AIMINI-DCS超小型監控系統在真空熱處理爐應用
廈門宇電自動自動化科技有限公司 開發部 邵平
關鍵詞：真空熱處理爐、AI程序調節器、
一、概述：
我國真空工業經過50多年的發展，已形成了門類齊全結構完整的工業體系，肩負起對國民經濟各領域進行技術裝備的重任。多年來，行業企業通過技術引進、技術改造和合資合作等方式，使企業管理水平、技術水平和產品質量都有顯著的提高。從產品產量、品種、規格和質量上，基本都能滿足國民經濟各部門和人民生活各方面的需求。
真空熱處理爐是機械制造四大基礎行業(鑄造、鍛造、熱處理、焊接)之一，是機械產品制造過程中一個十分重要的關鍵工序。
所謂“真空處理”是指將工件置于負壓條件下加熱到所需溫度，然后以不同冷速進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中加熱、保溫、冷卻以改變其表面或內部組織結構而達到預期的性能要求。它是保證機械零件和工模具內在質量的主要手段，是充分發揮金屬材料潛力、節約材料的有效途徑。正確地進行熱處理可以提高零件和工模具使用壽命，提高產品質量，工件入爐后通過抽氣將爐內空氣排出，達到快速排氣，減少換氣時間，提高滲速，從而縮短生產周期，提高生產效率，降低了生產成本。
眾所周知，熱處理質量取決于熱處理工藝及設備，先進的熱處理設備不僅能正確完成熱處理工藝而且兼有節能、防止污染功能，從而實現節能、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超小型集散監控系統智能化程序控溫，分別用于控制和記錄爐膛溫度及真空度。這些數據存儲在HMI人機界面數據庫中。
在真空熱處理爐安裝的自動換氣裝置，自動進排氣，爐門自動開啟，小車自動移動，爐火運動狀態，在AI-2070無紙記錄儀流程圖中更直觀的顯示。 圖1
二、AIMINI-DCS超小型集散監控系統應用領域
是采用【傳統的HMI人機界面＋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控系統】填補了監控加記錄小型化設置的空白，使快速組建小型成為現實。
AIMINI-DCS超小型集散監控系統在真空熱處理爐實現了智能化程序控溫，爐門自動開啟，小車自動移動，爐火運動狀態，數據的記錄。監控有豐富的顯示畫面；強大的設置功能；完善的程序控制處理；實用方便的數據統計功能；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字調節儀表來控制電爐可控硅，HMI人機界面流程圖顯示小車、爐火運動狀態并就記錄電爐控溫曲線；
控制柜安裝HMI人機界面，通過RS485通訊接口，采用上下位機的方式，能方便地與AI智能程序型PID溫度調節器，AI－3011開關量模塊配合使用。
在電爐程序控溫時在觸摸屏上可顯示雙曲線運行圖、屏內儲存15段升降溫程序、程序圖形重顯；可即時設置、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】【暫停】、在運行狀態下切換【手動/自動】狀態，手動控制輸出量；即時修改【段號】，指定運行段；及修改儀表控制參數等多種功能；追憶記錄的溫度曲線數據。數據報表、報警報表的打印
①實時程序監控6個數據，運行狀態與數據同時顯示，動畫編輯安裝通訊地址來安排連接。
②觸摸屏參數設置、升降溫程序配方曲線保存上傳、下載：
對于518P、708P、808P程序參數設置，點擊【運行控制】，進入【手/自動、編程設置控制平臺】；在【編程界面】用組別配方來設置程序段【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】；設置好程序配方選中配方組。
③數據保持：采樣時間默認為6秒，用戶可以設定的范圍是：6秒~3600秒；用戶可以設定的范圍是：60分~300分；數據保存按先進先出的原則；觸摸屏的外插U盤來保存數據；標配2G的電子硬盤。
數據可通過微型打印機打印數據報表、曲線；或通過U盤在PC上備份Excel電子表格數據至上位計算機。按年/月/日/小時來保存數據源文件。
④在觸摸屏上用多曲線的形式來直觀的顯示記錄U盤中的數據，顯示該時間段內相關通道間被測量的變化關系。按通道順序排列1、2、3、45、6固定組合在一起的通道組合，對于需要比較關鍵參數通道可將儀表地址編排在同一組顯示趨勢曲線，這樣就更好的進行比較分析工藝參數的對象變化。點擊【數據框】返回【實時畫面】通道。可選擇啟用單條或6條曲線顯示趨勢變化；查詢歷史數據設置起始時間及時間跨度；設置數據范圍使曲線顯示在圖表中央，不同的數據范圍啟用單條查詢。觸摸屏顯示是當前的起始時間，改倒退起始時間：年/月/日/時/分/秒；修改時間跨度：時/分/秒設置；點擊【確認】按鈕，系統即刻顯示歷史曲線、數據報表；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據，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容：
2、隨時打印
配備微型打印機在觸摸屏上直接點擊打印按鈕可打印歷史數據、曲線。
數據曲線查詢打印：手動設置查詢的報表時間內容，打印每行5個數據；
數據曲線即時打印：手動打印當前剛剛采集到的報表內容，每行5個數據，連續換行；圖2
二、先進溫度控制設備
真空熱處理爐系統中我們采用了先進的AI人工智能調節器。AI調節器是控溫系統的核心部分，AI儀表首創性地采用了平臺概念，將非常專業化的數字調節儀表轉為平臺化設計的產品，采用的是AI人工智能調節算法是采用模糊規則進行PID調節的一種新型算法，在誤差大時，運用模糊算法調節，以消除PID飽和積分現象，當誤差趨小時，采用改進后的PID算法進行調節，并能在調節中自動學習和記憶被控對象的部分特征以使效果最優化。 圖3
自整定方法簡單應用方便：由于自整定執行時采用位式調節，經2~3次振蕩后，儀表內部微處理器根據位式控制產生的振蕩，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。具有無超調、高精度、參數確定簡單、對復雜對象也能獲得較好的控制效果等特點。
在使用過程中AI調節器 結合PID調節、自學習及模糊控制技術，實現了自整定/自適應功能，及無欠調的精確調節，性能遠優于傳統PID調節器。
1、控制系統硬件配置：
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；控制系統見上圖1。爐門傳動控制系統執行前后爐門的升降操作，爐門控制系統為點動操作控制。電氣控制上具有上下限及升降聯鎖控制。
2、系統控制功能
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，處理爐上下閥門關閉，工件區全封閉，加熱器周邊均布，因而熱損小，溫度均勻。由于熱區材料選用電爐絲、陶瓷纖維不銹鋼材料，工件環境純潔，無高溫揮發物質污染被處理材料。冷卻時，上下閥打開，通過爐子后部特殊設計的風冷換熱系統，可對爐內工件進行強制氣體循環冷卻。一般來說，燒結工藝對設備的真空度、溫度等參數要求較高，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、工作環境純潔，保溫性能很好，升溫速度較快。根據真空燒結爐的特點，采用AI儀表構成的模糊控制器對爐溫進行自動檢測和調節，達到均勻加熱的目的。
控制系統我們采用了 宇電AI-708PAK3L1L1S4溫控表：AI－708P程序型儀表用于需要按一定時間規律自動改變給定值進行控制的場合。它具有強大的編程及操作能力，可進一步提高控制設備的自動化程度。它具備50段程序編排功能，可設置任意大小的給定值升/降斜率；具有跳轉、運行、暫停及停止等可編程/可操作命令，可在程序控制運行中修改程序；具備二路事件輸出功能。可通過報警輸出控制其他設備聯鎖動作，進一步提高設備自動化能力；可通過安裝外部開關執行程序運行/暫停/停止等操作，以實現連鎖、同步啟動運行或方便操作；具有停電處理模式、測量值啟動功能及準備功能，使程序執行更有效率及更完善。
3、功能及概念：
程序段：段號可從1－30，當前段(STEP)表示目前正在執行的段。
設定時間：指程序段設定運行的總時間，單位是min，有效數值從1－9999。
運行時間：指當前段已運行時間，當運行時間達到設置時間時，程序自動跳下一段運行。
跳轉：程序段可編程為自動跳轉到1－30段中的任意段執行，可實現循環控制。通過修改STEP的數值也可實現跳轉。
運行/暫停（run/HoLd）：程序在運行狀態時，計時，給定值按預先編排的程序曲線變化。程序在暫停狀態下，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，也可由人隨時執行暫停/運行操作。暫停狀態下儀表仍然保持調節功能。
停止（stoP）：執行停止操作，將使程序停止運行，此時運行時間被清0，事件輸出開關復位，并且停止控制輸出。在停止狀態下執行運行操作，則儀表將從STEP設置的段號啟動運行程序。可在程序段中編入自動停止的功能，并同時對運行段號STEP值進行設置。也可人為隨時執行停止操作（執行后STEP被設置為1，不過用戶可再進行修改）。
事件輸出：由程序編排發生。可在程序運行中控制2路報警開關動作，以方便控制各種外部設備同步或連鎖工作。
停電/開機事件：指儀表接通電源或在運行中意外停電，可提供多種處理方案供用戶選擇。用戶可以通過設置儀表的參數（run）設置儀表重新上電后的運行狀態。
準備（rdy）/測量值啟動功能：在啟動運行程序由于爐體的溫度和儀表設置的初始溫度之間有偏差，并且其差值大于正（或負）偏差報警值(dHAL及dLAL)時，儀表并不立即進行正（或負）偏差報警，而是先將測量值調節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、負偏差符合要求后才再啟動程序。準備/測量值啟動功能用于設置無法預知升／降溫時間的段也十分有用。要允許或取消準備/測量值啟動功能，可在run參數中進行設置。準備/測量值啟動功能可保證了運行整條程序曲線的完整性，準備/測量值啟動功能用于解決啟動運行時測量值與給定值不一致而對程序運行產生的不確定性，以獲得高效率、完整并符合用戶要求程序運行結果。
程序曲線的編排：
程序曲線的編排；程序表調節器可用于按一定時間規律自動改變給定值進行控制的場
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，可設置任意大小的給定值升、降斜率；具有跳轉（目標段只限于前30段）、運行、暫停及停止等可編程/可操作命令，可在程序控制運行中修改程序；具有二路事件輸出功能。可通過報警輸出控制其他設備聯鎖動作如：警燈、風機、報警，進一步提高設備自動化能力；具有停電處理模式、測量值啟動功能及準備功能，使程序執行更有效率及更完善。
4、參數設置：
根據系統的要求我們可以選用各種儀表類型如AI-708PAK3L1L1S4型
AI-708P智能調節器增加了30+20段時間程序控制功能，前30段可編程為自動跳轉執行,實現循環控制,采用先進的模塊化設計，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：繼電器觸點開關輸出模塊；
儀表的調節功能采用先進的AI人工智能PID調節算法。AI人工智能調節算法是采用模糊規則進行PID調節的一種新型算法，在誤差大時，運用模糊算法進行調節，以消除PID飽和積分現象，當誤差趨小時，采用改進后的PID算法進行調節，并能在調節中自動學習和記憶被控對象的部分特征以使效果最優化。具有無超調、高精度、參數確定簡單、對復雜對象也能獲得較好的控制效果等特點。改進后的PID參數是采用宇電特有的M 5、P、t等控制參數來表示的。
調試方式：控制儀表AI-708PAK3L1L1S4增強型智能調節器 ，三相過零觸發控制。
5、調試方式：
程序儀表自整定時把第一段程序設置為常用溫度或最高溫度啟動自整定，此時時間停止運行。
參數設定后首先要自整定。AI人工智能調節算法是采用模糊規則進行PID調節的一種新型算法，在誤差大時，運用模糊算法進行調節，以消除PID飽和積分現象，當誤差趨小時，采用改進后的PID算法進行調節，并能在調節中自動學習和記憶被控對象的部分特征以使效果最優化。具有無超調、高精度、參數確定簡單、對復雜對象也能獲得較好的控制效果等特點。
AI系列調節儀表還具備參數自整定功能，AI人工智能調節方式初次使用時，可啟動自整定功能來協助確定M 5、P、t等控制參數。初次啟動自整定時，可將儀表切換到顯示狀態①是PV測量值SV給定值的狀態下，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，表明儀表已進入自整定狀態。自整定時，儀表執行位式調節，經2~3次振蕩后，儀表內部微處理器根據位式控制產生的振蕩，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。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，自整定需要的時間可從數秒至數小時不等。儀表在自整定成功結束后，會將參數CtrL設置為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CtrL設置為2的方法進行啟動。具體的操作要參考說明書。
系統在不同給定值下整定得出的參數值不完全相同，執行自整定功能前，應先將給定值設置在最常用值或是中間值上（對于AI-708P/808P程序型儀表，可通過修改當前程序段值來改變給定值以滿足要求），如果系統是保溫性能好的電爐，給定值應設置在系統使用的最大值上，再執行啟動自整定的操作功能。參數CtI（控制周期）及dF（回差）的設置，對自整定過程也有影響，一般來說，這2個參數的設定值越小，理論上自整定參數準確度越高。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節的誤動作，這樣反而可能整定出徹底錯誤的參數。推薦CtI=0-2，dF=2.0。此外，基于需要學習的原因，自整定結束后初次使用，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調節器 結合PID調節、自學習及模糊控制技術，實現了自整定/自適應功能及無欠調的精確調節，性能遠優于傳統PID調節器。
三、結束語
AIMINI-DCS超小型集散監控系統在真空熱處理爐實現了智能化程序控溫，對真空熱處理行業：真空冶煉爐、真空熱處理爐、真空浸漬設備和真空鍍膜機等大型成套設備，研究完善向機電一體化方向發展。隨著真空熱處理技術及其應用的不斷完善和發展，高質量、低成本，熱處理的節能、精密、高效、環保、的持續發展，
采用AIMINI-DCS超小型集散監控系統在真空熱處理爐又是一創新技術，它有助于提高熱處理質量、提高生產效率、降低生產成本、促進我國熱處理行業的技術發展。
由于采用了AI人工智能調節器具備優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”特性的可控硅觸發模塊，能直接用時間比例過零、周波過零或移相方式觸發各種單向、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的發展，真空熱處理爐自動控制系統得到了快速的發展，AIMINI-DCS超小型集散監控系統的功能不斷提高，控制系統都得到了很好應用和發展。開發采用由數字通訊控制儀表＋HMI人機界面的真空熱處理爐自動控制系統，使真空熱處理爐的技術更具有飛躍的提高。
