基于工控机及PLC长轴氮化炉温度控制系统的研究_图文


2010 年 4 月 第 38 卷 第 7 期

机床与液压
MACH I E TOOL & HYDRAUL ICS N

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 控制理论 , 研究开发了一种基于工控机及 PLC 的 D 长轴氮化炉计算机温度控制系统 。通过工业计算机 、西门子 PLC、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 : TG156; TG273; T M571161    文献标识码 : A    文章编号 : 1001 - 3881 (2010) 7 - 046 - 3

   我国热处理设备延用着苏联时代的 “ 老三炉 ” , [1 - 2 ] 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 ≥315 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 [1 - 2] 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 20 世纪 70 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 。

收稿日期 : 2009 - 04 - 22 基金项目 : 广东省科技计划 ( 2008B010400011) ; 广州市科技计划 ( 2008Z1 2 D371) 资助 作者简介 : 袁清珂 ( 1963 —) , 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 : 020 - 39322221 ( O ) , 13925176456。 E - mail: qkyuan @ gdut1 edu1 cn。 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

DO I: 10. 3969 / j1 issn11001 - 3881120101071015
1

基于工控机及 PLC长轴氮化炉温度控制系统的研究
袁清珂 , 李朝光 , 杨志文
1 1 2

theory, a control system of long shaft nitrifying stoves based on industrial control computer and PLC was developed. Based on Siemens realized to form compact control system. The results p resented in testing furnace indicate that this system can obtain the best of control Keywords: M ultivariable control system; P I ; Coup ling; Vacuum; N itriding D

perfor mance.

PLC, A /D and D /A modules, intelligent instrument, electric actuator and so on, the date coup ling for multi2controlled variables was

YUAN Q ingke , L I Chaoguang , YANG Zhiw en ( 11College of M echanical & Electrical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou Guangdong 510006, China; 21Foshan Younger Furnace Industry Co1, L td, Foshan Guangdong 528231, China)
表 1  昆机 (轴长 ≤5 m ) 的氮化技术参数 硬度 渗层 /mm ≥0150 ≥0140 脆性 /级别 Ⅱ Ⅱ ≥HV980 ≥HV950 精磨前 精磨后 ≤0105 ≤0101

( 11广东工业大学机电工程学院 , 广东广州 510006; 21佛山扬戈炉业有限公司 , 广东佛山 528231 )

Research on Con trol System of L ong Shaft N itr ify in g Stoves Ba sed on Industr ia l Con trol Com puter and PLC
1 2

Abstract: To increase the temperature control p recision of deep furnace and the inner temperature uniform ity, using P I control D

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 [ - 2] 的保护气氛氮化设备已经跟不上时代步伐 。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 。
变形 /mm

  工艺流程 : 粗加工 →淬火 →回火 →精加工 →氮 化→ 精磨 (单边磨 0105 mm ) 。 本设备主要是针对材料为 38Cr oA l 的长轴工件 M 而设计的 , 当然也适用于其他材料和轴长 , 如 40Cr 等 、轴长 ≤5 m 等零件 。

Ap r12010 Vol138 No17

第 7期

袁清珂 等 : 基于工控机及 PLC长轴氮化炉温度控制系统的研究

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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 移相触发控 D 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 74 ~144 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 [5] 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 、MCGS 工 控 软 件 、 西门子 PLC、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 图 1   基于工控机及 PLC 的 流量和真空压力的多变量 多变量控制系统组成 控制 。 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 参数值 。实现工 D 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 MCGS监控软件 , 作为本设备的 上位软件 , 并以 W indows 2000 和 W indows XP 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 [6 ] 作简单 , 扩展性强等特点 。如图 2 所示为 PLC 温 控系统的基本构成 , 它包括上位机和 PLC 的主控系 统 、可控硅 ( SCR ) 、电阻丝及热电偶等 5 部分 , 其 中 SV 和 PV 为温度的设定值和采样值 。

图 2  长轴真空氮化炉温控系统组成

3  基于 PLC 的 P I 控制原理与流程 D 本设备炉内空间大 、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 PLC 的 P I 温度控制方法能够有效解决这个问题 。 D P I 控制的原理基本公式 ( 1 ) : 输出 M ( t) 是比 D 例项 、积分项和微分项的函数 。
M ( t) = KC e ( t) + KI e ( t) d t +M initial + KD de ( t) / d t ( 1 )
0



t

式中 : M ( t) 为闭环回路的输出 , 时间的函数 ; KC 为 P I 回路增益 ; K I 为积分项的比例常数 ; KD 为微分 D 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) = SV ( t) - PV ( t) ; M initial为 P I 回路输出的 D 初始值 。 而要想在 PLC 上实现 P I 控制必须将连续算式 D 离散化为周期采样偏差算式 , 如公式 ( 2 ) 。
M ( t) = KC e ( t) + K I ∑ + M intial + KD ( e ( t) 1
t

e ( t - 1) )
t

( 2)

式中比例项 KC e ( t) 为当前 t采样周期下基本偏差 的函数 ; 积分项 K I ∑ 为第 1 个采样周期到当前 t采样 1 周期所有基本偏差的函数 ; 微分项 KD ( e ( t) - e ( t 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 PLC 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 。
M ( t) = KC e ( t) + K I e ( t) + KD ( e ( t) - e ( t - 1 ) )

( 3) ( 4)

进一步简化为公式 ( 4 ) 。
M ( t) = M P ( t) + M I ( t) + MD ( t) http://www.cnki.net

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机床与液压

第 38 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) 为采样时间 t的微分项值 , 如公式 ( 7 ) 。
M P ( t) = KC ( SV ( t) - PV ( t) ) M I ( t) = KC TS / T I ( SV ( t) - PV ( t) ) + M X MD ( t) = KC TD / TS ( PV ( t - 1 ) - PV ( t) )

( 5) ( 6) ( 7)

其中 SV ( t) 为为采样时间 t 的设定值 , PV ( t) 为 采样时间 t 的过程变量值 , TS 为采样时间 , T I 为积 分时间 , TD 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。M X 的初始值为 M initial。 而采用可控硅 ( SCR ) 移相触发连续调功 , 可在 4 ~20 mA 以内输出 0 ~100%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 ( IPC ) 往 PLC 输入 并读取工艺曲线 , 而 PLC 则通过 A /D 模块采集温 度 PV 和上位机输进的温 度 SV 进行 P I 运算 , 并 D 图 3  长轴真空氮化 通过 D /A 模块输出模拟 炉温控流程 信号 , 结 合 移 向 触 发 可 控硅 ( SCR ) 进行输出功率控制 , 进而实现温度的 P I 控制 , 如图 3 所示 。 D 利用 PLC 编写的 P I 温控系统是氮化比较理想 D [9 ] 的温度控制调节系统 。它具有可持续改变氮化炉加

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 控温点不能布置于加热区域内 , 因而也会 D [ 10 ] 引起控温偏差 。因此 , 本系统提出了基于工控机 及 PLC 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 SV 曲线和 PV 曲线基本重合 。另外 , 考虑到加热炉的这种大惯性 、 [ 11 ] 大滞后性设备 , 两曲线的误差是可以接受的 。 4  结论 在 2008 年 10 月到 2008 年 11 月底 , 使用本设备 (如图 4 所示 ) 工作了 10 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 ) 。

图 4  长轴真空氮化炉 脆性 / 级别 Ⅱ Ⅰ 硬度 (单边 磨 0105 mm)

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 变形 /mm
3 ~4

   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 :

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传统 HV931 /0144 mm HV950 /0148 mm HV957 /0151 mm HV944 /0150 mm HV925 /0143 mm

HV905 ~HV910 mm

真空 HV1 004 /0157 mm HV1 007 /0159 mm HV1 005 /0157 mm HV1 005 /0156 mm HV1 002 /1156 mm

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HV963 ~HV968 mm 0102 ~0103

(下转第 64 页 )

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表 1  补偿前测量分析结果 均偏差范围 M 系统偏差 E 去程单向重复 R1 回程单向重复 R2
11151 18155 5124 4188 2109 3196 6186 4160

机床与液压
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第 38 卷

反向偏差 B 去程定位精度 A 1 回程定位精度 A 2 定位精度 A

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412   误差补偿实验 从补偿前的测量结果看 , B 轴的定位精度不高且 反向间隙较大 , 但其重复性好 , 可以对其进行定位精 度和反向间隙补偿 。通过计算机对以上的数据进行分 析和处理 , 得出相应的补偿信息 , 将误差传给数控机 床的 CNC 系统 , 完成相应的补偿 。按照补偿前的测 量方法对补偿后的 B 轴再进行一次位置精度测量 , 测量的误差曲线如图 5 所示 。
图 5  补偿后的测量分析曲线图

通过对所测量的误差曲线 , 进行分析和数据处 理 , 根据 GB / T 1742112_2000 标准 , 得到分析结果如 表 2 所示 。
表 2  补偿后测量分析结果 均偏差范围 M 系统偏差 E 反向偏差 B 去程定位精度 A 1 回程定位精度 A 2 定位精度 A 去程单向重复 R1 回程单向重复 R2
3118 9113 5167 9113

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 B 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 :

13126 16105 20198

(″ )

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(上接第 45 页 ) 信号功率谱分析结果看出 : 前 4 个工况均有两个主频 ′ ′ ′ ′ ′ ω1 (ω1 = 51 Hz) 和 ω2 (ω2 = 145 Hz) , ω1 和上节分 析的小风机叶片第二阶静模态分析频率 ( 551439 Hz) ′ 十分接近 。 随着气流攻角的增大 , ω1 幅值逐渐增强 , ′ ′ 而 ω2 幅值逐渐减小 , 到工况 5 时 ω1 的影响越来越 ′ 大 , 而 ω2 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 : (上接第 48 页 )


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