AIMINI-DCS超小型监控系统在真空热处理炉应用

  AIMINI-DCS超小型监控系统在真空热处理炉应用

                       厦门宇电自动自动化科技有限公司  开发部  邵平

关键词：真空热处理炉、AI程序调节器、
一、概述：

我国真空工业经过50多年的发展，已形成了门类齐全结构完整的工业体系，肩负起对国民经济各领域进行技术装备的重任。多年来，行业企业通过技术引进、技术改造和合资合作等方式，使企业管理水平、技术水平和产品质量都有显著的提高。从产品产量、品种、规格和质量上，基本都能满足国民经济各部门和人民生活各方面的需求。
   真空热处理炉是机械制造四大基础行业(铸造、锻造、热处理、焊接)之一，是机械产品制造过程中一个十分重要的关键工序。
    所谓“真空处理”是指将工件置于负压条件下加热到所需温度，然后以不同冷速进行冷却的一种热处理工艺方法。真空热处理是集真空热处理是通过将金属材料置于一定的介质中加热、保温、冷却以改变其表面或内部组织结构而达到预期的性能要求。它是保证机械零件和工模具内在质量的主要手段，是充分发挥金属材料潜力、节约材料的有效途径。正确地进行热处理可以提高零件和工模具使用寿命，提高产品质量，工件入炉后通过抽气将炉内空气排出，达到快速排气，减少换气时间，提高渗速，从而缩短生产周期，提高生产效率，降低了生产成本。   

 众所周知，热处理质量取决于热处理工艺及设备，先进的热处理设备不仅能正确完成热处理工艺而且兼有节能、防止污染功能，从而实现节能、精密和绿色热处理。

在真空热处理炉的电热元件为螺旋形，后墙和炉顶配热电偶，采用AIMINI-DCS超小型集散监控系统智能化程序控温，分别用于控制和记录炉膛温度及真空度。这些数据存储在HMI人机界面数据库中。

   在真空热处理炉安装的自动换气装置，自动进排气，炉门自动开启，小车自动移动，炉火运动状态，在AI-2070无纸记录仪流程图中更直观的显示。                 图1

二、AIMINI-DCS超小型集散监控系统应用领域

是采用【传统的HMI人机界面＋有通信功能的采集控制显示仪表或模块组建超小型集散监控系统】填补了监控加记录小型化设置的空白，使快速组建小型成为现实。

AIMINI-DCS超小型集散监控系统在真空热处理炉实现了智能化程序控温，炉门自动开启，小车自动移动，炉火运动状态，数据的记录。监控有丰富的显示画面；强大的设置功能；完善的程序控制处理；实用方便的数据统计功能；灵活的报警功能；可靠的通讯功能；

由于电炉控制柜是采用通讯功能的数字调节仪表来控制电炉可控硅，HMI人机界面流程图显示小车、炉火运动状态并就记录电炉控温曲线；

控制柜安装HMI人机界面，通过RS485通讯接口，采用上下位机的方式，能方便地与AI智能程序型PID温度调节器，AI－3011开关量模块配合使用。

在电炉程序控温时在触摸屏上可显示双曲线运行图、屏内储存15段升降温程序、程序图形重显；可即时设置、读取，上下传升温、恒温、降温程序配方；无纸记录仪曲线图。

   在屏上控制操作程序仪表【启动】【停止】【暂停】、在运行状态下切换【手动/自动】状态，手动控制输出量；即时修改【段号】，指定运行段；及修改仪表控制参数等多种功能；追忆记录的温度曲线数据。数据报表、报警报表的打印

①实时程序监控6个数据，运行状态与数据同时显示，动画编辑安装通讯地址来安排连接。

②触摸屏参数设置、升降温程序配方曲线保存上传、下载：

对于518P、708P、808P程序参数设置，点击【运行控制】，进入【手/自动、编程设置控制平台】；在【编程界面】用组别配方来设置程序段【C01】和【T01】表示，点击组名T01下的时间段写入实际时间值分钟如15分钟写入【15】；设置好程序配方选中配方组。

③数据保持：采样时间默认为6秒，用户可以设定的范围是：6秒~3600秒；用户可以设定的范围是：60分~300分；数据保存按先进先出的原则；触摸屏的外插U盘来保存数据；标配2G的电子硬盘。

数据可通过微型打印机打印数据报表、曲线；或通过U盘在PC上备份Excel电子表格数据至上位计算机。按年/月/日/小时来保存数据源文件。

④在触摸屏上用多曲线的形式来直观的显示记录U盘中的数据，显示该时间段内相关通道间被测量的变化关系。按通道顺序排列1、2、3、45、6固定组合在一起的通道组合，对于需要比较关键参数通道可将仪表地址编排在同一组显示趋势曲线，这样就更好的进行比较分析工艺参数的对象变化。点击【数据框】返回【实时画面】通道。可选择启用单条或6条曲线显示趋势变化；查询历史数据设置起始时间及时间跨度；设置数据范围使曲线显示在图表中央，不同的数据范围启用单条查询。触摸屏显示是当前的起始时间，改倒退起始时间：年/月/日/时/分/秒；修改时间跨度：时/分/秒设置；点击【确认】按钮，系统即刻显示历史曲线、数据报表；报警报表。

   查看曲线：点击【查看曲线】按钮，可以显示在报表中已查询到的并以报表方式显示出来的数据，以曲线的形式显示出来。上图显示的曲线可分为几个部分的内容：

2、随时打印

    配备微型打印机在触摸屏上直接点击打印按钮可打印历史数据、曲线。

数据曲线查询打印：手动设置查询的报表时间内容，打印每行5个数据；

数据曲线即时打印：手动打印当前刚刚采集到的报表内容，每行5个数据，连续换行；图2

二、先进温度控制设备

    真空热处理炉系统中我们采用了先进的AI人工智能调节器。AI调节器是控温系统的核心部分，AI仪表首创性地采用了平台概念，将非常专业化的数字调节仪表转为平台化设计的产品，采用的是AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。   图3

   自整定方法简单应用方便：由于自整定执行时采用位式调节，经2~3次振荡后，仪表内部微处理器根据位式控制产生的振荡，分析其周期、幅度及波型来自动计算出M 5、P、t等控制参数。具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。

   在使用过程中AI调节器 结合PID调节、自学习及模糊控制技术，实现了自整定/自适应功能，及无欠调的精确调节，性能远优于传统PID调节器。

1、控制系统硬件配置：

程序仪表AI-708PAK3L1L1S4；AI-3011D5；AI-3070C总线式无纸记录仪。传感器有温度传感器选用K型热电偶；真空计；控制系统见上图1。炉门传动控制系统执行前后炉门的升降操作，炉门控制系统为点动操作控制。电气控制上具有上下限及升降联锁控制。    
2、系统控制功能
    真空热处理炉，对小型工、模具的淬火和回火等。为满足被处理材料的工艺要求，加热时，处理炉上下阀门关闭，工件区全封闭，加热器周边均布，因而热损小，温度均匀。由于热区材料选用电炉丝、陶瓷纤维不锈钢材料，工件环境纯洁，无高温挥发物质污染被处理材料。冷却时，上下阀打开，通过炉子后部特殊设计的风冷换热系统，可对炉内工件进行强制气体循环冷却。一般来说，烧结工艺对设备的真空度、温度等参数要求较高，特别是对温度控制的要求十分苛刻，最大温差一般不允许超过给定值的±1～2℃。由于在真空中加热，其热损失小、耗能低、漏气率低、工作环境纯洁，保温性能很好，升温速度较快。根据真空烧结炉的特点，采用AI仪表构成的模糊控制器对炉温进行自动检测和调节，达到均匀加热的目的。

   控制系统我们采用了 宇电AI-708PAK3L1L1S4温控表：AI－708P程序型仪表用于需要按一定时间规律自动改变给定值进行控制的场合。它具有强大的编程及操作能力，可进一步提高控制设备的自动化程度。它具备50段程序编排功能，可设置任意大小的给定值升/降斜率；具有跳转、运行、暂停及停止等可编程/可操作命令，可在程序控制运行中修改程序；具备二路事件输出功能。可通过报警输出控制其他设备联锁动作，进一步提高设备自动化能力；可通过安装外部开关执行程序运行/暂停/停止等操作，以实现连锁、同步启动运行或方便操作；具有停电处理模式、测量值启动功能及准备功能，使程序执行更有效率及更完善。
 3、功能及概念：
    程序段：段号可从1－30，当前段(STEP)表示目前正在执行的段。
    设定时间：指程序段设定运行的总时间，单位是min，有效数值从1－9999。
    运行时间：指当前段已运行时间，当运行时间达到设置时间时，程序自动跳下一段运行。
    跳转：程序段可编程为自动跳转到1－30段中的任意段执行，可实现循环控制。通过修改STEP的数值也可实现跳转。
    运行/暂停（run/HoLd）：程序在运行状态时，计时，给定值按预先编排的程序曲线变化。程序在暂停状态下，停止计时，给定值保持不变。仪表能在程序段中编入暂停操作，也可由人随时执行暂停/运行操作。暂停状态下仪表仍然保持调节功能。

  停止（stoP）：执行停止操作，将使程序停止运行，此时运行时间被清0，事件输出开关复位，并且停止控制输出。在停止状态下执行运行操作，则仪表将从STEP设置的段号启动运行程序。可在程序段中编入自动停止的功能，并同时对运行段号STEP值进行设置。也可人为随时执行停止操作（执行后STEP被设置为1，不过用户可再进行修改）。
    事件输出：由程序编排发生。可在程序运行中控制2路报警开关动作，以方便控制各种外部设备同步或连锁工作。
    停电/开机事件：指仪表接通电源或在运行中意外停电，可提供多种处理方案供用户选择。用户可以通过设置仪表的参数（run）设置仪表重新上电后的运行状态。
    准备（rdy）/测量值启动功能：在启动运行程序由于炉体的温度和仪表设置的初始温度之间有偏差，并且其差值大于正（或负）偏差报警值(dHAL及dLAL)时，仪表并不立即进行正（或负）偏差报警，而是先将测量值调节到其误差小于偏差报警值，此时程序也暂停计时，也不输出偏差报警信号，直到正、负偏差符合要求后才再启动程序。准备/测量值启动功能用于设置无法预知升／降温时间的段也十分有用。要允许或取消准备/测量值启动功能，可在run参数中进行设置。准备/测量值启动功能可保证了运行整条程序曲线的完整性，准备/测量值启动功能用于解决启动运行时测量值与给定值不一致而对程序运行产生的不确定性，以获得高效率、完整并符合用户要求程序运行结果。   

   程序曲线的编排：

程序曲线的编排；程序表调节器可用于按一定时间规律自动改变给定值进行控制的场

合。程序是按【温度－时间－温度】的格式来程序升温，具有50段程序编程功能，可设置任意大小的给定值升、降斜率；具有跳转（目标段只限于前30段）、运行、暂停及停止等可编程/可操作命令，可在程序控制运行中修改程序；具有二路事件输出功能。可通过报警输出控制其他设备联锁动作如：警灯、风机、报警，进一步提高设备自动化能力；具有停电处理模式、测量值启动功能及准备功能，使程序执行更有效率及更完善。

 4、参数设置：

   根据系统的要求我们可以选用各种仪表类型如AI-708PAK3L1L1S4型

   AI-708P智能调节器增加了30+20段时间程序控制功能，前30段可编程为自动跳转执行,实现循环控制,采用先进的模块化设计，具备5个功能模块插座：辅助输入、主输出、报警、辅助输出及通讯，

仪表的输入方式可自由设置为热电偶、热电阻和线性电流（电压），具体模块功能如下；

K3：“烧不坏”型三路可控硅过零触发输出模块；

S4：自带隔离电源的光电隔离RS485通讯接口模块；

L1：继电器触点开关输出模块；

仪表的调节功能采用先进的AI人工智能PID调节算法。AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。改进后的PID参数是采用宇电特有的M 5、P、t等控制参数来表示的。

调试方式：控制仪表AI-708PAK3L1L1S4增强型智能调节器 ，三相过零触发控制。

5、调试方式：

   程序仪表自整定时把第一段程序设置为常用温度或最高温度启动自整定，此时时间停止运行。

参数设定后首先要自整定。AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。

AI系列调节仪表还具备参数自整定功能，AI人工智能调节方式初次使用时，可启动自整定功能来协助确定M 5、P、t等控制参数。初次启动自整定时，可将仪表切换到显示状态①是PV测量值SV给定值的状态下，按住半园弧键并保持约2秒钟，此时仪表下显示器将闪动显示“At”字样，表明仪表已进入自整定状态。自整定时，仪表执行位式调节，经2~3次振荡后，仪表内部微处理器根据位式控制产生的振荡，分析其周期、幅度及波型来自动计算出M 5、P、t等控制参数。如果在自整定过程中要提前放弃自整定，可再按住半园弧键并保持约2秒钟，使仪表下显示器停止闪动“At”字样即可。视不同系统，自整定需要的时间可从数秒至数小时不等。仪表在自整定成功结束后，会将参数CtrL设置为3（出厂时为1）或4，这样今后无法从面板再按住键启动自整定，可以避免人为的误操作再次启动自整定。已启动过一次自整定功能的仪表如果今后还要启动自整定时，可以用将参数CtrL设置为2的方法进行启动。具体的操作要参考说明书。

系统在不同给定值下整定得出的参数值不完全相同，执行自整定功能前，应先将给定值设置在最常用值或是中间值上（对于AI-708P/808P程序型仪表，可通过修改当前程序段值来改变给定值以满足要求），如果系统是保温性能好的电炉，给定值应设置在系统使用的最大值上，再执行启动自整定的操作功能。参数CtI（控制周期）及dF（回差）的设置，对自整定过程也有影响，一般来说，这2个参数的设定值越小，理论上自整定参数准确度越高。但dF值如果过小，则仪表可能因输入波动而在给定值附近引起位式调节的误动作，这样反而可能整定出彻底错误的参数。推荐CtI=0-2，dF=2.0。此外，基于需要学习的原因，自整定结束后初次使用，控制效果可能不是最佳，需要使用一段时间（一般与自整定需要的时间相同）后方可获得最佳效果。

   在使用过程中AI调节器 结合PID调节、自学习及模糊控制技术，实现了自整定/自适应功能及无欠调的精确调节，性能远优于传统PID调节器。

三、结束语   
   AIMINI-DCS超小型集散监控系统在真空热处理炉实现了智能化程序控温，对真空热处理行业：真空冶炼炉、真空热处理炉、真空浸渍设备和真空镀膜机等大型成套设备，研究完善向机电一体化方向发展。随着真空热处理技术及其应用的不断完善和发展，高质量、低成本，热处理的节能、精密、高效、环保、的持续发展，

   采用AIMINI-DCS超小型集散监控系统在真空热处理炉又是一创新技术，它有助于提高热处理质量、提高生产效率、降低生产成本、促进我国热处理行业的技术发展。

   由于采用了AI人工智能调节器具备优良的测量和控制性能，采用可控硅控制为电炉控制柜改造设计带来前所未有的方便。例如其输出可配用具备“烧不坏”特性的可控硅触发模块，能直接用时间比例过零、周波过零或移相方式触发各种单向、双向可控硅及功率模块，不仅降低成本，简化了安装并提高了可靠性。
   近年随着电气控制技术的发展，真空热处理炉自动控制系统得到了快速的发展，AIMINI-DCS超小型集散监控系统的功能不断提高，控制系统都得到了很好应用和发展。开发采用由数字通讯控制仪表＋HMI人机界面的真空热处理炉自动控制系统，使真空热处理炉的技术更具有飞跃的提高。