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(fù)起對國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域進(jìn)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(jìn)、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(jì)各部門和人民生活各方面的需求。
   真空熱處理爐是機(jī)械制造四大基礎(chǔ)行業(yè)(鑄造、鍛造、熱處理、焊接)之一，是機(jī)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(fù)壓條件下加熱到所需溫度，然后以不同冷速進(jìn)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(dá)到預(yù)期的性能要求。它是保證機(jī)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(jī)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(jìn)排氣，爐門自動開啟，小車自動移動，爐火運(yùn)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(jī)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(bǔ)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(yùn)動狀態(tài)，數(shù)據(jù)的記錄。監(jiān)控有豐富的顯示畫面；強(qiáng)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(jī)界面流程圖顯示小車、爐火運(yùn)動狀態(tài)并就記錄電爐控溫曲線；

控制柜安裝HMI人機(jī)界面，通過RS485通訊接口，采用上下位機(jī)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(yùn)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?！俊⒃谶\(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行控制】，進(jìn)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(rèn)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(jìn)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(jī)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(jī)。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(jìn)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(rèn)】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(jī)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(jìn)溫度控制設(shè)備

    真空熱處理爐系統(tǒng)中我們采用了先進(jìn)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(jìn)行PID調(diào)節(jié)的一種新型算法，在誤差大時，運(yùn)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(jìn)后的PID算法進(jìn)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(yuǎn)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?fù)]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(jìn)行強(qiáng)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(jìn)行自動檢測和調(diào)節(jié)，達(dá)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(jìn)行控制的場合。它具有強(qiáng)大的編程及操作能力，可進(jìn)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(yùn)行、暫停及停止等可編程/可操作命令，可在程序控制運(yùn)行中修改程序；具備二路事件輸出功能?？赏ㄟ^報警輸出控制其他設(shè)備聯(lián)鎖動作，進(jìn)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(yùn)行/暫停/停止等操作，以實現(xiàn)連鎖、同步啟動運(yùn)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(yùn)行的總時間，單位是min，有效數(shù)值從1－9999。
    運(yùn)行時間：指當(dāng)前段已運(yùn)行時間，當(dāng)運(yùn)行時間達(dá)到設(shè)置時間時，程序自動跳下一段運(yùn)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(yùn)行/暫停（run/HoLd）：程序在運(yùn)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(yùn)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(yùn)行，此時運(yùn)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(yùn)行操作，則儀表將從STEP設(shè)置的段號啟動運(yùn)行程序?？稍诔绦蚨沃芯幦胱詣油Ｖ沟墓δ埽⑼瑫r對運(yùn)行段號STEP值進(jìn)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(jìn)行修改）。
    事件輸出：由程序編排發(fā)生?？稍诔绦蜻\(yùn)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(jī)事件：指儀表接通電源或在運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)。
    準(zhǔn)備（rdy）/測量值啟動功能：在啟動運(yùn)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(fù)）偏差報警值(dHAL及dLAL)時，儀表并不立即進(jìn)行正（或負(fù)）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(fù)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(jìn)行設(shè)置。準(zhǔn)備/測量值啟動功能可保證了運(yùn)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(yùn)行時測量值與給定值不一致而對程序運(yùn)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(yùn)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(jìn)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(yùn)行、暫停及停止等可編程/可操作命令，可在程序控制運(yùn)行中修改程序；具有二路事件輸出功能?？赏ㄟ^報警輸出控制其他設(shè)備聯(lián)鎖動作如：警燈、風(fēng)機(jī)、報警，進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行PID調(diào)節(jié)的一種新型算法，在誤差大時，運(yùn)用模糊算法進(jìn)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(jìn)后的PID算法進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(yùn)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(jìn)行PID調(diào)節(jié)的一種新型算法，在誤差大時，運(yùn)用模糊算法進(jìn)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(jìn)后的PID算法進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yuǎn)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(jī)等大型成套設(shè)備，研究完善向機(jī)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(jìn)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(jī)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。