工件加熱之后進行淬火處理,為了保證產品性能和減少變形開裂造成的廢品,有必要對淬火過程實施精確的控制。這也是這些年來熱處理淬火工藝裝備的發展方向。今后必將有更多的,針對特定工件的,能夠對淬火過程實現精準控制的專有裝備出現。制自動控制涉及到冷卻速度、冷卻流場控制等方面,尤其是對于工件厚度差異大、處理工藝段數多和工藝段的時間變化大的情況,對生產控制系統也相應地提出了更復雜的要求,人工控制工藝過程變得非常困難。對于工藝的確定和優化,傳統試驗方法顯然也是非常困難的。下面以某大尺寸工件冷卻處理為例,介紹了智能化大型塑料模具鋼自動淬火設備的冷卻過程控制。這個工件需要經過:空冷→噴水冷→噴霧冷→噴水冷一噴霧冷→噴水冷→鼓風冷→噴水冷→鼓風冷→噴水冷→鼓風冷等多達十多段工藝,冷卻過程非常迅速,時間精度必須控制在毫秒以內。
巨型核電轉子完成熱處理
1 新型淬火設備控制系統的設計要求
1.1 新型淬火控制設備對控制系統提出的要求
復合淬火工藝和傳統淬火工藝有著巨大差異,自然也就對控制系統提出了許多新的要求,主要表現為:
1.1.1 集中性
復合淬火設備的結構需要使用到更多的組件和設備單元,如導流風機、注水泵機組、閥門系統等。每一個淬火形式的實現都要求眾多設備和組件的協同運作。
1.1.2 精確性
過度冷卻工件會出現工件開裂的危險;工件冷卻速度太慢又導致工件心部出現珠光體組織,造成淬火失敗。因而控制系統必須能保證淬火控制是高度精確的。
1.1.3 可靠性
淬火處理的過程是一個連續不可逆的過程,在處理過程中既不能暫停,也不可以重復逆加工。這就要求控制系統在控制生產的過程中有更高的可靠性來保證。
1.1.4 智能化的要求
智能化控制系統是當前工業控制發展的趨勢,也是自動化、集成化生產的需要。對于新型淬火控制系統而言,智能化主要體現在以下兩個方面:1) 工藝控制的智能化。對于不同尺寸的工件,其淬火工藝內容也各不相同。采用人工方式進行工藝內容的設定,顯然是繁瑣且不可靠的,因而這就要求控制系統具有自動優選淬火工藝參數的能力,以應對大批量、多尺寸、多材質工件的生產。2) 生產管理的智能化。工業自動化、智能化管理的發展越來越要求生產現場的控制系統能夠提供必要的生產信息,以幫助整個企業的集中管理。因而新型控制系統應該具備自動保存和管理加工過程信息等功能,為智能化管理提供幫助。
1.2 控制系統的設計思路
DDC(Direct Digital Control 數字直接控制)單元控制模式的優勢在于結構簡單,性能可靠,有一定的控制精度,可以基本滿足控制系統可靠性和精確性的要求。但是,由于DDC控制模式控制對象過于單一,且智能化水平太低,因而無法滿足新型控制系統的設計要求。所以,控制系統需要采用以下幾個方面的內容:
1.2.1 控制模式采用 SPC (Statistical Process Control 簡稱統計過程控制,亦即監督控制)控制模式
SPC控制模式采用上位機與多組 DDC單元組合的集中控制模式,可以提供很好的智能化和集成化的控制能力。整個新型淬火槽系統中需要控制的設備主要是泵機組、風機機組、閥門系統等,這些設備的控制量基本是邏輯開關量,因而SPC系統中 DDC單元應采用可編程序控制器(PLC) 。
1.2.2 在控制結構上采用三級獨立控制結構
根據SPC控制模式的要求,應該把整個控制系統結構劃分為三個獨立的部分:傳感與執行部分、電氣集中控制部分(PLC控制部分)以及上位機控制部分(軟件控制部分)。傳感與執行部分是直接與被控設備集成在一起的部分。由各種溫度、壓力、電壓電流等傳感設備組成的傳感系統,為整個控制系統提供詳細的設備運轉狀況信息,是控制系統進行控制和判別的主要依據來源。執行機構是控制系統實施具體控制行為的對象,主要包括淬火設備上各種泵、風機、閥門的電氣開關。電氣集中控制部分,也就是 PLC 控制部分。其主要由可編程序控制器(PLC) 和電氣控制開關組組成,是對傳感與執行部分進行集中、協調控制的主體。可編程序控制器(PLC ) 是整個控制系統的核心部件之一,其高度的可靠性和強大的邏輯控制能力是整個淬火控制過程協調、集中和穩定的主要保證。同時,可編程控制器(PLC) 精確到毫秒級的控制精度也可以滿足控制系統精確控制的要求。上位機控制部分是整個控制系統中最智能化的部分,是實現智能化控制的核心部件。控制系統的所有指令和工藝內容都是由軟件系統發送給電氣集中控制部分中的可編程控制器(PLC)來加以具體實現的。可以說,軟件控制系統是整個控制系統的大腦,也是實現控制系統智能化要求的主體。
1.2.3 控制系統的冗余設計
可靠性要求包括正常和異常情況下都可以進行穩定控制。為此,系統就必須進行冗余設計。一個是傳感和執行部件的冗余設置。一些主要控制部件上的傳感設備應該采用兩個獨立的傳感部件,以保證信號的可靠性。同時在可編程控制器(PLC) 端的信號判別上需要作相應的自鎖和互鎖處理,進一步保證不會由于傳感器的信號異常造成控制系統的誤判操作。對于執行機構的反饋信號也應作類似處理,以避免出現控制脫節現象。另一個方面是上位機與可編程控制器(PLC) 之間指令傳送的冗余處理。上位機傳送的控制指令必須是完整無誤的,任何傳送上的缺失都將直接導致淬火運行內容的錯誤執行。考慮到現場強電磁信號對通信線路的干擾作用,上位機傳送指令的方式應盡量采用少批量、多內容、附加校驗的方式。
1.2.4 控制系統的自恢復設計
為在實際生產過程中,控制系統能迅速可靠地從萬一出現的非正常中斷或異常失控的現象中恢復控制,控制系統需要有自恢復設計。這種復位操作的具體內容應包括以下兩個方面:一個是集中電氣控制部分的復位處理,主要是可編程控制器(PLC) 的復位。有兩種模式,一種是全部數據和信號設定為默認狀態;另一種是自動恢復到上一個合理的運行狀態。考慮到多數異常的發生都是瞬間性的,因而盡量采用第2種模式來進行可編程控制器(PLC) 的復位。另一個是軟件控制系統的復位。軟件系統的復位操作主要是迅速恢復到上一個正常的運行狀態。這一狀態的恢復必須要與可編程序控制器(PLC ) 的狀態相一致。這是因為軟件控制系統是整個控制系統中最智能化的部分,最容易判別其他控制部分的狀態以進行自身的調節。
數字控制流場淬火槽
2 控制系統的結構組成與功能實現
2.1 控制系統的結構組成
智能化自動淬火槽設備的控制系統結構如圖1 所示。整個控制系統被劃分成3個部分:傳感與執行機構、集中電氣控制以及上位機控制部分。
▲圖1 智能化自動淬火槽設備的控制系統
2.2 可編程控制器(PLC) 的控制功能實現
可編程控制器(PLC) 是集中電氣控制系統部分的核心,是整個硬件控制回路的中心環節。PLC的控制精度,運行的穩定性、可靠性就直接決定了整個硬件控制回路的控制精度、穩定性以及可靠性。根據研究開發的淬火設備對控制系統的要求,提出了一個兼顧靈活性、通用性、可靠性及精確性的新型控制模式——模塊化 PLC 控制模式。這種控制模式的基本思路是,在可編程控制器(PLC) 內部,將各種基本的淬火加工所需的控制內容以模塊的形式進行固化;同時在可編程序控制器(PLC ) 內建立一個控制順序和選項表單。在開始加工控制前,由上位機智能化地規劃好加工工藝內容,并按表單的形式傳送給可編程序控制器PLC。開始加工后,PLC按照控制表單的內容順序,調用各個固化控制模塊的內容對設備進行控制。
▲圖2 模塊化PLC控制模式的控制流程
模塊化 PC 控制模式的控制流程采用了一種循環結構來代替傳統的順序結構。每一次循環依次進行的操作是:取得下一個工藝階段的控制時間,對控制計時器進行賦值,取得下一個工藝階段的控制內容,根據控制內容選擇操作類型(或結束控制),控制操作執行后啟動控制計時器,判斷計時是否結束。計時結束后,更新工藝控制標志繼續下一個循環操作。采用這種循環式的控制流程,充分體現了模塊化設計的特點,提高了流程控制的效率,避免了冗長的重復控制,控制的結構更加清晰。同時,這種循環結構的控制靈活性和通用性很高,如需要改變控制工藝的內容和順序,只需要對取得工藝內容和時間的數據源進行少量修改,而不必對整個控制結構進行修改和重新編制。由于工藝內容和時間的數據源一般都是通過軟件控制系統進行傳送和設定的,這樣的流程結構就有效地把PLC控制和軟件控制系統隔離開來。只要在傳送數據上保持協調一致,兩部分可以分別獨立地進行設計和改動。顯然相對于傳統控制 PLC梯形圖結構,新型控制模式的控制梯形圖有兩個顯著的特點。一是新型控制模式是循環結構,采用了地址跳轉的操作。傳統控制梯形圖是順序控制過程,因而地址也是連續分布的。二是新型控制模式的控制梯形圖中還存在數據設定和傳遞的操作,這是傳統控制梯形圖中沒有的。傳統控制梯形圖中的所有內容和數據都是預先固化的;而新型控制模式中每次循環都需要重新設定相關的跳轉地址和計時器數據,因而要使用到數據設定的操作。
某大型軸 井內噴射淬火現場
3 控制軟件與功能實現
需要具有更高智能的控制軟件系統進行指導和監督。該系統控制軟件由4個主要的功能模塊組成,分別是:工藝管理模塊、生產管理模塊、輸入輸出模塊以及數據顯示模塊。這4個功能模塊的組成結構和相互關系可以通過圖3 來表示,圖中箭頭表明了數據的流向。
▲圖3 控制軟件系統的結構示意圖
3.1 工藝管理模塊和生產管理模塊的功能及其實現
工藝管理模塊和生產管理模塊是整個控制軟件系統的核心部分。工藝管理模塊提供智能規劃,管理淬火工藝數據的功能,是實現淬火工藝設計和自動化的基礎和保證;生產管理模塊提供了對淬火過程中各種狀態信息的收集和保存,是實現淬火生產管理和自動化的前提和保障。工藝管理模塊需要操作的主要數據文件分為兩種:工藝控制文件和工藝數據庫文件。工藝控制文件存儲的是進行實際淬火加工所需要進行的控制內容。工藝控制文件的結構應與 PLC 控制時使用的數據源的結構相統一,以便于在傳送時進行數據格式的轉換。工藝數據庫文件是存放大量原始工藝數據的文件,這些數據主要來源于計算機的數值模擬以及實際試驗的測定。工藝數據庫文件是實現智能化、自動化制定淬火工藝的基礎和依據。實際生產中,零件的尺寸是多種多樣的,往往無法直接在工藝數據庫文件中找到對應的工藝數據信息。這就需要在有限的數據信息中,通過數據挖掘的方式得到對應模塊尺寸的淬火加工工藝數據。數據庫中現有數據信息的結構是二維數據表格,采用分段線性插值的算法代替線性插值算法進行求解。工藝管理模塊智能化規劃加工工藝內容的實現流程如圖4 所示。首先需要確定加工模塊的材料,然后選定相應的工藝數據庫文件,通過數值插值求解的方法得到實際加工模塊對應的工藝控制內容,將工藝控制內容保存為對應文件,最后通過輸入輸出模塊傳送給可編程序控制器進行實際加工控制。生產管理模塊的主要作用是對淬火加工過程中各種控制狀態信息的收集和保存。控制信息可以分為兩大類,一類是關于淬火工藝內容的狀態信息;另一類是關于具體各個設備的狀態信息。關于淬火工藝內容的狀態信息,主要是用以描述當前工藝加工控制所處的階段和狀況。這些信息主要包括:當前所處的控制階段(索
引序數)、當前控制階段的控制類型、當前控制階段需要的總控制時間、當前控制階段已經處理的時間(或是剩余處理時間)等。此外,關于淬火工藝內容的狀態信息還包括整個加工工藝的相關信息,如本次淬火加工的編號、本次淬火加工的工藝控制、本次淬火加工的操作人員信息、本次淬火加工的加工模塊信息等,以便于軟件控制系統對當前的加工狀態有更為全面的掌控。
具體各個設備的狀態信息主要是用來描述當前各個設備的實際運轉狀態的信息。這些信息主要通過硬件控制回路中的可編程序控制器(PLC )給出。此外,有些設備系統中還會采用輔助儀表等設備來給出額外的狀態信息(如溫度、氣壓等數據)。
3.2 輸入輸出模塊和數據顯示模塊的功能及其實現
輸入輸出模塊和數據顯示模塊是控制軟件系統的接口模塊,分別連接著控制硬
件回路端的可編程序控制器(PLC) 和生產管理人員。輸人輸出模塊的作用是接受工藝管理模塊規劃的淬火加工工藝,并將這些工藝信息轉化為數據源形式發送給可編程序控制器(PLC) , 同時接收可編程序控制器(PLC) 端的控制狀態信息,集中發送給生產管理模塊使用。數據顯示模塊的任務是把各種控制狀態信息顯現給生產管理人員,同時接收管理人員的控制指令,對工藝管理模塊和生產管理模塊進行調控。
輸入輸出模塊是控制軟件系統的接口模塊,是連接控制硬件回路和控制軟件回路的橋梁。其操作包含3個主要內容:數據轉換、校驗處理以及傳送(或接收)。圖5 a)所示為傳送數據操作流程。
對于傳送數據的校驗處理,一般的想法是在傳送的數據源中添加相應的校驗碼來完成,但是考慮到可編程序控制器(PLC) , 其本身的數學運算能力十分有限,無法自行完成校驗碼的運算操作。因而在實際操作中,我們采用回讀數據的方式進行校驗處理,即在完成發送操作后,對對應的PLC內存數據進行一次讀取操作,將讀取到的數據源數據與原始發送數據進行對比校驗。對于傳送中出現失敗時的處理,也采用了冗余的設計方式,即出現一次錯誤后自動進行再次發送處理,以避免偶爾的信號異常影響了加工控制信息的傳送。只有在連續出現一定次數(一般為3～5次)的發送失敗后,軟件系統才會中止傳送操作,并提示操作失敗。接收生產加工過程中控制狀態信息的操作是一個周期性的操作,每隔一定的時間周期就執行一次,直至生產加工控制結束。圖5 b)所示為接收數據操作流程。數據顯示模塊是溝通控制軟件系統和操作管理人員的橋梁,其作用是為操作管理人員提供一個直觀、便捷的監測管理界面。其主要功能有:實時顯示淬火生產加工過程中各種控制狀態信息;為用戶提供管理工藝控制文件的界面;為用戶提供管理和查詢生產加工記錄文件的界面。通過圖表、動畫等形式表現實時顯示淬火生產加工過程中各種控制狀態信息,以便操作管理人員對淬火處理生產過程進行監管。圖6 所示,為數據顯示模塊提供的管理工藝控制文件界面的模塊結構和運作流程。管理和查詢生產加工記錄文件的界面是數據顯示模塊提供的另一個主要功能。這一界面主要需要提供兩個功能,一個是提供生產加工記錄的查詢功能;另一個是對生產記錄文件導出、打印等操作功能。
某鋼板淬火噴射場圖片
4 智能控制系統的特點
對比以往在淬火加工中采用的控制系統,智能控制系統具有以下的特點:
4.1 整個控制系統分為兩個獨立的控制回路
控制硬件回路和控制軟件回路。兩個控制回路相對獨立運作,同時又通過數據源的形式有機的結合在一起。兩個子系統可以各自獨立的設計、制造、運作及改進,大大提高了兩個系統靈活性和擴展性。
4.2 可編程控制器(PLC) 采用循環結構的模塊化 PC控制模式
可編程控制器(PLC) 采用了循環結構的控制模式,通過數據源提供的控制數據才進行每一次的淬火加工控制。
4.3 上位機系統的脫機智能控制
在一般的SPC控制結構中,若上位機系統失靈或異常,就會導致整個控制系統的失靈或異常。而實際生產現場中,存在許多不安全的因素(如強電磁場干擾、意外的斷電等)。該機構中采用了數據源一次性傳送加工控制信息的運作模式,上位機不直接干預加工的控制行為。因此,可編程序控制器(PLC) 的運轉穩定性遠遠強于一般的工業控制計算機(包括數據通信部件的正常運作)。
4.4 加工控制對象和內容具有通用性、可擴展性。
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