炉群集中控制系统的构想和设计

2024-02-22王冠群陕西宏远航空锻造有限责任公司

锻造与冲压 2024年1期

文／王冠群·陕西宏远航空锻造有限责任公司

热加工企业会大量使用加热炉，比如锻造企业里的锻造厂房和热处理厂房均有加热炉，无论是电炉还是燃气炉都有控制仪表系统和相关设备，导致原本厂房空间就紧张的情况就越发加重。同时，每个加热炉的仪表系统都有一套针对加热炉的控制系统，而且这些仪表种类非常多，不便于观测和调整。以往行业里就形成了一种“巡视”的做法，但这种情况也难免出现个别加热炉无法巡视到位的现象而影响了产品的生产。针对这种情况，笔者在2009 年就提出了炉群集中控制系统的设计思路，并通过十余年的工业实践不断优化，提出了较完善的解决方案。

目前行业内加热炉使用情况

目前加热炉的种类有很多种，每种加热炉配置的仪表柜和仪表系统又都不尽相同，究其原因就是热加工企业被动地接受了设备生产企业生产出来的设备，而没有根据企业需要系统地提出自己的需求。

加热炉种类

电炉和燃气炉是热加工行业里普遍应用的两种类型的加热炉。

仪表柜类型

仪表柜用的控制表为西日本横河UP55A，报警仪表为UM33A；记录表为日本天野AH 系列(可以自动切换量程)，英国欧陆808 和上海大华。根据每个加热炉的控制区不同配置不同的仪表柜，仪表柜有不同的结构，多数的仪表柜只能用纸质表盘；带无纸记录仪的仪表柜可以自动记录加热数据，形成电子表盘，这种仪表柜具备USB 输出端口。

存在的问题

⑴不同类型的加热炉配置的仪表控制系统和硬件仪表柜都不相同，多数企业都是“杂牌军”，企业在实际使用和维护中也产生了不少困难，给设备管理增加了难度。

⑵每个仪表柜占用厂房里一定的场地空间。由于多数仪表柜使用的是可控硅的方式，并通过XYZ 或星形接线的方式来管控各自分区的仪表，通过弱电的方式控制380V 的工业用电。一般一个仪表柜占地面积约0.5m2，如果按照每个加热炉三区配置的话，仪表柜需占用约1.5m2的面积；大型的加热炉有五区甚至更多区的控制，在现在寸土寸金的厂房里显然会占用过大的面积。

⑶厂房里布局多个加热炉，每个加热炉都有2～3个仪表柜，不便于对加热的产品进行管理，之前通过巡视的方式难免有遗漏，甚至造成产品加热时间过长，加热温度超温等问题，不能第一时间发现该类问题就有可能造成整炉产品报废。另外一方面，通过巡视的方式可以说费时费力，对企业紧缺的人力资源也是一种浪费。

⑷大量的纸质表盘不利于记录归档和日常操作。而且因加热时间长，纸质的表盘可能会有半米到1 米的长度，因为温度梯度的设置还需要来回调整仪表量程，可以说非常麻烦。另外，由于之前的纸质表盘分辨率还达不到最新的标准要求，比如AMS2750G 要求每格的分辨率在0.2°，这些老式的系统越来越不适应企业日益发展的需要。

⑸纸质表盘不利于统计分析。由于现代企业管理的需要，我们经常需要对加热的数据进行统计分析，但是多数的纸质表盘无法实现这样的功能，或者无法快速、高效地实现这样的功能。尤其是无法系统地对某一类产品的加热温度、时间等参数信息进行管理，更无法快速地解决现场出现的质量问题，可以说这是信息孤岛。

炉群集中控制系统的设计

设计思想和理念

⑴炉群集中控制系统的设计思想是减少主厂房中仪表柜的占地面积，目标是实现仪表柜矮化处理或从地面消失，从而实现厂房面积和空间的有效利用。

⑵应用系统思维的方法，实现加热数据的电子化记录。

⑶结合目前的物联网实现加热数据的即时传输和智能分析。

炉群集中控制系统布局

⑴硬件布局。

现在常用的电加热炉一般电路元件有8031芯片、8255A 芯片、74LS373 芯片、6116 芯片、2764 芯片、ADC0809 转换器、温度检测元件及变送器等，温度调节仪是控温系统的核心部分，采用单片机控制，实现这一功能的主要硬件设备是热电偶或热电阻,智能PID 温控仪，可控硅触发调功器等。尤其是采用固态继电器的方式，体积大，成本高，同时需要配置散热装置。

按照矮化处理或从地面消失的理念，所有的仪表柜要改变目前使用可控硅固态继电器的控制方式，否则无法进行矮化处理，更无法从地面消失，从地面消失也不是将仪表柜从主厂房挪到副跨厂房里。将可控硅固态继电器的硬件方式转换为工业弱强电模块化芯片的方式可以从根本上解决这一问题。

⑵软件系统的布局。

目前单个的仪表系统可以通过温控系统实现自动控温和记录，主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置，但是加热数据是无法合并和转移到企业的其他信息系统上，这需要借助软件系统来实现。软件系统至少要实现几大功能模块，但不限于：加热数据的自动记录系统、数据的自动传输系统、数据的智能分析和控制系统。

①加热数据的自动记录系统：根据工艺的要求结合CAPP 的主要工艺参数，自动匹配零件号进行炉前的加热数据设置，并通过可视化展现加热炉负载情况，当然要包含加热物料的零件号、炉批号、数量、锭节号、加热炉的编号，以及TUS 信息、仪表工、加热工、检验员的相关信息等内容。加热参数的设置、加热过程中和加热完成后的不同时段，仪表工、加热工和检验员应被授权电子签章确认。

自动记录系统要实现的功能主要是分别记录加热炉的每个分区温度和时间；根据加热的工艺要求和相关标准要求自动勾画加热曲线，加热曲线要有足够的分辨率；或者同时毫秒级的记录加热温度和时间信息，这些信息可以按照企业的需要实现电子图表等不同形式的输出。根据需要可以实现打印功能，曲线实现放大缩小的功能。

在加热过程中出现因炉丝断裂等故障导致的炉温异常情况，要能第一时间进行声像报警提醒和控制处理，对异常加热曲线要能自动着色标注，以方便追溯。

系统记录的内容也包含每个加热炉的TUS 和SAT 相关信息，合格区大小，测温时间和测温操作者等，并在到期之前进行预约提醒功能。

系统数据一旦形成将不能进行修改，这是一个非常重要的功能，防止电子记录被篡改，否则系统数据将会失真。

⑵数据的自动传输系统。

数据自动传输系统包含加热曲线等电子数据自动传输到企业ERP 系统，每个加热炉的加热物料进度可以实现自动传输，对出现的炉温异常数据能够根据企业的设置实时传送到主管技术人员、质量人员的电脑中。加热数据同时具备即时存档的功能，按照企业的需求进行编码归档，多数的归档信息编码是按照加热物料的件号、名称作为主索引归档编码。如果企业的客户有需求，企业履行审批手续后，可以通过系统将加热数据和加热炉的TUS 信息传送给顾客。

数据传输系统还需开放一定的权限给相关的技术人员、质量人员和管理人员，让其能够查询到现场生产物料加热数据和已经归档的数据信息。

⑶数据的智能分析和控制系统。

对加热数据的分析要点：根据顾客的需要按材料牌号进行加热温度的SPC 控制分析，结合零件的力学性能指标适当地调整温度。分析的类型不限于：对同一零件不同时期的加热温度、时间等进行分析；对同一顾客的不同零件进行分析；对同一材料牌号的不同零件进行分析；对不同加热炉的功效进行分析等。分析结果形成报告和图表可供需要的人员使用。

在结合数据记录功能的基础上，可以拓展以下功能：如果加热温度和时间没有达到CAPP 参数规定预设数值，加热炉无法开启；在达到该参数的预设数值时，则预先声响提醒并打开炉门，完成本次加热的操作；在加热炉出现异常时，可以根据预设的处理流程进行中断加热等的智能处理。