李遠(yuǎn)慧，李遠(yuǎn)哲

(1.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.武漢寶德機(jī)電有限公司，湖北 武漢 430080)

自動(dòng)中頻淬火機(jī)床是軋輥熱處理加工的關(guān)鍵工裝設(shè)備，該設(shè)備采用立柱式結(jié)構(gòu)，低速大扭矩液壓馬達(dá)-絲杠驅(qū)動(dòng)工件上下運(yùn)行與旋轉(zhuǎn)，無(wú)級(jí)調(diào)速、加熱均勻；三段式預(yù)熱，爐內(nèi)溫度一致；中頻感應(yīng)線(xiàn)圈加熱，溫度控制精準(zhǔn)；特殊頂針設(shè)計(jì)，大大提高可靠性。

該設(shè)備采用PLC控制，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)安裝、調(diào)試工作量小，具有故障判斷，記錄功能，降低判斷故障難度，減少故障處理時(shí)間等特點(diǎn)。特別是，在該系統(tǒng)中采用了閉環(huán)過(guò)程控制，提高了設(shè)備性能。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 工藝概述

中頻淬火機(jī)床主要由機(jī)械部分、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成。其工藝流程為：首先通過(guò)人工輔助將工件裝在淬火機(jī)床下頂尖處，將工件牢固裝卡；然后按下液壓?jiǎn)?dòng)和工件上升按鈕，啟動(dòng)工件提升機(jī)構(gòu)將工件快速上升送至工件預(yù)熱爐內(nèi)預(yù)熱；待工件加熱至設(shè)定溫度并保溫兩個(gè)半小時(shí)后，再按液壓?jiǎn)?dòng)工件，水泵啟動(dòng)，工件旋轉(zhuǎn)，工件下降等按鈕，將加熱后的工件慢慢下降至中頻感應(yīng)加熱器中，在碰上加熱上限位開(kāi)關(guān)后停止并發(fā)出警示聲響，此時(shí)合上淬火勵(lì)磁電源，中頻加熱電源開(kāi)關(guān)，按中頻啟動(dòng)按鈕，中頻電源切換至本機(jī)床進(jìn)行加熱；當(dāng)加熱溫度上升到設(shè)定度時(shí)，工件重新開(kāi)始下降，同時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使工件慢速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)淬火冷卻噴水環(huán)噴出的冷水對(duì)工件進(jìn)行淬火，直至工件碰上加熱中限位開(kāi)關(guān)后，淬火電機(jī)的輸出功率下降后進(jìn)行低溫保溫一分鐘，斷開(kāi)淬火勵(lì)磁電源，中頻加熱電源開(kāi)關(guān)，按中頻停止按鈕，將中頻電源與本機(jī)床斷開(kāi)，全部淬火完成。工件繼續(xù)下降到下限位自動(dòng)停止，待工件冷卻四分鐘后卸下送至下一個(gè)工部加工。其操作順序見(jiàn)圖1。

圖1 自動(dòng)中頻淬火機(jī)床工藝流程圖

1.2 控制要求

中頻淬火機(jī)床可實(shí)現(xiàn)如下功能：控制三段電阻式加熱爐對(duì)軋輥進(jìn)行恒溫控制；控制中頻發(fā)電機(jī)的輸出功率，對(duì)軋輥進(jìn)行恒溫加熱；控制液壓馬達(dá)升降和旋轉(zhuǎn)；控制水泵開(kāi)啟；記錄各種過(guò)程工藝參數(shù)；對(duì)各種故障進(jìn)行監(jiān)控和報(bào)警。

1.3 控制系統(tǒng)構(gòu)成與配置

按工藝要求，系統(tǒng)采用工控機(jī)作為上位機(jī)，完成參數(shù)設(shè)定、遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能；采用PLC作為下位機(jī)，完成數(shù)據(jù)處理、設(shè)備控制等功能。上位機(jī)與下位機(jī)間通過(guò)PPI電纜進(jìn)行通訊。系統(tǒng)構(gòu)成與配置，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)中頻淬火機(jī)床控制系統(tǒng)框圖

PLC采用西門(mén)子200系列，該系列PLC運(yùn)行速度快、模塊擴(kuò)展能力強(qiáng)、體積小、性?xún)r(jià)比高、能滿(mǎn)足該系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。CPU采用CPU266，自帶24個(gè)輸入點(diǎn)，14個(gè)輸出點(diǎn)，可擴(kuò)展7個(gè)模塊，具有PID功能，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力；擴(kuò)展模塊采用EM233數(shù)字混合模塊、EM231模擬輸入模塊和EM232模擬輸出模塊。

工控機(jī)均采用的是臺(tái)灣研華生產(chǎn)的主板和板卡產(chǎn)品；爐溫測(cè)量?jī)x表采用的是香港華潤(rùn)公司的WP系列儀表，監(jiān)測(cè)三段預(yù)熱爐的溫度，功率控制單元采用的是單相交流晶閘管進(jìn)行控制；光電測(cè)溫儀采用的是上海自動(dòng)化儀表公司的產(chǎn)品，監(jiān)測(cè)軋輥淬火前實(shí)際溫度和控制淬火溫度；中頻發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用的是單相全波整流晶閘管控制。

監(jiān)控系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件，其融整個(gè)機(jī)床的過(guò)程控制設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)操作于一體，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、遠(yuǎn)程控制、故障記錄等功能。

PLC編程軟件采用Step7-Micro/Win32軟件，其具有編程簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)周期短、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。

2 控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)

2.1 預(yù)熱爐的恒溫控制和軋輥的中頻淬火溫度控制

該系統(tǒng)主要控制關(guān)鍵在預(yù)熱爐的恒溫控制和軋輥的中頻淬火溫度控制。

軋輥在爐膛中預(yù)熱時(shí)，由于爐膛成豎立管狀，熱量由下往上被抽走，容易導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)下部溫度低，上部溫度高現(xiàn)象。為了保證整個(gè)軋輥各部分溫度恒定，采用了三段加熱，熱電偶測(cè)軋輥各段溫度，PID閉環(huán)控制，通過(guò)單相交流晶閘管控制三段電阻式加熱器的輸出功率，保證爐溫在恒定值，且各段之間爐溫相等。軋輥預(yù)熱溫度接近600℃，保溫時(shí)間約150 min。

在感應(yīng)加熱過(guò)程中，金屬的導(dǎo)磁率、電阻率等特性會(huì)隨金屬溫度的變化而變化，但是要保證被加熱金屬的溫度恒定，就必須調(diào)整熱功率輸出。為了保證軋輥表面加熱溫度一定，淬火溫度控制通過(guò)光溫度測(cè)量傳感器適時(shí)測(cè)量軋輥表面溫度，可以將實(shí)測(cè)溫度值與設(shè)定值偏差輸入PID閉環(huán)控制器，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流控制電機(jī)輸出功率。淬火溫度一般控制在900～1 400℃范圍，其控制原理如圖3所示。

圖3 預(yù)熱爐溫度PID控制框圖

其中，

sp(t)為溫度設(shè)定值；

pν(t)為熱電偶溫度傳感器測(cè)試的軋輥實(shí)際溫度值；

e(t)為設(shè)定值與實(shí)際值之間的偏差值。

做為PID控制環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)，當(dāng)偏差大于0（即溫度過(guò)低）則發(fā)熱功率增加，當(dāng)偏差小于0（溫度過(guò)高），則發(fā)熱功率減小。

模擬量PID控制器的輸出表達(dá)式為

式中，

m(t)為控制環(huán)節(jié)輸出信號(hào)；

Kp為比例系數(shù)；

TI為積分時(shí)間常數(shù)；

TD為微分時(shí)間常數(shù)；

m為積分部分的初始值。

要實(shí)現(xiàn)PLC處理，必須將模擬量離散化，離散后的表達(dá)式為：

式中，

m(n)為第n次運(yùn)算后輸出信號(hào)；

Kc為比例項(xiàng)增益；

Ts為采樣周期；

MX為第n次采樣前所有積分和。

在調(diào)試時(shí)，采用工程中廣泛使用的擴(kuò)充響應(yīng)曲線(xiàn)法，求得滯后時(shí)間t、上升時(shí)間常數(shù)T1,然后根據(jù)擴(kuò)充響應(yīng)曲線(xiàn)法參數(shù)整定表，采用不同控制度下的參數(shù)進(jìn)行控制，比較控制效果，選取效果好的一組參數(shù)作為初始設(shè)定值。在初始設(shè)定值的基礎(chǔ)上，進(jìn)行調(diào)試，取得了理想的控制效果。

2.2 液壓系統(tǒng)的控制

在該機(jī)床中，液壓系統(tǒng)也是其重要組成部分之一，負(fù)責(zé)軋輥的升降與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)在操作畫(huà)面上點(diǎn)擊“液壓?jiǎn)?dòng)”圖標(biāo)時(shí)，繼電器控制電機(jī)交流接觸器就會(huì)接通，電機(jī)開(kāi)始工作，5 s鐘后，電磁溢流閥得電，系統(tǒng)升壓；點(diǎn)擊“工件上升”或“工件下降”圖標(biāo)時(shí)，升降電磁換向閥左位（右位）得電，控制工件升降的雙向馬達(dá)順時(shí)針（逆時(shí)針）轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)絲桿帶動(dòng)軋輥上升（下降），當(dāng)上升到指定位置，點(diǎn)擊上升停止圖標(biāo)，或下降到限位開(kāi)關(guān)位置，升降電磁換向閥斷電；當(dāng)在操作畫(huà)面上點(diǎn)擊“工件旋轉(zhuǎn)”圖標(biāo)，旋轉(zhuǎn)電磁換向閥左位（右位）得電，控制工件旋轉(zhuǎn)的雙向馬達(dá)順時(shí)針（或逆時(shí)針）旋轉(zhuǎn)，單擊“旋轉(zhuǎn)停止”圖標(biāo)后，旋轉(zhuǎn)電磁換向閥斷電單擊“液壓停止”圖標(biāo)后，電磁溢流閥斷電，系統(tǒng)卸荷，電機(jī)交流接觸器斷開(kāi)，電機(jī)停機(jī)。該控制過(guò)程都是通過(guò)PLC開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)，配合24VDC線(xiàn)圈的繼電器來(lái)完成。

在該液壓系統(tǒng)中，液位設(shè)有極低、較低、高液位三個(gè)點(diǎn)，過(guò)濾器帶有壓差發(fā)訊器，溫度繼電器設(shè)有溫度低于10℃和60℃兩個(gè)定值，這些信號(hào)接入PLC的開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)時(shí)，當(dāng)相關(guān)信號(hào)接通時(shí)，在操作臺(tái)畫(huà)面上會(huì)有相關(guān)故障提示，并控制相關(guān)繼電器狀態(tài)改變。

3 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)備采用全數(shù)字自動(dòng)控制技術(shù)，利用組態(tài)王作為上位機(jī)組態(tài)軟件、PLC作為下位機(jī)控制器，采用數(shù)字PID控制方法，自投入使用以來(lái)，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)單、溫度準(zhǔn)確控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

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