行熱處理可以提高零件和工模具使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，工件入爐后通過(guò)抽氣將爐內空氣排出，達到快速排氣，減少換氣時(shí)間，提高滲速，從而縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。
眾所周知，熱處理質(zhì)量取決于熱處理工藝及設備，先進(jìn)的熱處理設備不僅能正確完成熱處理工藝而且兼有節能、防止污染功能，從而實(shí)現節能、精密和綠色熱處理。
在真空熱處理爐的電熱元件為螺旋形，后墻和爐頂配熱電偶，采用AIMINI-DCS超小型集散監控系統智能化程序控溫，分別用于控制和記錄爐膛溫度及真空度。這些數據存儲在HMI人機界面數據庫中。
在真空熱處理爐安裝的自動(dòng)換氣裝置，自動(dòng)進(jìn)排氣，爐門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，小車(chē)自動(dòng)移動(dòng)，爐火運動(dòng)狀態(tài)，在A(yíng)I-2070無(wú)紙記錄儀流程圖中更直觀(guān)的顯示。
二、AIMINI-DCS超小型集散監控系統應用領(lǐng)域
是采用【傳統的HMI人機界面＋有通信功能的采集控制顯示儀表或模塊組建超小型集散監控系統】填補了監控加記錄小型化設置的空白，使快速組建小型成為現實(shí)。
AIMINI-DCS超小型集散監控系統在真空熱處理爐實(shí)現了智能化程序控溫，爐門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，小車(chē)自動(dòng)移動(dòng)，爐火運動(dòng)狀態(tài)，數據的記錄。監控有豐富的顯示畫(huà)面；強大的設置功能；完善的程序控制處理；實(shí)用方便的數據統計功能；靈活的報警功能；可靠的通訊功能；
由于電爐控制柜是采用通訊功能的數字調節儀表來(lái)控制電爐可控硅，HMI人機界面流程圖顯示小車(chē)、爐火運動(dòng)狀態(tài)并就記錄電爐控溫曲線(xiàn)；
控制柜安裝HMI人機界面，通過(guò)RS485通訊接口，采用上下位機的方式，能方便地與AI智能程序型PID溫度調節器，AI－3011開(kāi)關(guān)量模塊配合使用。
在電爐程序控溫時(shí)在觸摸屏上可顯示雙曲線(xiàn)運行圖、屏內儲存15段升降溫程序、程序圖形重顯；可即時(shí)設置、讀取，上下傳升溫、恒溫、降溫程序配方；無(wú)紙記錄儀曲線(xiàn)圖。
在屏上控制操作程序儀表【啟動(dòng)】【停止】【暫停】、在運行狀態(tài)下切換【手動(dòng)/自動(dòng)】狀態(tài)，手動(dòng)控制輸出量；即時(shí)修改【段號】，指定運行段；及修改儀表控制參數等多種功能；追憶記錄的溫度曲線(xiàn)數據。數據報表、報警報表的打印
①實(shí)時(shí)程序監控6個(gè)數據，運行狀態(tài)與數據同時(shí)顯示，動(dòng)畫(huà)編輯安裝通訊地址來(lái)安排連接。
②觸摸屏參數設置、升降溫程序配方曲線(xiàn)保存上傳、下載：
對于518P、708P、808P程序參數設置，點(diǎn)擊【運行控制】，進(jìn)入【手/自動(dòng)、編程設置控制平臺】；在【編程界面】用組別配方來(lái)設置程序段【C01】和【T01】表示，點(diǎn)擊組名T01下的時(shí)間段寫(xiě)入實(shí)際時(shí)間值分鐘如15分鐘寫(xiě)入【15】；設置好程序配方選中配方組。
③數據保持：采樣時(shí)間默認為6秒，用戶(hù)可以設定的范圍是：6秒~3600秒；用戶(hù)可以設定的范圍是：60分~300分；數據保存按先進(jìn)先出的原則；觸摸屏的外插U盤(pán)來(lái)保存數據；標配2G的電子硬盤(pán)。
數據可通過(guò)微型打印機打印數據報表、曲線(xiàn)；或通過(guò)U盤(pán)在PC上備份Excel電子表格數據至上位計算機。按年/月/日/小時(shí)來(lái)保存數據源文件。
④在觸摸屏上用多曲線(xiàn)的形式來(lái)直觀(guān)的顯示記錄U盤(pán)中的數據，顯示該時(shí)間段內相關(guān)通道間被測量的變化關(guān)系。按通道順序排列1、2、3、45、6固定組合在一起的通道組合，對于需要比較關(guān)鍵參數通道可將儀表地址編排在同一組顯示趨勢曲線(xiàn)，這樣就更好的進(jìn)行比較分析工藝參數的對象變化。點(diǎn)擊【數據框】返回【實(shí)時(shí)畫(huà)面】通道。可選擇啟用單條或 6條曲線(xiàn)顯示趨勢變化；查詢(xún)歷史數據設置起始時(shí)間及時(shí)間跨度；設置數據范圍使曲線(xiàn)顯示在圖表中央，不同的數據范圍啟用單條查詢(xún)。觸摸屏顯示是當前的起始時(shí)間，改倒退起始時(shí)間：年/月/日/時(shí)/分/秒；修改時(shí)間跨度：時(shí)/分/秒設置；點(diǎn)擊【確認】按鈕，系統即刻顯示歷史曲線(xiàn)、數據報表；報警報表。
查看曲線(xiàn)：點(diǎn)擊【查看曲線(xiàn)】按鈕，可以顯示在報表中已查詢(xún)到的并以報表方式顯示出來(lái)的數據，以曲線(xiàn)的形式顯示出來(lái)。上圖顯示的曲線(xiàn)可分為幾個(gè)部分的內容：
2、隨時(shí)打印
配備微型打印機在觸摸屏上直接點(diǎn)擊打印按鈕可打印歷史數據、曲線(xiàn)。
數據曲線(xiàn)查詢(xún)打印：手動(dòng)設置查詢(xún)的報表時(shí)間內容，打印每行5個(gè)數據；
數據曲線(xiàn)即時(shí)打印：手動(dòng)打印當前剛剛采集到的報表內容，每行5個(gè)數據，連續換行；
三、先進(jìn)溫度控制設備
真空熱處理爐系統中我們采用了先進(jìn)的AI人工智能調節器。AI調節器是控溫系統的核心部分，AI儀表采用了平臺概念，將非常專(zhuān)業(yè)化的數字調節儀表轉為平臺化設計的產(chǎn)品，采用的是AI人工智能調節算法是采用模糊規則進(jìn)行PID調節的一種新型算法，在誤差大時(shí)，運用模糊算法調節，以消除PID飽和積分現象，當誤差趨小時(shí)，采用改進(jìn)后的PID算法進(jìn)行調節，并能在調節中自動(dòng)學(xué)習和記憶被控對象的部分特征以使效果優(yōu)化。
自整定方法簡(jiǎn)單應用方便：由于自整定執行時(shí)采用位式調節，經(jīng)2~3次振蕩后，儀表內部微處理器根據位式控制產(chǎn)生的振蕩，分析其周期、幅度及波型來(lái)自動(dòng)計算出M 5、P、t等控制參數。具有無(wú)超調、高精度、參數確定簡(jiǎn)單、對復雜對象也能獲得較好的控制效果等特點(diǎn)。
在使用過(guò)程中AI調節器 結合PID調節、自學(xué)習及模糊控制技術(shù)，實(shí)現了自整定/自適應功能，及無(wú)欠調的精確調節，性能遠優(yōu)于傳統PID調節器。
1、控制系統硬件配置：
程序儀表AI-708PAK3L1L1S4；AI-3011D5；AI-3070C總線(xiàn)式無(wú)紙記錄儀。傳感器有溫度傳感器選用K型熱電偶；真空計；控制系統見(jiàn)上圖1。爐門(mén)傳動(dòng)控制系統執行前后爐門(mén)的升降操作，爐門(mén)控制系統為點(diǎn)動(dòng)操作控制。電氣控制上具有上下限及升降聯(lián)鎖控制。
2、系統控制功能:
真空熱處理爐，對小型工、模具的淬火和回火等。為滿(mǎn)足被處理材料的工藝要求，加熱時(shí)，處理爐上下閥門(mén)關(guān)閉，工件區全封閉，加熱器周邊均布，因而熱損小，溫度均勻。由于熱區材料選用電爐絲、陶瓷纖維不銹鋼材料，工件環(huán)境純潔，無(wú)高溫揮發(fā)物質(zhì)污染被處理材料。冷卻時(shí)，上下閥打開(kāi)，通過(guò)爐子后部特殊設計的風(fēng)冷換熱系統，可對爐內工件進(jìn)行強制氣體循環(huán)冷卻。一般來(lái)說(shuō)，燒結工藝對設備的真空度、溫度等參數要求較高，特別是對溫度控制的要求十分苛刻，溫差一般不允許超過(guò)給定值的±1～2℃。由于在真空中加熱，其熱損失小、耗能低、漏氣率低、工作環(huán)境純潔，保溫性能很好，升溫速度較快。根據真空燒結爐的特點(diǎn)，采用AI儀表構成的模糊控制器對爐溫進(jìn)行自動(dòng)檢測和調節，達到均勻加熱的目的。
控制系統我們采用了 宇電AI-708PAK3L1L1S4溫控表：AI－708P程序型儀表用于需要按一定時(shí)間規律自動(dòng)改變給定值進(jìn)行控制的場(chǎng)合。它具有強大的編程及操作能力，可進(jìn)一步提高控制設備的自動(dòng)化程度。它具備50段程序編排功能，可設置任意大小的給定值升/降斜率；具有跳轉、運行、暫停及停止等可編程/可操作命令，可在程序控制運行中修改程序；具備二路事件輸出功能。可通過(guò)報警輸出控制其他設備聯(lián)鎖動(dòng)作，進(jìn)一步提高設備自動(dòng)化能力；可通過(guò)安裝外部開(kāi)關(guān)執行程序運行/暫停/停止等操作，以實(shí)現連鎖、同步啟動(dòng)運行或方便操作；具有停電處理模式、測量值啟動(dòng)功能及準備功能，使程序執行更有效率及更完善。
3、功能及概念：
程序段：段號可從1－30，當前段(STEP)表示目前正在執行的段。
設定時(shí)間：指程序段設定運行的總時(shí)間，單位是min，有效數值從1－9999。
運行時(shí)間：指當前段已運行時(shí)間，當運行時(shí)間達到設置時(shí)間時(shí)，程序自動(dòng)跳下一段運行。
跳轉：程序段可編程為自動(dòng)跳轉到1－30段中的任意段執行，可實(shí)現循環(huán)控制。通過(guò)修改STEP的數值也可實(shí)現跳轉。
運行/暫停（run/HoLd）：程序在運行狀態(tài)時(shí)，計時(shí)，給定值按預先編排的程序曲線(xiàn)變化。程序在暫停狀態(tài)下，停止計時(shí)，給定值保持不變。儀表能在程序段中編入暫停操作，也可由人隨時(shí)執行暫停/運行操作。暫停狀態(tài)下儀表仍然保持調節功能。
停止（stoP）：執行停止操作，將使程序停止運行，此時(shí)運行時(shí)間被清0，事件輸出開(kāi)關(guān)復位，并且停止控制輸出。在停止狀態(tài)下執行運行操作，則儀表將從STEP設置的段號啟動(dòng)運行程序。可在程序段中編入自動(dòng)停止的功能，并同時(shí)對運行段號STEP值進(jìn)行設置。也可人為隨時(shí)執行停止操作（執行后STEP被設置為1，不過(guò)用戶(hù)可再進(jìn)行修改）。
事件輸出：由程序編排發(fā)生。可在程序運行中控制2路報警開(kāi)關(guān)動(dòng)作，以方便控制各種外部設備同步或連鎖工作。 停電/開(kāi)機事件：指儀表接通電源或在運行中意外停電，可提供多種處理方案供用戶(hù)選擇。用戶(hù)可以通過(guò)設置儀表的參數（run）設置儀表重新上電后的運行狀態(tài)。
準備（rdy）/測量值啟動(dòng)功能：在啟動(dòng)運行程序由于爐體的溫度和儀表設置的初始溫度之間有偏差，并且其差值大于正（或負）偏差報警值(dHAL及dLAL)時(shí)，儀表并不立即進(jìn)行正（或負）偏差報警，而是先將測量值調節到其誤差小于偏差報警值，此時(shí)程序也暫停計時(shí)，也不輸出偏差報警信號，直到正、負偏差符合要求后才再啟動(dòng)程序。準備/測量值啟動(dòng)功能用于設置無(wú)法預知升／降溫時(shí)間的段也十分有用。要允許或取消準備/測量值啟動(dòng)功能，可在run參數中進(jìn)行設置。準備/測量值啟動(dòng)功能可保證了運行整條程序曲線(xiàn)的完整性，準備/測量值啟動(dòng)功能用于解決啟動(dòng)運行時(shí)測量值與給定值不一致而對程序運行產(chǎn)生的不確定性，以獲得高效率、完整并符合用戶(hù)要求程序運行結果。
程序曲線(xiàn)的編排：程序曲線(xiàn)的編排；程序表調節器可用于按一定時(shí)間規律自動(dòng)改變給定值進(jìn)行控制的場(chǎng)合。程序是按【溫度－時(shí)間－溫度】的格式來(lái)程序升溫，具有50段程序編程功能，可設置任意大小的給定值升、降斜率；具有跳轉（目標段只限于前30段）、運行、暫停及停止等可編程/可操作命令，可在程序控制運行中修改程序；具有二路事件輸出功能。可通過(guò)報警輸出控制其他設備聯(lián)鎖動(dòng)作如：警燈、風(fēng)機、報警，進(jìn)一步提高設備自動(dòng)化能力；具有停電處理模式、測量值啟動(dòng)功能及準備功能，使程序執行更有效率及更完善。
4、參數設置：
根據系統的要求我們可以選用各種儀表類(lèi)型如AI-708PAK3L1L1S4型
AI-708P智能調節器增加了30+20段時(shí)間程序控制功能，前30段可編程為自動(dòng)跳轉執行,實(shí)現循環(huán)控制,采用先進(jìn)的模塊化設計，具備5個(gè)功能模塊插座：輔助輸入、主輸出、報警、輔助輸出及通訊，
儀表的輸入方式可自由設置為熱電偶、熱電阻和線(xiàn)性電流（電壓），具體模塊功能如下；
K3：“燒不壞”型三路可控硅過(guò)零觸發(fā)輸出模塊；
S4：自帶隔離電源的光電隔離RS485通訊接口模塊；
L1：繼電器觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)輸出模塊；
儀表的調節功能采用先進(jìn)的AI人工智能PID調節算法。AI人工智能調節算法是采用模糊規則進(jìn)行PID調節的一種新型算法，在誤差大時(shí)，運用模糊算法進(jìn)行調節，以消除PID飽和積分現象，當誤差趨小時(shí)，采用改進(jìn)后的PID算法進(jìn)行調節，并能在調節中自動(dòng)學(xué)習和記憶被控對象的部分特征以使效果優(yōu)化。具有無(wú)超調、高精度、參數確定簡(jiǎn)單、對復雜對象也能獲得較好的控制效果等特點(diǎn)。改進(jìn)后的PID參數是采用宇電特有的M 5、P、t等控制參數來(lái)表示的。
調試方式：控制儀表AI-708PAK3L1L1S4增強型智能調節器 ，三相過(guò)零觸發(fā)控制。
模塊K3三相移項觸發(fā)、模塊L1開(kāi)關(guān)量報警輸出、模塊S4通訊RS485通訊 參數
5、調試方式：
程序儀表自整定時(shí)把第1段程序設置為常用溫度或溫度啟動(dòng)自整定，此時(shí)時(shí)間停止運行。
參數設定后首先要自整定。AI人工智能調節算法是采用模糊規則進(jìn)行PID調節的一種新型算法，在誤差大時(shí)，運用模糊算法進(jìn)行調節，以消除PID飽和積分現象，當誤差趨小時(shí)，采用改進(jìn)后的PID算法進(jìn)行調節，并能在調節中自動(dòng)學(xué)習和記憶被控對象的部分特征以使效果優(yōu)化。具有無(wú)超調、高精度、參數確定簡(jiǎn)單、對復雜對象也能獲得較好的控制效果等特點(diǎn)。
AI系列調節儀表還具備參數自整定功能，AI人工智能調節方式初次使用時(shí)，可啟動(dòng)自整定功能來(lái)協(xié)助確定M 5、P、t等控制參數。初次啟動(dòng)自整定時(shí)，可將儀表切換到顯示狀態(tài)①是PV測量值SV給定值的狀態(tài)下，按住半園弧鍵并保持約2秒鐘，此時(shí)儀表下顯示器將閃動(dòng)顯示“At”字樣，表明儀表已進(jìn)入自整定狀態(tài)。自整定時(shí)，儀表執行位式調節，經(jīng)2~3次振蕩后，儀表內部微處理器根據位式控制產(chǎn)生的振蕩，分析其周期、幅度及波型來(lái)自動(dòng)計算出M 5、P、t等控制參數。如果在自整定過(guò)程中要提前放棄自整定，可再按住半園弧鍵并保持約2秒鐘，使儀表下顯示器停止閃動(dòng)“At”字樣即可。視不同系統，自整定需要的時(shí)間可從數秒至數小時(shí)不等。儀表在自整定成功結束后，會(huì )將參數CtrL設置為3（出廠(chǎng)時(shí)為1）或4，這樣今后無(wú)法從面板再按住鍵啟動(dòng)自整定，可以避免人為的誤操作再次啟動(dòng)自整定。已啟動(dòng)過(guò)一次自整定功能的儀表如果今后還要啟動(dòng)自整定時(shí)，可以用將參數CtrL設置為2的方法進(jìn)行啟動(dòng)。具體的操作要參考說(shuō)明書(shū)。
系統在不同給定值下整定得出的參數值不完全相同，執行自整定功能前，應先將給定值設置在常用值或是中間值上（對于A(yíng)I-708P/808P程序型儀表，可通過(guò)修改當前程序段值來(lái)改變給定值以滿(mǎn)足要求），如果系統是保溫性能好的電爐，給定值應設置在系統使用的合適值上，再執行啟動(dòng)自整定的操作功能。參數CtI（控制周期）及dF（回差）的設置，對自整定過(guò)程也有影響，一般來(lái)說(shuō)，這2個(gè)參數的設定值越小，理論上自整定參數準確度越高。但dF值如果過(guò)小，則儀表可能因輸入波動(dòng)而在給定值附近引起位式調節的誤動(dòng)作，這樣反而可能整定出徹底錯誤的參數。推薦CtI=0-2，dF=2.0。此外，基于需要學(xué)習的原因，自整定結束后初次使用，控制效果可能不是很好，需要使用一段時(shí)間（一般與自整定需要的時(shí)間相同）后方可獲得較好效果。
在使用過(guò)程中AI調節器 結合PID調節、自學(xué)習及模糊控制技術(shù)，實(shí)現了自整定/自適應功能及無(wú)欠調的精確調節，性能遠優(yōu)于傳統PID調節器。
四、結束語(yǔ)
AIMINI-DCS超小型集散監控系統在真空熱處理爐實(shí)現了智能化程序控溫，對真空熱處理行業(yè)：真空冶煉爐、真空熱處理爐、真空浸漬設備和真空鍍膜機等大型成套設備，研究完善向機電一體化方向發(fā)展。隨著(zhù)真空熱處理技術(shù)及其應用的不斷完善和發(fā)展，高質(zhì)量、低成本，熱處理的節能、精密、高效、環(huán)保、的持續發(fā)展，
采用AIMINI-DCS超小型集散監控系統在真空熱處理爐又是一創(chuàng )新技術(shù)，它有助于提高熱處理質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、促進(jìn)我國熱處理行業(yè)的技術(shù)發(fā)展。
由于采用了AI人工智能調節器具備優(yōu)良的測量和控制性能，采用可控硅控制為電爐控制柜改造設計帶來(lái)前所未有的方便。例如其輸出可配用具備“燒不壞”特性的可控硅觸發(fā)模塊，能直接用時(shí)間比例過(guò)零、周波過(guò)零或移相方式觸發(fā)各種單向、雙向可控硅及功率模塊，不僅降低成本，簡(jiǎn)化了安裝并提高了可靠性。
近年隨著(zhù)電氣控制技術(shù)的發(fā)展，真空熱處理爐自動(dòng)控制系統得到了快速的發(fā)展，AIMINI-DCS超小型集散監控系統的功能不斷提高，控制系統都得到了很好應用和發(fā)展。開(kāi)發(fā)采用由數字通訊控制儀表＋HMI人機界面的真空熱處理爐自動(dòng)控制系統，使真空熱處理爐的技術(shù)更具有飛躍的提高。