工件加热之后进行淬火处理,为了保证产品性能和减少变形开裂造成的废品,有必要对淬火过程实施精确的控制。这也是这些年来热处理淬火工艺装备的发展方向。今后必将有更多的,针对特定工件的,能够对淬火过程实现精准控制的专有装备出现。制自动控制涉及到冷却速度、冷却流场控制等方面,尤其是对于工件厚度差异大、处理工艺段数多和工艺段的时间变化大的情况,对生产控制系统也相应地提出了更复杂的要求,人工控制工艺过程变得非常困难。对于工艺的确定和优化,传统试验方法显然也是非常困难的。下面以某大尺寸工件冷却处理为例,介绍了智能化大型塑料模具钢自动淬火设备的冷却过程控制。这个工件需要经过:空冷→喷水冷→喷雾冷→喷水冷一喷雾冷→喷水冷→鼓风冷→喷水冷→鼓风冷→喷水冷→鼓风冷等多达十多段工艺,冷却过程非常迅速,时间精度必须控制在毫秒以内。
巨型核电转子完成热处理
1 新型淬火设备控制系统的设计要求
1.1 新型淬火控制设备对控制系统提出的要求
复合淬火工艺和传统淬火工艺有着巨大差异,自然也就对控制系统提出了许多新的要求,主要表现为:
1.1.1 集中性
复合淬火设备的结构需要使用到更多的组件和设备单元,如导流风机、注水泵机组、阀门系统等。每一个淬火形式的实现都要求众多设备和组件的协同运作。
1.1.2 精确性
过度冷却工件会出现工件开裂的危险;工件冷却速度太慢又导致工件心部出现珠光体组织,造成淬火失败。因而控制系统必须能保证淬火控制是高度精确的。
1.1.3 可靠性
淬火处理的过程是一个连续不可逆的过程,在处理过程中既不能暂停,也不可以重复逆加工。这就要求控制系统在控制生产的过程中有更高的可靠性来保证。
1.1.4 智能化的要求
智能化控制系统是当前工业控制发展的趋势,也是自动化、集成化生产的需要。对于新型淬火控制系统而言,智能化主要体现在以下两个方面:1) 工艺控制的智能化。对于不同尺寸的工件,其淬火工艺内容也各不相同。采用人工方式进行工艺内容的设定,显然是繁琐且不可靠的,因而这就要求控制系统具有自动优选淬火工艺参数的能力,以应对大批量、多尺寸、多材质工件的生产。2) 生产管理的智能化。工业自动化、智能化管理的发展越来越要求生产现场的控制系统能够提供必要的生产信息,以帮助整个企业的集中管理。因而新型控制系统应该具备自动保存和管理加工过程信息等功能,为智能化管理提供帮助。
1.2 控制系统的设计思路
DDC(Direct Digital Control 数字直接控制)单元控制模式的优势在于结构简单,性能可靠,有一定的控制精度,可以基本满足控制系统可靠性和精确性的要求。但是,由于DDC控制模式控制对象过于单一,且智能化水平太低,因而无法满足新型控制系统的设计要求。所以,控制系统需要采用以下几个方面的内容:
1.2.1 控制模式采用 SPC (Statistical Process Control 简称统计过程控制,亦即监督控制)控制模式
SPC控制模式采用上位机与多组 DDC单元组合的集中控制模式,可以提供很好的智能化和集成化的控制能力。整个新型淬火槽系统中需要控制的设备主要是泵机组、风机机组、阀门系统等,这些设备的控制量基本是逻辑开关量,因而SPC系统中 DDC单元应采用可编程序控制器(PLC) 。
1.2.2 在控制结构上采用三级独立控制结构
根据SPC控制模式的要求,应该把整个控制系统结构划分为三个独立的部分:传感与执行部分、电气集中控制部分(PLC控制部分)以及上位机控制部分(软件控制部分)。传感与执行部分是直接与被控设备集成在一起的部分。由各种温度、压力、电压电流等传感设备组成的传感系统,为整个控制系统提供详细的设备运转状况信息,是控制系统进行控制和判别的主要依据来源。执行机构是控制系统实施具体控制行为的对象,主要包括淬火设备上各种泵、风机、阀门的电气开关。电气集中控制部分,也就是 PLC 控制部分。其主要由可编程序控制器(PLC) 和电气控制开关组组成,是对传感与执行部分进行集中、协调控制的主体。可编程序控制器(PLC ) 是整个控制系统的核心部件之一,其高度的可靠性和强大的逻辑控制能力是整个淬火控制过程协调、集中和稳定的主要保证。同时,可编程控制器(PLC) 精确到毫秒级的控制精度也可以满足控制系统精确控制的要求。上位机控制部分是整个控制系统中最智能化的部分,是实现智能化控制的核心部件。控制系统的所有指令和工艺内容都是由软件系统发送给电气集中控制部分中的可编程控制器(PLC)来加以具体实现的。可以说,软件控制系统是整个控制系统的大脑,也是实现控制系统智能化要求的主体。
1.2.3 控制系统的冗余设计
可靠性要求包括正常和异常情况下都可以进行稳定控制。为此,系统就必须进行冗余设计。一个是传感和执行部件的冗余设置。一些主要控制部件上的传感设备应该采用两个独立的传感部件,以保证信号的可靠性。同时在可编程控制器(PLC) 端的信号判别上需要作相应的自锁和互锁处理,进一步保证不会由于传感器的信号异常造成控制系统的误判操作。对于执行机构的反馈信号也应作类似处理,以避免出现控制脱节现象。另一个方面是上位机与可编程控制器(PLC) 之间指令传送的冗余处理。上位机传送的控制指令必须是完整无误的,任何传送上的缺失都将直接导致淬火运行内容的错误执行。考虑到现场强电磁信号对通信线路的干扰作用,上位机传送指令的方式应尽量采用少批量、多内容、附加校验的方式。
1.2.4 控制系统的自恢复设计
为在实际生产过程中,控制系统能迅速可靠地从万一出现的非正常中断或异常失控的现象中恢复控制,控制系统需要有自恢复设计。这种复位操作的具体内容应包括以下两个方面:一个是集中电气控制部分的复位处理,主要是可编程控制器(PLC) 的复位。有两种模式,一种是全部数据和信号设定为默认状态;另一种是自动恢复到上一个合理的运行状态。考虑到多数异常的发生都是瞬间性的,因而尽量采用第2种模式来进行可编程控制器(PLC) 的复位。另一个是软件控制系统的复位。软件系统的复位操作主要是迅速恢复到上一个正常的运行状态。这一状态的恢复必须要与可编程序控制器(PLC ) 的状态相一致。这是因为软件控制系统是整个控制系统中最智能化的部分,最容易判别其他控制部分的状态以进行自身的调节。
数字控制流场淬火槽
2 控制系统的结构组成与功能实现
2.1 控制系统的结构组成
智能化自动淬火槽设备的控制系统结构如图1 所示。整个控制系统被划分成3个部分:传感与执行机构、集中电气控制以及上位机控制部分。
▲图1 智能化自动淬火槽设备的控制系统
2.2 可编程控制器(PLC) 的控制功能实现
可编程控制器(PLC) 是集中电气控制系统部分的核心,是整个硬件控制回路的中心环节。PLC的控制精度,运行的稳定性、可靠性就直接决定了整个硬件控制回路的控制精度、稳定性以及可靠性。根据研究开发的淬火设备对控制系统的要求,提出了一个兼顾灵活性、通用性、可靠性及精确性的新型控制模式——模块化 PLC 控制模式。这种控制模式的基本思路是,在可编程控制器(PLC) 内部,将各种基本的淬火加工所需的控制内容以模块的形式进行固化;同时在可编程序控制器(PLC ) 内建立一个控制顺序和选项表单。在开始加工控制前,由上位机智能化地规划好加工工艺内容,并按表单的形式传送给可编程序控制器PLC。开始加工后,PLC按照控制表单的内容顺序,调用各个固化控制模块的内容对设备进行控制。
▲图2 模块化PLC控制模式的控制流程
模块化 PC 控制模式的控制流程采用了一种循环结构来代替传统的顺序结构。每一次循环依次进行的操作是:取得下一个工艺阶段的控制时间,对控制计时器进行赋值,取得下一个工艺阶段的控制内容,根据控制内容选择操作类型(或结束控制),控制操作执行后启动控制计时器,判断计时是否结束。计时结束后,更新工艺控制标志继续下一个循环操作。采用这种循环式的控制流程,充分体现了模块化设计的特点,提高了流程控制的效率,避免了冗长的重复控制,控制的结构更加清晰。同时,这种循环结构的控制灵活性和通用性很高,如需要改变控制工艺的内容和顺序,只需要对取得工艺内容和时间的数据源进行少量修改,而不必对整个控制结构进行修改和重新编制。由于工艺内容和时间的数据源一般都是通过软件控制系统进行传送和设定的,这样的流程结构就有效地把PLC控制和软件控制系统隔离开来。只要在传送数据上保持协调一致,两部分可以分别独立地进行设计和改动。显然相对于传统控制 PLC梯形图结构,新型控制模式的控制梯形图有两个显著的特点。一是新型控制模式是循环结构,采用了地址跳转的操作。传统控制梯形图是顺序控制过程,因而地址也是连续分布的。二是新型控制模式的控制梯形图中还存在数据设定和传递的操作,这是传统控制梯形图中没有的。传统控制梯形图中的所有内容和数据都是预先固化的;而新型控制模式中每次循环都需要重新设定相关的跳转地址和计时器数据,因而要使用到数据设定的操作。
某大型轴 井内喷射淬火现场
3 控制软件与功能实现
需要具有更高智能的控制软件系统进行指导和监督。该系统控制软件由4个主要的功能模块组成,分别是:工艺管理模块、生产管理模块、输入输出模块以及数据显示模块。这4个功能模块的组成结构和相互关系可以通过图3 来表示,图中箭头表明了数据的流向。
▲图3 控制软件系统的结构示意图
3.1 工艺管理模块和生产管理模块的功能及其实现
工艺管理模块和生产管理模块是整个控制软件系统的核心部分。工艺管理模块提供智能规划,管理淬火工艺数据的功能,是实现淬火工艺设计和自动化的基础和保证;生产管理模块提供了对淬火过程中各种状态信息的收集和保存,是实现淬火生产管理和自动化的前提和保障。工艺管理模块需要操作的主要数据文件分为两种:工艺控制文件和工艺数据库文件。工艺控制文件存储的是进行实际淬火加工所需要进行的控制内容。工艺控制文件的结构应与 PLC 控制时使用的数据源的结构相统一,以便于在传送时进行数据格式的转换。工艺数据库文件是存放大量原始工艺数据的文件,这些数据主要来源于计算机的数值模拟以及实际试验的测定。工艺数据库文件是实现智能化、自动化制定淬火工艺的基础和依据。实际生产中,零件的尺寸是多种多样的,往往无法直接在工艺数据库文件中找到对应的工艺数据信息。这就需要在有限的数据信息中,通过数据挖掘的方式得到对应模块尺寸的淬火加工工艺数据。数据库中现有数据信息的结构是二维数据表格,采用分段线性插值的算法代替线性插值算法进行求解。工艺管理模块智能化规划加工工艺内容的实现流程如图4 所示。首先需要确定加工模块的材料,然后选定相应的工艺数据库文件,通过数值插值求解的方法得到实际加工模块对应的工艺控制内容,将工艺控制内容保存为对应文件,最后通过输入输出模块传送给可编程序控制器进行实际加工控制。生产管理模块的主要作用是对淬火加工过程中各种控制状态信息的收集和保存。控制信息可以分为两大类,一类是关于淬火工艺内容的状态信息;另一类是关于具体各个设备的状态信息。关于淬火工艺内容的状态信息,主要是用以描述当前工艺加工控制所处的阶段和状况。这些信息主要包括:当前所处的控制阶段(索
引序数)、当前控制阶段的控制类型、当前控制阶段需要的总控制时间、当前控制阶段已经处理的时间(或是剩余处理时间)等。此外,关于淬火工艺内容的状态信息还包括整个加工工艺的相关信息,如本次淬火加工的编号、本次淬火加工的工艺控制、本次淬火加工的操作人员信息、本次淬火加工的加工模块信息等,以便于软件控制系统对当前的加工状态有更为全面的掌控。
具体各个设备的状态信息主要是用来描述当前各个设备的实际运转状态的信息。这些信息主要通过硬件控制回路中的可编程序控制器(PLC )给出。此外,有些设备系统中还会采用辅助仪表等设备来给出额外的状态信息(如温度、气压等数据)。
3.2 输入输出模块和数据显示模块的功能及其实现
输入输出模块和数据显示模块是控制软件系统的接口模块,分别连接着控制硬
件回路端的可编程序控制器(PLC) 和生产管理人员。输人输出模块的作用是接受工艺管理模块规划的淬火加工工艺,并将这些工艺信息转化为数据源形式发送给可编程序控制器(PLC) , 同时接收可编程序控制器(PLC) 端的控制状态信息,集中发送给生产管理模块使用。数据显示模块的任务是把各种控制状态信息显现给生产管理人员,同时接收管理人员的控制指令,对工艺管理模块和生产管理模块进行调控。
输入输出模块是控制软件系统的接口模块,是连接控制硬件回路和控制软件回路的桥梁。其操作包含3个主要内容:数据转换、校验处理以及传送(或接收)。图5 a)所示为传送数据操作流程。
对于传送数据的校验处理,一般的想法是在传送的数据源中添加相应的校验码来完成,但是考虑到可编程序控制器(PLC) , 其本身的数学运算能力十分有限,无法自行完成校验码的运算操作。因而在实际操作中,我们采用回读数据的方式进行校验处理,即在完成发送操作后,对对应的PLC内存数据进行一次读取操作,将读取到的数据源数据与原始发送数据进行对比校验。对于传送中出现失败时的处理,也采用了冗余的设计方式,即出现一次错误后自动进行再次发送处理,以避免偶尔的信号异常影响了加工控制信息的传送。只有在连续出现一定次数(一般为3～5次)的发送失败后,软件系统才会中止传送操作,并提示操作失败。接收生产加工过程中控制状态信息的操作是一个周期性的操作,每隔一定的时间周期就执行一次,直至生产加工控制结束。图5 b)所示为接收数据操作流程。数据显示模块是沟通控制软件系统和操作管理人员的桥梁,其作用是为操作管理人员提供一个直观、便捷的监测管理界面。其主要功能有:实时显示淬火生产加工过程中各种控制状态信息;为用户提供管理工艺控制文件的界面;为用户提供管理和查询生产加工记录文件的界面。通过图表、动画等形式表现实时显示淬火生产加工过程中各种控制状态信息,以便操作管理人员对淬火处理生产过程进行监管。图6 所示,为数据显示模块提供的管理工艺控制文件界面的模块结构和运作流程。管理和查询生产加工记录文件的界面是数据显示模块提供的另一个主要功能。这一界面主要需要提供两个功能,一个是提供生产加工记录的查询功能;另一个是对生产记录文件导出、打印等操作功能。
某钢板淬火喷射场图片
4 智能控制系统的特点
对比以往在淬火加工中采用的控制系统,智能控制系统具有以下的特点:
4.1 整个控制系统分为两个独立的控制回路
控制硬件回路和控制软件回路。两个控制回路相对独立运作,同时又通过数据源的形式有机的结合在一起。两个子系统可以各自独立的设计、制造、运作及改进,大大提高了两个系统灵活性和扩展性。
4.2 可编程控制器(PLC) 采用循环结构的模块化 PC控制模式
可编程控制器(PLC) 采用了循环结构的控制模式,通过数据源提供的控制数据才进行每一次的淬火加工控制。
4.3 上位机系统的脱机智能控制
在一般的SPC控制结构中,若上位机系统失灵或异常,就会导致整个控制系统的失灵或异常。而实际生产现场中,存在许多不安全的因素(如强电磁场干扰、意外的断电等)。该机构中采用了数据源一次性传送加工控制信息的运作模式,上位机不直接干预加工的控制行为。因此,可编程序控制器(PLC) 的运转稳定性远远强于一般的工业控制计算机(包括数据通信部件的正常运作)。
4.4 加工控制对象和内容具有通用性、可扩展性。
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