工件加熱之后進行淬火處理,為了保證產(chǎn)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(fā)展方向。今后必將有更多的,針對特定工件的,能夠?qū)Υ慊疬^程實現(xiàn)精準控制的專有裝備出現(xiàn)。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(shù)多和工藝段的時間變化大的情況,對生產(chǎn)控制系統(tǒng)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(yōu)化,傳統(tǒng)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(jīng)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(nèi)。
巨型核電轉(zhuǎn)子完成熱處理
1 新型淬火設備控制系統(tǒng)的設計要求
1.1 新型淬火控制設備對控制系統(tǒng)提出的要求
復合淬火工藝和傳統(tǒng)淬火工藝有著巨大差異,自然也就對控制系統(tǒng)提出了許多新的要求,主要表現(xiàn)為:
1.1.1 集中性
復合淬火設備的結(jié)構(gòu)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(tǒng)等。每一個淬火形式的實現(xiàn)都要求眾多設備和組件的協(xié)同運作。
1.1.2 精確性
過度冷卻工件會出現(xiàn)工件開裂的危險;工件冷卻速度太慢又導致工件心部出現(xiàn)珠光體組織,造成淬火失敗。因而控制系統(tǒng)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(xù)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(tǒng)在控制生產(chǎn)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(tǒng)是當前工業(yè)控制發(fā)展的趨勢,也是自動化、集成化生產(chǎn)的需要。對于新型淬火控制系統(tǒng)而言,智能化主要體現(xiàn)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(nèi)容也各不相同。采用人工方式進行工藝內(nèi)容的設定,顯然是繁瑣且不可靠的,因而這就要求控制系統(tǒng)具有自動優(yōu)選淬火工藝參數(shù)的能力,以應對大批量、多尺寸、多材質(zhì)工件的生產(chǎn)。2) 生產(chǎn)管理的智能化。工業(yè)自動化、智能化管理的發(fā)展越來越要求生產(chǎn)現(xiàn)場的控制系統(tǒng)能夠提供必要的生產(chǎn)信息,以幫助整個企業(yè)的集中管理。因而新型控制系統(tǒng)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(tǒng)的設計思路
DDC(Direct Digital Control 數(shù)字直接控制)單元控制模式的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單,性能可靠,有一定的控制精度,可以基本滿足控制系統(tǒng)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(tǒng)的設計要求。所以,控制系統(tǒng)需要采用以下幾個方面的內(nèi)容:
1.2.1 控制模式采用 SPC (Statistical Process Control 簡稱統(tǒng)計過程控制,亦即監(jiān)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(tǒng)中需要控制的設備主要是泵機組、風機機組、閥門系統(tǒng)等,這些設備的控制量基本是邏輯開關量,因而SPC系統(tǒng)中 DDC單元應采用可編程序控制器(PLC) 。
1.2.2 在控制結(jié)構(gòu)上采用三級獨立控制結(jié)構(gòu)
根據(jù)SPC控制模式的要求,應該把整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為三個獨立的部分:傳感與執(zhí)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(zhí)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(tǒng),為整個控制系統(tǒng)提供詳細的設備運轉(zhuǎn)狀況信息,是控制系統(tǒng)進行控制和判別的主要依據(jù)來源。執(zhí)行機構(gòu)是控制系統(tǒng)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(zhí)行部分進行集中、協(xié)調(diào)控制的主體?？删幊绦蚩刂破?PLC ) 是整個控制系統(tǒng)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(xié)調(diào)、集中和穩(wěn)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(tǒng)精確控制的要求。上位機控制部分是整個控制系統(tǒng)中最智能化的部分,是實現(xiàn)智能化控制的核心部件?？刂葡到y(tǒng)的所有指令和工藝內(nèi)容都是由軟件系統(tǒng)發(fā)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(xiàn)的。可以說,軟件控制系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的大腦,也是實現(xiàn)控制系統(tǒng)智能化要求的主體。
1.2.3 控制系統(tǒng)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(wěn)定控制。為此,系統(tǒng)就必須進行冗余設計。一個是傳感和執(zhí)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(tǒng)的誤判操作。對于執(zhí)行機構(gòu)的反饋信號也應作類似處理,以避免出現(xiàn)控制脫節(jié)現(xiàn)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(nèi)容的錯誤執(zhí)行?？紤]到現(xiàn)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(nèi)容、附加校驗的方式。
1.2.4 控制系統(tǒng)的自恢復設計
為在實際生產(chǎn)過程中,控制系統(tǒng)能迅速可靠地從萬一出現(xiàn)的非正常中斷或異常失控的現(xiàn)象中恢復控制,控制系統(tǒng)需要有自恢復設計。這種復位操作的具體內(nèi)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(shù)據(jù)和信號設定為默認狀態(tài);另一種是自動恢復到上一個合理的運行狀態(tài)。考慮到多數(shù)異常的發(fā)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(tǒng)的復位。軟件系統(tǒng)的復位操作主要是迅速恢復到上一個正常的運行狀態(tài)。這一狀態(tài)的恢復必須要與可編程序控制器(PLC ) 的狀態(tài)相一致。這是因為軟件控制系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)中最智能化的部分,最容易判別其他控制部分的狀態(tài)以進行自身的調(diào)節(jié)。
數(shù)字控制流場淬火槽
2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與功能實現(xiàn)
2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
智能化自動淬火槽設備的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。整個控制系統(tǒng)被劃分成3個部分:傳感與執(zhí)行機構(gòu)、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(tǒng)
2.2 可編程控制器(PLC) 的控制功能實現(xiàn)
可編程控制器(PLC) 是集中電氣控制系統(tǒng)部分的核心,是整個硬件控制回路的中心環(huán)節(jié)。PLC的控制精度,運行的穩(wěn)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(wěn)定性以及可靠性。根據(jù)研究開發(fā)的淬火設備對控制系統(tǒng)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(nèi)部,將各種基本的淬火加工所需的控制內(nèi)容以模塊的形式進行固化;同時在可編程序控制器(PLC ) 內(nèi)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(guī)劃好加工工藝內(nèi)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(nèi)容順序,調(diào)用各個固化控制模塊的內(nèi)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(huán)結(jié)構(gòu)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的順序結(jié)構(gòu)。每一次循環(huán)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(nèi)容,根據(jù)控制內(nèi)容選擇操作類型(或結(jié)束控制),控制操作執(zhí)行后啟動控制計時器,判斷計時是否結(jié)束。計時結(jié)束后,更新工藝控制標志繼續(xù)下一個循環(huán)操作。采用這種循環(huán)式的控制流程,充分體現(xiàn)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(jié)構(gòu)更加清晰。同時,這種循環(huán)結(jié)構(gòu)的控制靈活性和通用性很高,如需要改變控制工藝的內(nèi)容和順序,只需要對取得工藝內(nèi)容和時間的數(shù)據(jù)源進行少量修改,而不必對整個控制結(jié)構(gòu)進行修改和重新編制。由于工藝內(nèi)容和時間的數(shù)據(jù)源一般都是通過軟件控制系統(tǒng)進行傳送和設定的,這樣的流程結(jié)構(gòu)就有效地把PLC控制和軟件控制系統(tǒng)隔離開來。只要在傳送數(shù)據(jù)上保持協(xié)調(diào)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(tǒng)控制 PLC梯形圖結(jié)構(gòu),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(huán)結(jié)構(gòu),采用了地址跳轉(zhuǎn)的操作。傳統(tǒng)控制梯形圖是順序控制過程,因而地址也是連續(xù)分布的。二是新型控制模式的控制梯形圖中還存在數(shù)據(jù)設定和傳遞的操作,這是傳統(tǒng)控制梯形圖中沒有的。傳統(tǒng)控制梯形圖中的所有內(nèi)容和數(shù)據(jù)都是預先固化的;而新型控制模式中每次循環(huán)都需要重新設定相關的跳轉(zhuǎn)地址和計時器數(shù)據(jù),因而要使用到數(shù)據(jù)設定的操作。
某大型軸 井內(nèi)噴射淬火現(xiàn)場
3 控制軟件與功能實現(xiàn)
需要具有更高智能的控制軟件系統(tǒng)進行指導和監(jiān)督。該系統(tǒng)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(chǎn)管理模塊、輸入輸出模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊。這4個功能模塊的組成結(jié)構(gòu)和相互關系可以通過圖3 來表示,圖中箭頭表明了數(shù)據(jù)的流向。
▲圖3 控制軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
3.1 工藝管理模塊和生產(chǎn)管理模塊的功能及其實現(xiàn)
工藝管理模塊和生產(chǎn)管理模塊是整個控制軟件系統(tǒng)的核心部分。工藝管理模塊提供智能規(guī)劃,管理淬火工藝數(shù)據(jù)的功能,是實現(xiàn)淬火工藝設計和自動化的基礎和保證;生產(chǎn)管理模塊提供了對淬火過程中各種狀態(tài)信息的收集和保存,是實現(xiàn)淬火生產(chǎn)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(shù)據(jù)文件分為兩種:工藝控制文件和工藝數(shù)據(jù)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(nèi)容。工藝控制文件的結(jié)構(gòu)應與 PLC 控制時使用的數(shù)據(jù)源的結(jié)構(gòu)相統(tǒng)一,以便于在傳送時進行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。工藝數(shù)據(jù)庫文件是存放大量原始工藝數(shù)據(jù)的文件,這些數(shù)據(jù)主要來源于計算機的數(shù)值模擬以及實際試驗的測定。工藝數(shù)據(jù)庫文件是實現(xiàn)智能化、自動化制定淬火工藝的基礎和依據(jù)。實際生產(chǎn)中,零件的尺寸是多種多樣的,往往無法直接在工藝數(shù)據(jù)庫文件中找到對應的工藝數(shù)據(jù)信息。這就需要在有限的數(shù)據(jù)信息中,通過數(shù)據(jù)挖掘的方式得到對應模塊尺寸的淬火加工工藝數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫中現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息的結(jié)構(gòu)是二維數(shù)據(jù)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(guī)劃加工工藝內(nèi)容的實現(xiàn)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(shù)據(jù)庫文件,通過數(shù)值插值求解的方法得到實際加工模塊對應的工藝控制內(nèi)容,將工藝控制內(nèi)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(chǎn)管理模塊的主要作用是對淬火加工過程中各種控制狀態(tài)信息的收集和保存?？刂菩畔⒖梢苑譃閮纱箢?一類是關于淬火工藝內(nèi)容的狀態(tài)信息;另一類是關于具體各個設備的狀態(tài)信息。關于淬火工藝內(nèi)容的狀態(tài)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(shù))、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(jīng)處理的時間(或是剩余處理時間)等。此外,關于淬火工藝內(nèi)容的狀態(tài)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(tǒng)對當前的加工狀態(tài)有更為全面的掌控。
具體各個設備的狀態(tài)信息主要是用來描述當前各個設備的實際運轉(zhuǎn)狀態(tài)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(tǒng)中還會采用輔助儀表等設備來給出額外的狀態(tài)信息(如溫度、氣壓等數(shù)據(jù))。
3.2 輸入輸出模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊的功能及其實現(xiàn)
輸入輸出模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊是控制軟件系統(tǒng)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(chǎn)管理人員。輸人輸出模塊的作用是接受工藝管理模塊規(guī)劃的淬火加工工藝,并將這些工藝信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)源形式發(fā)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(tài)信息,集中發(fā)送給生產(chǎn)管理模塊使用。數(shù)據(jù)顯示模塊的任務是把各種控制狀態(tài)信息顯現(xiàn)給生產(chǎn)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(chǎn)管理模塊進行調(diào)控。
輸入輸出模塊是控制軟件系統(tǒng)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(nèi)容:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、校驗處理以及傳送(或接收)。圖5 a)所示為傳送數(shù)據(jù)操作流程。
a)傳送數(shù)據(jù)操作流程 b)接收數(shù)據(jù)操作流程
對于傳送數(shù)據(jù)的校驗處理,一般的想法是在傳送的數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)的方式進行校驗處理,即在完成發(fā)送操作后,對對應的PLC內(nèi)存數(shù)據(jù)進行一次讀取操作,將讀取到的數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)與原始發(fā)送數(shù)據(jù)進行對比校驗。對于傳送中出現(xiàn)失敗時的處理,也采用了冗余的設計方式,即出現(xiàn)一次錯誤后自動進行再次發(fā)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(xù)出現(xiàn)一定次數(shù)(一般為3～5次)的發(fā)送失敗后,軟件系統(tǒng)才會中止傳送操作,并提示操作失敗。接收生產(chǎn)加工過程中控制狀態(tài)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(zhí)行一次,直至生產(chǎn)加工控制結(jié)束。圖5 b)所示為接收數(shù)據(jù)操作流程。數(shù)據(jù)顯示模塊是溝通控制軟件系統(tǒng)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(jiān)測管理界面。其主要功能有:實時顯示淬火生產(chǎn)加工過程中各種控制狀態(tài)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(chǎn)加工記錄文件的界面。通過圖表、動畫等形式表現(xiàn)實時顯示淬火生產(chǎn)加工過程中各種控制狀態(tài)信息,以便操作管理人員對淬火處理生產(chǎn)過程進行監(jiān)管。圖6 所示,為數(shù)據(jù)顯示模塊提供的管理工藝控制文件界面的模塊結(jié)構(gòu)和運作流程。管理和查詢生產(chǎn)加工記錄文件的界面是數(shù)據(jù)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(chǎn)加工記錄的查詢功能;另一個是對生產(chǎn)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(tǒng)的特點
對比以往在淬火加工中采用的控制系統(tǒng),智能控制系統(tǒng)具有以下的特點:
4.1 整個控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)源的形式有機的結(jié)合在一起。兩個子系統(tǒng)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(tǒng)靈活性和擴展性。
4.2 可編程控制器(PLC) 采用循環(huán)結(jié)構(gòu)的模塊化 PC控制模式
可編程控制器(PLC) 采用了循環(huán)結(jié)構(gòu)的控制模式,通過數(shù)據(jù)源提供的控制數(shù)據(jù)才進行每一次的淬火加工控制。
4.3 上位機系統(tǒng)的脫機智能控制
在一般的SPC控制結(jié)構(gòu)中,若上位機系統(tǒng)失靈或異常,就會導致整個控制系統(tǒng)的失靈或異常。而實際生產(chǎn)現(xiàn)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(gòu)中采用了數(shù)據(jù)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(zhuǎn)穩(wěn)定性遠遠強于一般的工業(yè)控制計算機(包括數(shù)據(jù)通信部件的正常運作)。
4.4 加工控制對象和內(nèi)容具有通用性、可擴展性。
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