自动控制系统网络在热处理过程监控上的应用

韩雨芯

摘  要：随着我国综合国力的不断提升，我国科学技术也有了很大的提高，自动化技术逐渐应用到各个行业种，在热处理工艺上，自动控制系统网络的应用也逐渐提上日程。本文主要对自动控制系统网络在热处理过程监控上的应用做论述，详情如下。

关键词：自动控制系统网络;热处理;监控应用

引言

热处理自动控制系统在当今石油机械的生产中应用已经非常广泛，但多数用于加热炉温度-时间曲线的实时记录上，功能单一，人机交互界面差，而且热处理现场工艺及生产管控的模式依然陈旧，自动化程度低，远不能满足当前质量控制的要求。

1热处理过程中存在的主要问题

一是产模式陈旧。生产管理人员要频繁去生产班组核实才能掌握当前加热炉动态，既不便于生产管理调度，模式陈旧，又效率低下。二是出错概率大。班组操作、生产管理、成本工时核算及检验等人员各自输入和统计产品热处理的相关信息，在输入和传递信息时容易出错、遗漏。三是生产过程实时监控不便。虽然生产现场操作人员可以实时掌控生产动态，但生产管理人员、技术人员、检验员等不便实时监控现场生产动态和工艺执行的正确性。

2自动控制系统网络在热处理过程监控上的应用

2.1热处理自动化线

热处理自动化线由自动控制系统、淬火加热炉、回火加热炉、淬火水槽、自动淬火操作机、上下料台、冷却循环搅拌系统等部分组成。自动控制系统主要分为加热温度控制及动作控制。首先是温度控制。通过工控机，设定温度参数后，传送至控温仪表，对加热炉进行温度控制。同时，加热炉中的热电偶把温度信号转换成电信号，通过仪表转换成被测炉膛温度，反馈至工控机。其次是动作控制。工控机通过PLC对淬火操作机的动作电动机、液压电磁阀，炉门的升降电动机、冷却循环搅拌系统的电动机、电磁阀进行控制，并通过传感器反馈的温度、电流、电压、淬火机位置、液位高度等信号，传送给工控机，实现闭环控制。自动淬火操作机托运料盘及缸筒工件以完成整个淬火及高温回火的热处理过程，具体流程为：人工摆料到放置料盘的料台上→自动淬火操作机自动取料后托运工件到淬火加热炉炉前→工件进淬火加热炉，缸筒工件水平放置于炉中支腿上。自动淬火操作机后退，炉门关闭→工件开始加热保温、时间到→自动淬火操作机托料出炉→将工件送到淬火水槽内，开始水平淬火→淬火时间到，工件出淬火水槽→自动淬火操作机托运工件进回火加热炉→回火完成，自动淬火操作机托运工件运行到料台位置，卸料。工件在加热炉内加热时，由炉内热源传给工件表面，工件表面得到热量并向工件内传播，常用的加热方式有随炉加热和到温入炉加热等方式。热处理自动化线采用到温入炉的加热方式，传统的热处理炉一般采用随炉加热方式。两种加热方式，由于介质与被加热工件表面温度差不同，导致加热速度不同。在相同的加热介质下，工件的炉内排布方式，装炉量会影响热量传递效率，需要对保温时间进行修正。

2.2自动控制系统网络

在作业现场区域，管理和监控的信息主要包括炉内装载产品，加热炉状态是升温还是保温，炉温是否已经均匀，上料台是否就位，淬火机械手是否存在异常，以及淬火冷却介质温度、淬火池冷却系统是否正常工作等。同时，现场数显屏幕看板显示当前炉温、介质温度等工艺参数摘要信息，方便作业现场的人员查看。在控制系统机房，加热炉控制柜与现场隔离，避免现场环境影响控制元器件，备用的圆盘记录仪在计算机出现故障时可以记录热处理温度和时间，异常报警系统可在系统出现问题时，通过声音和报警灯提示工作人员。

2.3时滞复杂网络的精密温度自动控制

在工业生产中，温度的控制对产品性能的稳定性具有重要的影响，尤其是在高精度仪器生产过程中，对温度的控制稳定性与精确性有着更高的要求，所以提高时滞复杂网络环境下的精密温度控制性能至关重要。虽然时滞网络的同步已经取得了很大进展，但大多数学者研究的是同质系统，而实际环境中外部干扰和参数不确定等因素对温度控制系统会造成异质性的影响，因此对异质复杂网络进行研究非常重要。在温度的自动控制中，由于恒温控制是一种非线性的时变过程，可以通过最小二乘法拟合将其转换为动态线性系统，进而通过控制器对温度进行控制。控制器的控制对象为热源温度，实时温度的采样结果作为系统的输入，经过控制器控制后调节温度范围，达到稳定热源温度的目的。

2.4回火态拉伸性能与硬度

随着回火温度的提高，钢的抗拉强度、屈服强度和硬度总体呈下降趋势，且下降趋势相似。当回火温度较低时，合金元素的扩散能力较弱，大部分合金元素仍然存在于基体中，主要强化机制为固溶强化，此时的强度和硬度均较高，在400℃回火时的抗拉强度高达1325MPa。随着回火温度的提高，马氏体组织逐渐发生分解，基体中碳化物的析出速率加快，导致固溶强化的效果减弱，强度快速降低。随着回火温度的提高，C原子的固溶强化作用已完全消失，但由于强碳化物形成元素Mo的合金碳化物弥散析出，成为固溶体的主要强化相。材料的强度和硬度随回火温度升高而降低的趋势有所下降，在600～640℃之间抗拉强度从988MPa降低到928MPa，抗拉强度随回火温度升高而降低的速率减小至1.500MPa/℃。进一步提高回火温度时，合金碳化物逐渐发生聚集和长大现象，对位错运动的阻碍作用大大减弱，使得硬度和强度急剧降低。同时，材料的基体发生高温回复，位错密度显著地降低，导致强度和硬度进一步降低。在640～730℃之间抗拉强度从928MPa降低到674MPa，抗拉强度随回火温度升高而降低的速率大幅增加至2.822MPa/℃。当回火温度提高到740℃时，这时的回火温度已超过钢的相变温度Ac1，部分基体组织发生了奥氏体转变，并且在后续的冷却过程中形成马氏体组织，使抗拉强度和硬度均有一定程度的提高，但屈服强度下降明显。

2.5热轧板带加热炉炉温自动控制

之前的热炉炉温控制是先设定好加热炉生产过程中空气和燃气的比例，岗位操作人员再手动调整各个加热段煤气量控制燃烧器火焰的大小，进而控制各个加热段的炉气温度。并且，操作人员要时刻监控加热炉炉内坯料位置运行变化、钢种规格变化的衔接、冷坯和热坯的交替和炉内热电偶实时反馈的炉温温度等工况。以上工作工人劳动强度大。加热炉炉温自动控制系统参考系统内部算法的控制逻辑设定，以炉温自动控制初始条件进行计算叠加，对不同钢种、不同规格及不同入炉温度的轧制计划坯料所需炉温目标自动取值，判断和计算叠加，将最终计算结果下发至加热炉一级控制，由一级系统自动调整煤气流量以达到所需的炉气温度。并且，加热炉炉温自动控制系统有实时反馈功能。按接收到一级反馈的各热电偶温度综合计算得出的当前炉气温度，对现有的计算方式进行调整计算。操作人员在目前的工作条件下，无需频繁手动调整煤气量的增加和减少，也无需时刻盯着炉内热电偶实施反馈的炉温温度，只需要关注温度干预窗口的数值，对加热炉炉温自动控制系统进行少量人工干预，可实现平稳生产。

结语

总之，自动控制系统网络集多终端监控、多点位记录、数据自动记录、数据统计管理等特点于一体，有效地加强了过程监控的力度，在保证生产过程质量的同时，又大幅提高了工作效率。

参考文献

[1]樊东黎.中国热处理的过去、现状和未来[J].热处理，2004（3）：1-11.

[2]蒋克全，洪锋，巢軒.热处理工厂数字化管控应用实践[J].金属加工（热加工），2016（S2）：20-25.