基于工控机及PLC长轴氮化炉温度控制系统的研究.pdf

2 0 1 0年 4月 第 3 8卷 第7期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS Ap r ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 7 ． 0 1 5 基于工控机及 P L C长轴氮化炉温度控制系统的研究 袁清珂 ，李朝光 ，杨志文 1 ．广 东工业大学机 电工程学院，广东广州 5 1 0 0 0 6；2 ．佛 山扬戈炉业有限公司，广东佛山 5 2 8 2 3 1 摘要为了提高深炉的控温精度及控制炉内温度的均匀性 ，运用 P I D控制理论，研究开发了一种基于工控机及 P L C的 长轴氮化炉计算机温度控制系统。通过工业计算机、西门子 P L C、A ／ D，D ／ A模块、智能仪表、电动执行机构等控制单元 实现系统及各个子系统之间的自动化控制。试炉结果表明，该炉温控制系统能获得最佳的控制效果。 关键词 长轴 ；多变量控制系统 ；耦合 ；真空 ；氮化 中图分类号 T G 1 5 6 ；T G 2 7 3 ；T M 5 7 1 ． 6 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 7 0 4 6 3 Re s e a r c h o n Co n t r o l S y s t e m o f Lo ng S ha f t Ni t r i f y i n g St o v e s Ba s e d o n I n du s t r i a l Co n t r o l Co mp ut e r a n d PLC Y U A N Q i n g k e ，L I C h a o g u a n g ，Y A N G Z h i w e n 1 ． C o l l e g e o f M e c h a n i c a l ＆ E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ，G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 0 0 6 ，C h i n a ；2 ． F o s h a n Y o u n g e r F u r n a c e I n d u s t r y C o ． ，L t d ， F o s h a n G u a n g d o n g 5 2 8 2 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T o i n c r e a s e t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o l p r e c i s i o n o f d e e p f u r n a c e a n d t h e i n n e r t e mp e r a t u r e u n i f o r mi t y，u s i n g P I D c o n t r o l t h e o r y ， a c o n t r o l s y s t e m o f l o n g s h a f t n i t ri f y i n g s t o v e s b a s e d o n i n d u s t ri a l c o n t r o l c o mp u t e r a n d P L C w a s d e v e l o p e d ． B a s e d o n S i e me n s P L C，A／ D an d D ／ A mo d u l e s ， i n t e l l i g e n t i n s t r u me n t ， e l e c t ric a c t u a t o r a n d S O o n ， t h e d a t e c o u p l i n g f o r mu l t i c o n t r o l l e d v a ria b l e s w a s r e a l i z e d t o f o r m c o mp a c t c o n t r o l s y s t e m． T h e r e s u l t s p r e s e n t e d i n t e s t i n g f u rn a c e i n d i c a t e t h a t t h i s s y s t e m c a n o b t a i n t h e b e s t o f c o n t r o l pe r f o rm a n c e ． Ke y wo r d s Mu l t i v a r i a b l e c o n t r o l s y s t e m ；P I D； C o u p l i n g ； V a c u u m； Ni t ri d i n g 我国热处理设 备延 用着 苏联 时代 的 “ 老 三 炉” ， 其热加工质量不高 ，能耗大 ，污染严 重 。高 精机 床 、加工 中心上的长轴 轴长 i3 ． 5 m 的热处 理长 期以来困扰着基础制造业的发展，尤其是处于热处理 工段最后一道工序的氮化 。产品质量控制越来越严格 是近代热处理技术发展 的主要特点之一。同时高效、 节能、环保也将是今 后热处理设备 的主要发展方 向 ] 。 沈机集 团昆 明机床 厂 简称 昆机 设计 与制 造 的加 工中心 、卧式镗床 、大型数控落地式铣镗床和坐 标 镗床等 的空心轴 、卡盘轴 、蜗杆 、丝杆和花键轴等 长轴 ，一直 以来都是使用 2 0世纪 7 0年代 的保护气氛 氮化炉子进行氮化处理 。在昆机 ，这些长轴在实 际热 加工过程中存着难于估量的氮化工艺风险氮化工艺 本 身的特性决定 了氮化后工件返工的可能性不大 ；氮 化长轴工件价值非常高 ，为机床的核心部件 ，且从下 坯到氮化 ，工件工时费用巨大，严重影响设备出厂周 期 。这都将造成千万元为单位的产值损失 。 面对着高精度 、高耐磨 、无变形 、良好的红硬性， 抗疲劳性，抗咬合性和抗腐蚀性的工件技术要求；面 对着高合格率、高氮化稳定性的设备要求，显然传统 的保护气氛氮化设备已经跟不上时代步伐卜 。因此在 佛 山扬戈炉业有限公 司原有 氮化设备 的基础上 ，统筹 昆机提 出的各项技术要求 ，设计 出了一种无论是机械 部分，还是控制部分都得到改进、完善和提高的氮化 设备 。 如表 1 所示 为昆机提 出的氮化技术 要求 。 表 1 昆机 轴长 ≤5 m的氮化技术参数 工艺流程粗加工一淬火一 回火一精加工一氮 化一精磨 单边磨0 ． 0 5 m m 。 本设备主要是针对材料为 3 8 C r Mo A 1 的长轴工件 而设计的，当然也适用于其他材料和轴长，如 4 0 C r 等 、轴长 ≤5 m等零件 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 4 2 2 基金项 目广东省科技计划 2 0 0 8 B 0 1 0 4 0 0 0 1 1 ；广州市科技计划 2 0 0 8 Z 1 一 D 3 7 1 资助 作者简介袁清珂 1 9 6 3 一 ，男，博士，教授，主要从事知识工程与智能设计、机电控制、多体动力学与计算机仿真、企 业信息化、电子商务与网络化制造等方面的研究。电话0 2 03 9 3 2 2 2 2 1 0 ，1 3 9 2 5 1 7 6 4 5 6 。Em a i l q k y u a n g du t ．e d u． c n。 第7期 袁清珂 等基于工控机及 P L C长轴氮化炉温度控制系统的研究 4 7 作 者主要 介绍 5 m 真空氮 化 炉 的多变 量控 制 系 统。其中多变量控制系统包括温度 P I D移相触发控 制 、流量和压力带经验数值控制 的子 系统控制 ，也包 括温度 、流量及压力组成 的多参数耦合控制 。 1 传统控制系统存在的问题 传统的保护气氛氮化炉 也称正压氮化炉 ，其 工作原理 是在 工艺 运行 阶段 ，持 续往 炉 子 内通入 氨 气 。在升温阶段保 护工件 ，避免氧化脱碳等危害工件 寿命及性能 的情况发生 ；在保温 阶段则通过控制氨分 解率进而控制工件氮化后的硬度 、渗层及脆性 。 传统可控气氛氮化炉在形成氮化层的过程中，存 在着工 艺 时 间长 一 般 为 7 4～1 4 4 h ，能耗 巨大 ； 耗氨量大 ，污染严重 ；温度超调厉 害 ，炉内温度 均匀 性不高；炉内气氛不均匀 ，N原子活性不足；系统 自 动化程度低等一 系列 弊端 。传统 的氮化 炉仅对 炉内温 度及 氨分级率进行采集 和控制 。没 办法将 温度 场和氨 分解场形成有机配合。由于长轴的关系 ，该氮化炉不 能使用密封 电机进行必要 的搅拌 ，因此其炉 内的未 能 形成热对流 ，进一步削弱 了炉 内温度的均匀性 。控 制参数 的单一和相互过于独立 ，也是传统氮化炉氮化 效果远远未能达到昆机技术要求 的原 因之一 。 2 真空氮化炉温度控制系统的体系结构 本设备是一种新型真空氮化炉，它的特点便是在 适当的温度、恰当的流量及合适的压力范围下，做合 理的工艺 。 它的控制系统分别 由计算 机监 控系统 、温度 控制 系统 、氨气控制 系统 、抽真空控制 系统等组成 ，如 图 1 所示 。其 中被 控对 象 包 括 温 度 、流 量 和 压 力 时 变参 量 ，三 者 既 相 互 独 立 又 相 互 制 约 。使 用 研 华工控机 、MC G S工 控软 件 、西门子 P L C 、模拟量 采 集 模 块 、模 拟 量 输 出 模块 及 其 他 检 测 和 控 制 单 元 ，实 现 了 对 深 炉 的 温度 、氨 气 流 量 和 真 空 压力 的多变量控制 。 图 1 基于工控机及 P L C的 多变量控制系统组成 计算机监控系统主要实现对设备运行过程 中的温 度控制系统、氨气控制系统及抽真空控制系统 的监 控。其中，对温度控制系统的监测与控制主要体现在 长轴氮化的氮化工艺曲线的写与读，并通过人机接口 界面调试而获得理想的温度控制 P I D参数值 。实现工 艺曲线的实时曲线、历史曲线、工艺结束报警 、超温 报警、缺水报警等与温度控制系统相关的参数的记录 和查询，并可在线打印。同时实现氨气流量曲线 、通 氨时间 回针时间 、氨气停留时间、真空压力曲线 等 的记 录和查询 ，并 可通 过人机交 互的方式实现这些 参数的修改或编辑。除了自动化控制外 ，也在计算机 监控系统中提供手动操作按钮，使得本系统可进行必 要的手动操作 。采用 M C G S 监控软件 ，作为本设备 的 上位软件 ，并 以 Wi n d o w s 2 0 0 0和 Wi n d o w s X P为开发 平台。该软件按照客 户／ 服务 器结 构开 发 ，具 有 通用 性好、可移植性强的特点。使用上位机及配套监控软 件作为动态显示及操作控制界面 ，具有便 于监控 、操 作简单 ，扩展 性 强等 特 点 。如 图 2所示 为 P L C温 控系统的基本 构成 ，它包 括上 位 机 和 P L C的主控 系 统、可控硅 S C R 、电阻丝及热 电偶等 5部分，其 中 S V和 P V为温度 的设定值和采样值 。 PLC T r I ；L 垒 H 垫 皇 堡 I⋯ ⋯⋯⋯⋯一 图 2 长轴真空氮化炉温控 系统组成 3基 于 P L C的 P I D控 制原 理 与流 程 本设备炉 内空 问大 、炉深 ，分 5区控制 ，并要求 温度控制实现快速 响应 、精确 和稳定 的效果 ，而被控 对象具有 大惯性 、纯滞后 、时变等特征 ，因此传统的 固态继 电器控制 已经不能有效控制炉 内温度 了。基于 P L C的 P I D温度控 制方法 能够有效解决这 个问题 。 P I D控制 的原理基 本公 式 1 输 出 M t 是 比 例项 、积分项 和微 分项 的函数。 rt M t e t K I 【 e t d t M i IIi K D 出 ￡ ／ d ￡ 1 式 中 M t 为 闭环 回路 的输 出，时间的 函数 ； 为 P I D回路增益 ；K I 为积 分项 的 比例 常数 ；K D为微 分 项的 比例常数 ；e t 为在采 样时 间 t 的基本 偏差 ，亦 即为 e t S V t 一P V t ；M 为 P I D回路输 出的 初始值 。 而要 想在 P L C上 实 现 P I D控 制必 须将 连续 算 式 离 散化为周期采 样偏差算式 ，如公式 2 。 M f K c e t K l ∑ i l D e t 一 e t 一1 2 式 中比例项 K c e t 为 当前 t 采样周期下基本偏差 的 函数 ；积分项 K 1 为第 1 个采样周期 到当前 t 采 样 周 期所有基本偏差 的函数 ；微 分项 K 。 e t 一e t 一 1 为当前 t 采样周期下基本偏差 的相对偏差 的函数 。 但 是 由于 P L C从第 1 次 采样 开始 ，每 当运 算 出 一 个偏差值就必须有一次控制输出，因此实际应用上 的是偏差前值和积分项前值。公式 2 可简化为公 式 3 的样式。 K c e K t e K D e 一 P t 一 1 3 进一步简化 为公式 4 。 M t MP t MI t MD t 4 4 8 机床与液压 第 3 8 卷 其 中 M P t 为采 样 时间 t 的 比例项 值 ，如 公式 5 ；M I t 为采样时间t 的积分项值，如公式 6 ； MD t 为采样 时问 t 的微分项值 ，如公式 7 。 M P t K c S V t 一 P V t 5 M I t K c T s ／ T z S V t 一 P V t MX 6 MD t T J PV t 一1 一PV t 7 其中S V t 为为采样时间 t 的设定值 ，P V t 为 采 样时 间 t 的过程 变量 值 ， 为 采样 时间 ， 为积 分时间，7 T D为微分时间，M X是所有积分项前值之 和。 在每次计算 出 M I t 滞后，都要用该值去更新 M X。MX的初始值 为 M 。 而采用可控硅 S C R 移相触发连续调 功 ，可在 4～ 2 0 m A以内输 出 0～ 1 0 0 ％的 M t ，无触 电、无噪 声 。功率因数高 ，其输 出可在 2 S 周期 下控制输 出正 弦波形的 占空 比。 本新 型 氮 化 炉 设 备 的温度 控 制 系统 采 用 上 位机 I P C往 P L C输 入并读取工艺 曲线，而 P L C则 通过 A ／ D模 块采 集 温度 P V和上位机输进 的温 度 S V进 行 P I D运 算 ，并通过 D ／ A模 块输 出模 拟 信 号 ，结 合 移 向 初始 化 ／ ＼ C R是否正 ＼／ 设定 。。_。●●_●___-_●●-_____一 加热 启 动 图 3 长轴真空氮化 炉温控流程 触发可控硅 S C R进行输出功率控制 ，进而实现温 度的 P I D控制 ，如 图 3所示 。 利用 P L C编写的 P I D温控系统是氮化 比较理想 热功率 的大小 、升温速度 快 、温度波动小 、控温效果 好 、自动化程度高、氮化质量可靠等特点。 在 5 m深炉 的温度控制过程 中 ，由于炉结构本 身 所限，P I D控温点不能布置于加热区域内，因而也会 引起 控温偏差 。 因此 ，本 系统提 出了基 于工控 机 及 P L C的一 控 温 ，两 巡 检 ，五 区 工 艺 曲 线 单 独 输 入 ，正负压力对 流的温度监 测 控制 方法 。该方 法 能 更方 便地设置及 修改 温度 曲线 ，从 而达 到最 佳 的控 温效 果 。 上述的方 法 ，使得 上位 机 记 录 的 S V曲线 和 P V 曲线基本重合。另 外 ，考虑 到加 热炉 的这种大惯 性 、 大滞后性设 备 ，两 曲线的误差是可以接受 的 。 4结 论 在 2 0 0 8年 1 0月到 2 0 0 8 年 1 1 月底 ，使用本设 备 如图 4所示 工作 了 1 0炉次 ，最终通过 了验收 。如 表 2 是本 设备 氮化 后 的工件 测试 报告 注 所有 数 据都是平均数据 。 的温度控制调节系统 。它具有可持续改变氮化炉加 图4 长轴真空氮化炉 表 2 长轴真 空氮化炉与传统氮化炉氮化结果报告 硬度／ 渗层 I Ⅱ Ⅲ Ⅳ V 度 单 变形／ m m 级别 磨0 ． 0 5 m m ～ 传统 H V 9 3 1 ／ 0 ． 4 4 m m H V 9 5 0 ／ 0 ． 4 8 m m H V 9 5 7 ／ 0 ． 5 1 m m H V 9 4 4 ／ 0 ． 5 0 m m H V 9 2 5 ／ 0 ． 4 3 m m I I H V 9 0 5～ H V 9 1 0 m m 3- 4 真空 H V 1 0 0 4 ／ 0 ． 5 7 m mH V 1 0 0 7 ／ 0 ． 5 9 m mH V 1 0 0 5 ／ 0 ． 5 7 m mH V 1 0 0 5 ／ 0 ． 5 6 m mH V 1 0 0 2 ／ 1 ． 5 6 m m I H V 9 6 3 ～ I T V 9 6 8 m m 0 ． 0 2～ O ． 0 3 可见 ，本新型长轴真空氮化炉具有 经济性好 、高 效、节能、环保，氮化物质量高等特点 ，可为今后热 处理氮化 的主要发展方 向。 参考文献 【 1 】 樊东黎． 热处理的昨天今天明天 修订版 [ M] ． 北京 中国热处理协会 ， 2 0 0 4 ． 【 2 】中国热处理年鉴[ M ] ． 北京 中国热处理协会 ， 2 0 0 3 ． 【 3 】 马子学． 长轴零件氮化工艺及其控制 [ J ] ． 精密机床， 1 9 9 4 3 2 0 2 6 ． 【 4 】 T i a n Y e ， W a n g M a o Q i u ， L i J i n - X u ， e t a 1 ． M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d n i t r i d i n g c h a r a c t e ri s t i c s o f n o v e l n i t r i d i n g s t e e l s [ J ] ． C a i l i a o R e c h u l i X u e b a o ／ T r a n s a c t i o n s o f Ma t e r i a l s a n d He a t T r e a t me n t ， 2 0 0 8， 2 9 3 1 2 21 2 5． 【 5 】曹金红 ， 荣 ． 细长轴表面氮化处理工艺及质量控制方 法[ J ] ． 客车技术， 2 0 0 4 4 3 7 3 8 ． 【 6 】李玮， 沈勇． 氮化炉计算机控制系统的设计与应用[ J ] ． 新技术新工艺 ， 2 0 0 8 2 4 4 4 7 ． 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表 2所示 。 表 2 补偿后测量分析结果 均偏差范 围 M 2 ． 0 9 反 向偏差 B 3 ． 1 8 系统偏差 E 3 ． 9 6 去程定位精度 A 。 9 ． 1 3 去程单向重复R。 6 ． 8 6 回程定位精度 A 5 ． 6 7 回程单向重复R 4 ． 6 0 定位精度 A 9 ． 1 3 5结论 分析 了激光干涉仪 回转轴校准原理 ，利用激光干 涉仪和旋转轴校准器对 轴的定位精度、重复定位 精度和反 向偏差进行 了检测 ，并且 对位置精度误差进 行了补偿。从实验数据可以看出，定位精度、重复定 位精度和反向偏差都有所提高，达到了车铣复合机床 的精度要求，证明了通过误差补偿来提高机床的精度 是可行有效的 。 参考文献 【 1 】 钟伟弘， 关保国． 数控机床定位误差的激光干涉法检测 与补偿[ J ] ． 组合机床与自动化加工技术 ， 2 0 0 0 9 3 9 40． 【 2 】 沈兴全， 张清． 三坐标数控机床精度检测与误差补偿 [ J ] ． 测试技术学报 ， 2 0 0 5 ， 1 9 3 2 6 4 2 6 8 ． 【 3 】祝捷． 数控机床复合加工的新发展 [ J ] ． 天津职业院校 联合学报 ， 2 0 0 6 ， 8 5 2 2 2 4 ． 上接 第4 5页 信号功率谱分析结果看出前4个工况均有两个主频 ∞ 1 ∞ 1 5 1 H z 和 2 ∞ 2 1 4 5 H z ， 和上节 分 析的小风机叶片第二阶静模态分析频率 5 5 ． 4 3 9 H z 十分接近。随着气流攻角的增大， c 幅值逐渐增强， 而 幅值逐渐减小，到工况 5时 ∞ 的影响越来越 大 ，而 ∞ 的影响基本 上可 以忽略不计 了 ，再次说 明 了气 流脉动引起 的颤振只和某一 阶固有频率有关 。两 次实验结果说 明颤振只和某一 阶固有频率有 关。 3结论 从上面的分析可以看出 ，在一定的来流攻 角下都 会发生分离流频率和某一阶固有频率相等的现象 ，也 就是分离流对于来流速度 的锁定现象 ，这时的振动有 自激振 动的特点 ，它会造成振动 的发散 。而随着工作 条件 的恶化即气流攻角的增大 ，气流的脉动频 率还受 到翼型 固有频率的影响 ， ． 但 已经不是唯一 。这 为颤振 机理 的研究提供 了实验依据 。 参考文献 【 1 】 李德葆， 陆秋孩． 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