智能型密封多用爐生產線計算機控制

有關智能型密封多用爐生產線計算機控制

　　自動生成最優化的氣體滲碳工藝技術.滲碳時間和擴散開始時間滲碳層的碳濃度分布曲線的形狀對滲碳零件的性能有顯著的影響，但是傳統的按經驗制訂的二段滲碳工藝很難實現滲碳層碳濃度分布的控制，尋找獲得平臺狀的濃度分布曲線的方法乃是國內外先進的滲碳控制技術所追求的目標。除了表面濃度及有效硬化深度所對應的濃度之外，還需要以第三點作監控目標。該文認為，在強滲期結束擴散期開始之后，直至濃度分布曲線達到平臺狀之前，在濃度分布曲線上有一點的濃度是不變的(圖中C )。若以濃度分布曲線第一次通過c 點時刻作為強滲期結束擴散期開始的判據(圖中曲線1)，此時立即將表面含碳量降，則在達到有效硬化深度時，恰好獲得平臺狀的濃度分布曲線(圖1中曲線。

　　所給出的只是一種理想化的方法，實際上，在擴散期開始之后表面碳濃度由降低到C 需要經歷?段時間(取決于爐氣碳勢下降的速率和氣一固反應傳遞系數B)。在實際生產情況下，交點C 并非固定不變。因而采用上述方法在實際滲碳過程中并不能保證最終獲得平臺狀濃度分布曲線。

　　儀控制三個點是不夠的，應以整個滲層濃度分布曲線的最終形狀作為控制的目標。該文將某一時刻的濃度分布曲線(圖2中曲線1)高于晟終濃度分布曲線(圖2中曲線2)的面積定義為S1，曲線1低于曲線2的面積定義為S z，布擴散期內使S-中的碳擴散到S 中就得到最終的濃度分布曲線(見圖，因此以S =S：作為擴散期開始的判據。該文又指出，在實際生產中s。應略大于s z，即以S-=a Sz為擴散開始的判據，并認為a值略大于1，約為1.1。問題在于a值是否為常數?它受何種因素影響?為此我們用計算機模擬和剝層分析相結合的方法進行了研究，發現在實際生產中有多種因素，諸如滲碳層深度、與CS 、傳遞系數B、碳在奧氏體中的擴散系數、爐子的降溫速率和氣氛碳勢的降低速率等等都對a值有明顯的影響，a值在0.9—2.2的大幅度內變化。因此以S。=S 或S =a S：為擴散開始的判據，在實際生產中很難保證獲得平臺狀的碳濃度分布曲線。

　　在計算機模擬研究的基礎上我們采用下述計算機輔助設計方法。根據第三類邊界條件非線性瞬態濃度場數學模型進行滲層濃度分布曲線的 ‘算機模擬計算，經過反復疊代以確定開始轉入擴散階段的時間t ，開始降溫時間t 及總時間t (見圖3)。采用非線性模型(工藝參數作為時間的函數)在模擬計算中考慮爐子的升溫速率、降溫速率、滲碳初期碳勢上升速率和由滲碳期向擴散期過渡時碳勢下降的速率，不同階段中傳遞系數的變化，及溫度對擴散系數的影響等因素。首先由計算機從知識庫中調用相近的案例，給出 s的初值，然后按圖3的工藝規程進行瞬態濃度場模擬，求得出爐時的濃度分布曲線，它與c6水平線的交點即為有效硬化深度6。如果6計算>6設定，則縮短 6和 7重新計算;若6計算<6設定，則延長 6和 7重新計算，直至6¨_算=6設定。另一方面，以計算的濃度分布曲線上的最高點c? 第一 次降至cs +O.05%C作為獲得平臺狀的最件濃度分布曲線的判據。如果此時設瘧，則延長 s重新計算，反之則縮短 s重新計算，直至獲得同時滿足6計算=61世定及c =Cs2+O.05%的最優化T豈規程。

　　滲碳期的氣相碳勢上海交通大學的動態碳勢控制技術f 3嘟將滲碳期的碳勢作為時間的函數，在滲碳初期將氣相碳勢控制在較高的水平，使鋼表面的碳濃度C S迅速上升。當C S達到設定值之后，氣相碳勢連續降低，使保持不變，這就可以加快滲碳速度。wtinning指出，如果初期氣相碳勢控制在析出碳黑的極限，將獲得最快的滲碳速度且使最終的濃度分布曲線出現最寬的平臺。

　　方法所追求的是一種理想的最優化方案，卻并非是在所有生產情況下都能實現的方案。

　　經驗告訴我們，任何一臺滲碳爐只可能保證在其裝料區內達到 定程度的溫度均勻性，在爐膛中不可避免存在溫度低于滲碳溫度的區域。當爐氣的碳勢控制在對應于滲碳溫度下析出碳黑的極限(即爐氣的成分在滲碳溫度下與石墨平衡)時，對丁.爐膛內溫度低于滲碳溫度的區域，氣相將處于過飽和碳的狀態，將有碳黑在該處析出。這種現象對于井式氣體滲碳爐尚無大礙，因為在每次進出爐時，大部分碳黑會被燒掉。然而對于密封多用爐而言，大部分碳黑將積聚在爐內，以致無法正常生產。本公司生產的密封多用爐，滲碳期的氣相碳勢沒定為1.10% l_15%圖3中第1階段)，當工件表面的碳濃度達到C S 之后，為了控制表面碳勢保持不變，需要令每一時刻通過界而反應由氣相轉移到工件表面的碳流通量恰好等于由表面向內擴散的碳流通量，因此，隨著滲碳時問的延長氣相碳勢的控制值應逐漸降低，如圖中的第1I階段。

　　計算機自動生成最優化_L藝根據2.1和2.2所述的原理已開發成功通過計算機模擬生成最優化滲碳工藝的軟件，本文所指的最優化并非理想的最優化，而是在密封多用爐生產線上有可能實現的事實卜的最優化。全部模擬計算以及調l用不同鋼種的活度系數和擴散系數，氣同反應的傳遞系數，氣相碳勢的最高設定值等均由計算機自動完成，用戶只需要輸入工件材料，有效硬化深度等技術要求，計算機即能自動生成最優化的滲碳工藝規程。分別是計算機智能控制系統的模擬計算、滲碳過程模擬工藝計算和最優化工藝規程的顯示界面。

　　/CAM自動連接的無紙化生產當計算機白動生成最優化的工豈規程之后，可以按二種方式山計算機按照最優化上藝規程對牛產過程進行自動控制。

　　直接進入自動控制。

　　用戶輸入T什材料和滲碳技術要求之后，點擊確定按鈕，計算機控制系統自動按優化上藝規程進行生產過程的自動控制。

　　存入工藝庫中，供控制子系統自動調用。

　　上述 種無紙化生產方式都可以最人限度減少人為的差錯，使本產品成為CAE/CAD自動連接的無紙化氣體滲碳白動生產線。若工程技術人員想事先了解滲碳的進程及優化工藝設計情況，在用戶輸入工件材料和滲碳要求等信息之后，可以在“模擬和工藝設計”視窗中觀察到模擬運算的情況，了解在滲碳過程中不同時刻的濃度分布和優化工藝規程的設計結果，經確認后存入“工藝庫”中，隨后可以按工藝號或零件號自動調用。上述操作可以在不中斷過程控制的情況下進行，計算機系統在“前臺”不間斷地進行生產控制，在“后臺”接受輸入信息、進行工藝優化設計。因此工程技術人員可以在任何時刻在不影響當時生產過程控制的情況下進行計算機輔助優化工藝規程的操作，隨后本生產線按每一爐的工件號或工藝號進行生產過程的全自動控制，實現無紙化自動化生產。

　　動態碳勢控制技術一自動消除偏差所造成的后果除本系統之外，目前世界上所有的密封多用爐生產線制造商所提供的控制系統都采用旨在消除實測值與設定值之間的偏差的控制模式，例如自整定控制、模糊算法控制等，雖然可以消除偏差，但不可能消除已產生的偏差對滲碳過程造成的影響，以致其后的滲碳過程將在一定程度上偏離了最優化狀態。氣體滲碳是一種具有大滯后特性的過程，偏差所造成的后果顯得更明顯。為了保證滲碳質量的重現性，在本生產線上采用了能夠消除各種偏差所產生的后果的動態碳勢控制技術。

　　圖5是動態碳勢控制子系統的組成圖。在動態碳勢控制軟件中設置了快速計算濃度分布曲線的子程序，可以根據實測的爐溫和氣相碳勢等采樣值即時計算出瞬態濃度場，求出當前時刻最優化的c 的設定值，在生產過程中根據具體的情況實現最優化動態控制。

　　動態碳勢控制技術由于采用了數學模型在線運算的創新性控制方式，從而能夠消除偏差所造成的后果。圖6給出了一個例子。在一次滲碳過程中發生了滲碳劑供應中斷的故障，動態碳勢控制軟件能及時計算出在氣相碳勢下降和恢復期間的碳濃度分布曲線變化情況，隨后自動給予補償，以消除偏差所造成的后果。圖6中的虛線表示在動態碳勢控制第階段理論上的最優化控制曲線，由于滲劑供應故障，使c 偏離曲線，在計算機發出調節指令和報警的同時，傳感器繼續將各種測試數據輸入計算機，并由計算機不斷計算出每一時刻的濃度分布曲線。按照一般的過程控制理念，當C 重新恢復到理論上的優化控制曲線時，意味著偏差已被消除。

　　但是計算機模擬的結果表明，對碳濃度分布曲線而言，偏差所造成的后果十分明顯。因此在動態碳勢控制技術中，當C 恢復到理論上的最優化控制曲線之后(在偏差消除之后)并非像傳統的控制方法那樣立即令c 跟蹤原定的控制曲線，而是令c 繼續上升，及至Cs重新達Nc .之后，再按動態碳勢擰制的算法計算氣相碳勢的設定值。用這種方法可以使滲碳過程恢復到最優化的狀態，達到事實上的最大滲碳速度和最佳的濃度分布，使滲碳質黽的重現性得到切實的保證。

　　熱處理數據庫和工藝庫數據庫中存貯我國及美、德、俄等吲常用滲碳鋼的成分、活度系數、擴散系數、氣一同反應物質傳遞系數、氣相反應的平衡常數等數據，系統運行時自動調用有關數捌即可自動生成最優化滲碳 藝并自動完成生產過程控制。

　　系列智能型密封多用爐牛產線所配置的數據庫是?種可擴展的數據庫，用提示輸入新的滲碳鋼的相關數據，或者是 些新的滲碳方法的傳遞系數、擴散系數，就可以擴大牛產線的應用范圍，也可以由上海交通大學先進熱處理遠 服務巾心站提供數據支援。主計箅機及時讀取所有傳感器的采樣值和所囪‘機械動作的運行信號，并由主計算機根據最優化工豈和動態控制系統作出的決策，用數據通訊的方式分別向所有的智能化儀表~HPLC或鉀能控制單 已發送各種控制沒定值，從而使所有的執行元件根槲最優化工藝的要求協調一致地工作，包括滲碳爐溫度、氣氛碳勢的控制、工藝時間控制、密封多用爐的爐rJ啟閉和全部進出爐自動操作、淬火 降臺的操作、淬火油溫度的監控、淬火汕惜攪拌速度的控制、清洗機和回火爐的自動操作和叫火溫J曼控制、料車和裝料平臺的操作等，使整個生產線都置于計算機的集·}J控制下實現自動化生產，并住上計算機的屏幕上直觀地顯示所有傳感器的測試數據。用圖形顯示生產線的操作狀態及故障報警，還具有彩媒體攝像頭從屏幕上觀察生產線作狀況的功能。

　　可擴展性由于本生產線的硬件配置充分考慮到了牛產管理和過程控制一體化的需要，今后只要擴腱軟件的功能就可以使生產線的整體功能提升。例如，正在開發的故障自診斷、生產顧草管理等： 系統將使本生產線的計算機生產管理功能提升到較高水、 已初步開發成功的滲碳層 維濃度場碳濃度分布計算機模擬和控制子系統(罔8)『F存試運行，別于提高滲碳零件質量將有重大作用。

　　使用大容積油槽，內簧導向槽和導流板，配備變頻調速攪拌裝置，攪拌速度和淬火油楷溫度部可根據中心計算機的控制指令進行調節。

　　采用變頻調速攪拌裝置雖然增加了設備的成本，但可以使冷卻過程納入控制狀態，可以根據滲層硬度分布預報的結果對不同大小的工什采用小同的攪拌速度，并且可以在不同的冷卻階段采用不的攪拌速度，目前是用慢一快一中一慢一靜止多個階段的冷卻方式，有助于減少工件的崎變。

　　配置變頻調速攪拌裝置也為今后將淬火冷卻計算機模擬技術應用于密封多用爐生產線打下物質基礎。

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