AIMINI-DCS超小型監(jiān)控系統(tǒng)在真空熱處理爐應(yīng)用

                       廈門宇電自動自動化科技有限公司  開發(fā)部  邵平

關(guān)鍵詞：真空熱處理爐、AI程序調(diào)節(jié)器、
一、概述：

我國真空工業(yè)經(jīng)過50多年的發(fā)展，已形成了門類齊全結(jié)構(gòu)完整的工業(yè)體系，肩負起對國民經(jīng)濟各領(lǐng)域進行技術(shù)裝備的重任。多年來，行業(yè)企業(yè)通過技術(shù)引進、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)量都有顯著的提高。從產(chǎn)品產(chǎn)量、品種、規(guī)格和質(zhì)量上，基本都能滿足國民經(jīng)濟各部門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(chǔ)行業(yè)(鑄造、鍛造、熱處理、焊接)之一，是機械產(chǎn)品制造過程中一個十分重要的關(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(nèi)部組織結(jié)構(gòu)而達到預(yù)期的性能要求。它是保證機械零件和工模具內(nèi)在質(zhì)量的主要手段，是充分發(fā)揮金屬材料潛力、節(jié)約材料的有效途徑。正確地進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，工件入爐后通過抽氣將爐內(nèi)空氣排出，達到快速排氣，減少換氣時間，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(shè)備，先進的熱處理設(shè)備不僅能正確完成熱處理工藝而且兼有節(jié)能、防止污染功能，從而實現(xiàn)節(jié)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(jiān)控系統(tǒng)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(shù)據(jù)存儲在HMI人機界面數(shù)據(jù)庫中。

   在真空熱處理爐安裝的自動換氣裝置，自動進排氣，爐門自動開啟，小車自動移動，爐火運動狀態(tài)，在AI-2070無紙記錄儀流程圖中更直觀的顯示。                 圖1

二、AIMINI-DCS超小型集散監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域

是采用【傳統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)】填補了監(jiān)控加記錄小型化設(shè)置的空白，使快速組建小型成為現(xiàn)實。

AIMINI-DCS超小型集散監(jiān)控系統(tǒng)在真空熱處理爐實現(xiàn)了智能化程序控溫，爐門自動開啟，小車自動移動，爐火運動狀態(tài)，數(shù)據(jù)的記錄。監(jiān)控有豐富的顯示畫面；強大的設(shè)置功能；完善的程序控制處理；實用方便的數(shù)據(jù)統(tǒng)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(shù)字調(diào)節(jié)儀表來控制電爐可控硅，HMI人機界面流程圖顯示小車、爐火運動狀態(tài)并就記錄電爐控溫曲線；

控制柜安裝HMI人機界面，通過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(diào)節(jié)器，AI－3011開關(guān)量模塊配合使用。

在電爐程序控溫時在觸摸屏上可顯示雙曲線運行圖、屏內(nèi)儲存15段升降溫程序、程序圖形重顯；可即時設(shè)置、讀取，上下傳升溫、恒溫、降溫程序配方；無紙記錄儀曲線圖。

   在屏上控制操作程序儀表【啟動】【停止】【暫停】、在運行狀態(tài)下切換【手動/自動】狀態(tài)，手動控制輸出量；即時修改【段號】，指定運行段；及修改儀表控制參數(shù)等多種功能；追憶記錄的溫度曲線數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)報表、報警報表的打印

①實時程序監(jiān)控6個數(shù)據(jù)，運行狀態(tài)與數(shù)據(jù)同時顯示，動畫編輯安裝通訊地址來安排連接。

②觸摸屏參數(shù)設(shè)置、升降溫程序配方曲線保存上傳、下載：

對于518P、708P、808P程序參數(shù)設(shè)置，點擊【運行控制】，進入【手/自動、編程設(shè)置控制平臺】；在【編程界面】用組別配方來設(shè)置程序段【C01】和【T01】表示，點擊組名T01下的時間段寫入實際時間值分鐘如15分鐘寫入【15】；設(shè)置好程序配方選中配方組。

③數(shù)據(jù)保持：采樣時間默認為6秒，用戶可以設(shè)定的范圍是：6秒~3600秒；用戶可以設(shè)定的范圍是：60分~300分；數(shù)據(jù)保存按先進先出的原則；觸摸屏的外插U盤來保存數(shù)據(jù)；標(biāo)配2G的電子硬盤。

數(shù)據(jù)可通過微型打印機打印數(shù)據(jù)報表、曲線；或通過U盤在PC上備份Excel電子表格數(shù)據(jù)至上位計算機。按年/月/日/小時來保存數(shù)據(jù)源文件。

④在觸摸屏上用多曲線的形式來直觀的顯示記錄U盤中的數(shù)據(jù)，顯示該時間段內(nèi)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(shù)通道可將儀表地址編排在同一組顯示趨勢曲線，這樣就更好的進行比較分析工藝參數(shù)的對象變化。點擊【數(shù)據(jù)框】返回【實時畫面】通道?？蛇x擇啟用單條或6條曲線顯示趨勢變化；查詢歷史數(shù)據(jù)設(shè)置起始時間及時間跨度；設(shè)置數(shù)據(jù)范圍使曲線顯示在圖表中央，不同的數(shù)據(jù)范圍啟用單條查詢。觸摸屏顯示是當(dāng)前的起始時間，改倒退起始時間：年/月/日/時/分/秒；修改時間跨度：時/分/秒設(shè)置；點擊【確認】按鈕，系統(tǒng)即刻顯示歷史曲線、數(shù)據(jù)報表；報警報表。

   查看曲線：點擊【查看曲線】按鈕，可以顯示在報表中已查詢到的并以報表方式顯示出來的數(shù)據(jù)，以曲線的形式顯示出來。上圖顯示的曲線可分為幾個部分的內(nèi)容：

2、隨時打印

    配備微型打印機在觸摸屏上直接點擊打印按鈕可打印歷史數(shù)據(jù)、曲線。

數(shù)據(jù)曲線查詢打?。菏謩釉O(shè)置查詢的報表時間內(nèi)容，打印每行5個數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)曲線即時打?。菏謩哟蛴‘?dāng)前剛剛采集到的報表內(nèi)容，每行5個數(shù)據(jù)，連續(xù)換行；圖2

二、先進溫度控制設(shè)備

    真空熱處理爐系統(tǒng)中我們采用了先進的AI人工智能調(diào)節(jié)器。AI調(diào)節(jié)器是控溫系統(tǒng)的核心部分，AI儀表首創(chuàng)性地采用了平臺概念，將非常專業(yè)化的數(shù)字調(diào)節(jié)儀表轉(zhuǎn)為平臺化設(shè)計的產(chǎn)品，采用的是AI人工智能調(diào)節(jié)算法是采用模糊規(guī)則進行PID調(diào)節(jié)的一種新型算法，在誤差大時，運用模糊算法調(diào)節(jié)，以消除PID飽和積分現(xiàn)象，當(dāng)誤差趨小時，采用改進后的PID算法進行調(diào)節(jié)，并能在調(diào)節(jié)中自動學(xué)習(xí)和記憶被控對象的部分特征以使效果最優(yōu)化。   圖3

   自整定方法簡單應(yīng)用方便：由于自整定執(zhí)行時采用位式調(diào)節(jié)，經(jīng)2~3次振蕩后，儀表內(nèi)部微處理器根據(jù)位式控制產(chǎn)生的振蕩，分析其周期、幅度及波型來自動計算出M 5、P、t等控制參數(shù)。具有無超調(diào)、高精度、參數(shù)確定簡單、對復(fù)雜對象也能獲得較好的控制效果等特點。

   在使用過程中AI調(diào)節(jié)器 結(jié)合PID調(diào)節(jié)、自學(xué)習(xí)及模糊控制技術(shù)，實現(xiàn)了自整定/自適應(yīng)功能，及無欠調(diào)的精確調(diào)節(jié)，性能遠優(yōu)于傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器。

1、控制系統(tǒng)硬件配置：

程序儀表AI-708PAK3L1L1S4；AI-3011D5；AI-3070C總線式無紙記錄儀。傳感器有溫度傳感器選用K型熱電偶；真空計；控制系統(tǒng)見上圖1。爐門傳動控制系統(tǒng)執(zhí)行前后爐門的升降操作，爐門控制系統(tǒng)為點動操作控制。電氣控制上具有上下限及升降聯(lián)鎖控制。    
2、系統(tǒng)控制功能
    真空熱處理爐，對小型工、模具的淬火和回火等。為滿足被處理材料的工藝要求，加熱時，處理爐上下閥門關(guān)閉，工件區(qū)全封閉，加熱器周邊均布，因而熱損小，溫度均勻。由于熱區(qū)材料選用電爐絲、陶瓷纖維不銹鋼材料，工件環(huán)境純潔，無高溫揮發(fā)物質(zhì)污染被處理材料。冷卻時，上下閥打開，通過爐子后部特殊設(shè)計的風(fēng)冷換熱系統(tǒng)，可對爐內(nèi)工件進行強制氣體循環(huán)冷卻。一般來說，燒結(jié)工藝對設(shè)備的真空度、溫度等參數(shù)要求較高，特別是對溫度控制的要求十分苛刻，最大溫差一般不允許超過給定值的±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(jù)真空燒結(jié)爐的特點，采用AI儀表構(gòu)成的模糊控制器對爐溫進行自動檢測和調(diào)節(jié)，達到均勻加熱的目的。

   控制系統(tǒng)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間規(guī)律自動改變給定值進行控制的場合。它具有強大的編程及操作能力，可進一步提高控制設(shè)備的自動化程度。它具備50段程序編排功能，可設(shè)置任意大小的給定值升/降斜率；具有跳轉(zhuǎn)、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。可通過報警輸出控制其他設(shè)備聯(lián)鎖動作，進一步提高設(shè)備自動化能力；可通過安裝外部開關(guān)執(zhí)行程序運行/暫停/停止等操作，以實現(xiàn)連鎖、同步啟動運行或方便操作；具有停電處理模式、測量值啟動功能及準(zhǔn)備功能，使程序執(zhí)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(dāng)前段(STEP)表示目前正在執(zhí)行的段。
    設(shè)定時間：指程序段設(shè)定運行的總時間，單位是min，有效數(shù)值從1－9999。
    運行時間：指當(dāng)前段已運行時間，當(dāng)運行時間達到設(shè)置時間時，程序自動跳下一段運行。
    跳轉(zhuǎn)：程序段可編程為自動跳轉(zhuǎn)到1－30段中的任意段執(zhí)行，可實現(xiàn)循環(huán)控制。通過修改STEP的數(shù)值也可實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)。
    運行/暫停（run/HoLd）：程序在運行狀態(tài)時，計時，給定值按預(yù)先編排的程序曲線變化。程序在暫停狀態(tài)下，停止計時，給定值保持不變。儀表能在程序段中編入暫停操作，也可由人隨時執(zhí)行暫停/運行操作。暫停狀態(tài)下儀表仍然保持調(diào)節(jié)功能。

  停止（stoP）：執(zhí)行停止操作，將使程序停止運行，此時運行時間被清0，事件輸出開關(guān)復(fù)位，并且停止控制輸出。在停止?fàn)顟B(tài)下執(zhí)行運行操作，則儀表將從STEP設(shè)置的段號啟動運行程序?？稍诔绦蚨沃芯幦胱詣油Ｖ沟墓δ埽⑼瑫r對運行段號STEP值進行設(shè)置。也可人為隨時執(zhí)行停止操作（執(zhí)行后STEP被設(shè)置為1，不過用戶可再進行修改）。
    事件輸出：由程序編排發(fā)生?？稍诔绦蜻\行中控制2路報警開關(guān)動作，以方便控制各種外部設(shè)備同步或連鎖工作。
    停電/開機事件：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選擇。用戶可以通過設(shè)置儀表的參數(shù)（run）設(shè)置儀表重新上電后的運行狀態(tài)。
    準(zhǔn)備（rdy）/測量值啟動功能：在啟動運行程序由于爐體的溫度和儀表設(shè)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，儀表并不立即進行正（或負）偏差報警，而是先將測量值調(diào)節(jié)到其誤差小于偏差報警值，此時程序也暫停計時，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程序。準(zhǔn)備/測量值啟動功能用于設(shè)置無法預(yù)知升／降溫時間的段也十分有用。要允許或取消準(zhǔn)備/測量值啟動功能，可在run參數(shù)中進行設(shè)置。準(zhǔn)備/測量值啟動功能可保證了運行整條程序曲線的完整性，準(zhǔn)備/測量值啟動功能用于解決啟動運行時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、完整并符合用戶要求程序運行結(jié)果。   

   程序曲線的編排：

程序曲線的編排；程序表調(diào)節(jié)器可用于按一定時間規(guī)律自動改變給定值進行控制的場

合。程序是按【溫度－時間－溫度】的格式來程序升溫，具有50段程序編程功能，可設(shè)置任意大小的給定值升、降斜率；具有跳轉(zhuǎn)（目標(biāo)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。可通過報警輸出控制其他設(shè)備聯(lián)鎖動作如：警燈、風(fēng)機、報警，進一步提高設(shè)備自動化能力；具有停電處理模式、測量值啟動功能及準(zhǔn)備功能，使程序執(zhí)行更有效率及更完善。

 4、參數(shù)設(shè)置：

   根據(jù)系統(tǒng)的要求我們可以選用各種儀表類型如AI-708PAK3L1L1S4型

   AI-708P智能調(diào)節(jié)器增加了30+20段時間程序控制功能，前30段可編程為自動跳轉(zhuǎn)執(zhí)行,實現(xiàn)循環(huán)控制,采用先進的模塊化設(shè)計，具備5個功能模塊插座：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(shè)置為熱電偶、熱電阻和線性電流（電壓），具體模塊功能如下；

K3：“燒不壞”型三路可控硅過零觸發(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：繼電器觸點開關(guān)輸出模塊；

儀表的調(diào)節(jié)功能采用先進的AI人工智能PID調(diào)節(jié)算法。AI人工智能調(diào)節(jié)算法是采用模糊規(guī)則進行PID調(diào)節(jié)的一種新型算法，在誤差大時，運用模糊算法進行調(diào)節(jié)，以消除PID飽和積分現(xiàn)象，當(dāng)誤差趨小時，采用改進后的PID算法進行調(diào)節(jié)，并能在調(diào)節(jié)中自動學(xué)習(xí)和記憶被控對象的部分特征以使效果最優(yōu)化。具有無超調(diào)、高精度、參數(shù)確定簡單、對復(fù)雜對象也能獲得較好的控制效果等特點。改進后的PID參數(shù)是采用宇電特有的M 5、P、t等控制參數(shù)來表示的。

調(diào)試方式：控制儀表AI-708PAK3L1L1S4增強型智能調(diào)節(jié)器 ，三相過零觸發(fā)控制。

5、調(diào)試方式：

   程序儀表自整定時把第一段程序設(shè)置為常用溫度或最高溫度啟動自整定，此時時間停止運行。

參數(shù)設(shè)定后首先要自整定。AI人工智能調(diào)節(jié)算法是采用模糊規(guī)則進行PID調(diào)節(jié)的一種新型算法，在誤差大時，運用模糊算法進行調(diào)節(jié)，以消除PID飽和積分現(xiàn)象，當(dāng)誤差趨小時，采用改進后的PID算法進行調(diào)節(jié)，并能在調(diào)節(jié)中自動學(xué)習(xí)和記憶被控對象的部分特征以使效果最優(yōu)化。具有無超調(diào)、高精度、參數(shù)確定簡單、對復(fù)雜對象也能獲得較好的控制效果等特點。

AI系列調(diào)節(jié)儀表還具備參數(shù)自整定功能，AI人工智能調(diào)節(jié)方式初次使用時，可啟動自整定功能來協(xié)助確定M 5、P、t等控制參數(shù)。初次啟動自整定時，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，此時儀表下顯示器將閃動顯示“At”字樣，表明儀表已進入自整定狀態(tài)。自整定時，儀表執(zhí)行位式調(diào)節(jié)，經(jīng)2~3次振蕩后，儀表內(nèi)部微處理器根據(jù)位式控制產(chǎn)生的振蕩，分析其周期、幅度及波型來自動計算出M 5、P、t等控制參數(shù)。如果在自整定過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“At”字樣即可。視不同系統(tǒng)，自整定需要的時間可從數(shù)秒至數(shù)小時不等。儀表在自整定成功結(jié)束后，會將參數(shù)CtrL設(shè)置為3（出廠時為1）或4，這樣今后無法從面板再按住鍵啟動自整定，可以避免人為的誤操作再次啟動自整定。已啟動過一次自整定功能的儀表如果今后還要啟動自整定時，可以用將參數(shù)CtrL設(shè)置為2的方法進行啟動。具體的操作要參考說明書。

系統(tǒng)在不同給定值下整定得出的參數(shù)值不完全相同，執(zhí)行自整定功能前，應(yīng)先將給定值設(shè)置在最常用值或是中間值上（對于AI-708P/808P程序型儀表，可通過修改當(dāng)前程序段值來改變給定值以滿足要求），如果系統(tǒng)是保溫性能好的電爐，給定值應(yīng)設(shè)置在系統(tǒng)使用的最大值上，再執(zhí)行啟動自整定的操作功能。參數(shù)CtI（控制周期）及dF（回差）的設(shè)置，對自整定過程也有影響，一般來說，這2個參數(shù)的設(shè)定值越小，理論上自整定參數(shù)準(zhǔn)確度越高。但dF值如果過小，則儀表可能因輸入波動而在給定值附近引起位式調(diào)節(jié)的誤動作，這樣反而可能整定出徹底錯誤的參數(shù)。推薦CtI=0-2，dF=2.0。此外，基于需要學(xué)習(xí)的原因，自整定結(jié)束后初次使用，控制效果可能不是最佳，需要使用一段時間（一般與自整定需要的時間相同）后方可獲得最佳效果。

   在使用過程中AI調(diào)節(jié)器 結(jié)合PID調(diào)節(jié)、自學(xué)習(xí)及模糊控制技術(shù)，實現(xiàn)了自整定/自適應(yīng)功能及無欠調(diào)的精確調(diào)節(jié)，性能遠優(yōu)于傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器。

三、結(jié)束語   
   AIMINI-DCS超小型集散監(jiān)控系統(tǒng)在真空熱處理爐實現(xiàn)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(shè)備和真空鍍膜機等大型成套設(shè)備，研究完善向機電一體化方向發(fā)展。隨著真空熱處理技術(shù)及其應(yīng)用的不斷完善和發(fā)展，高質(zhì)量、低成本，熱處理的節(jié)能、精密、高效、環(huán)保、的持續(xù)發(fā)展，

   采用AIMINI-DCS超小型集散監(jiān)控系統(tǒng)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(diào)節(jié)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(shè)計帶來前所未有的方便。例如其輸出可配用具備“燒不壞”特性的可控硅觸發(fā)模塊，能直接用時間比例過零、周波過零或移相方式觸發(fā)各種單向、雙向可控硅及功率模塊，不僅降低成本，簡化了安裝并提高了可靠性。
   近年隨著電氣控制技術(shù)的發(fā)展，真空熱處理爐自動控制系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展，AIMINI-DCS超小型集散監(jiān)控系統(tǒng)的功能不斷提高，控制系統(tǒng)都得到了很好應(yīng)用和發(fā)展。開發(fā)采用由數(shù)字通訊控制儀表＋HMI人機界面的真空熱處理爐自動控制系統(tǒng)，使真空熱處理爐的技術(shù)更具有飛躍的提高。