莊 賓，黃 堅(jiān)，濮曉明

（中國(guó)聯(lián)合工程有限公司 裝備工程公司，浙江 杭州 310052）

目前我國(guó)生產(chǎn)使用的氣體滲氮爐很多，控制系統(tǒng)大同小異，尤其是井式氣體滲氮爐具有爐膛制作簡(jiǎn)單、均勻性較好等特點(diǎn)，使用最廣。但是該爐型在爐內(nèi)氣氛控制、工藝溫度控制以及產(chǎn)品的硬度均勻性控制等方面存在缺點(diǎn)，設(shè)備使用過(guò)程中亟待提升工藝及維護(hù)水平。筆者在現(xiàn)有的控制系統(tǒng)上進(jìn)行改造，提升人機(jī)界面及數(shù)據(jù)記錄，利用數(shù)據(jù)模型改進(jìn)加熱工藝在加熱段的控制，并增加氣氛檢測(cè)反饋形成控制閉環(huán)邏輯，使得工藝改進(jìn)有依據(jù)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)如圖1所示，由爐殼、爐襯、爐蓋升降機(jī)構(gòu)、爐用密封風(fēng)機(jī)、馬弗罐、真空泵、加熱元件、電控系統(tǒng)及檢測(cè)元件等組成。爐膛為豎井式，內(nèi)有不銹鋼爐罐及料筐，工件放置在料筐內(nèi)，控制氣氛采用滴入式，經(jīng)流量計(jì)和滴管滴入爐罐內(nèi)，風(fēng)扇裝在爐蓋上，可進(jìn)行爐罐內(nèi)溫度及氣氛的強(qiáng)迫循環(huán)，利用真空泵在取工件前排除爐內(nèi)氨氣。利用氨分析儀檢測(cè)爐內(nèi)氣氛并通過(guò)電磁閥控制氨氣的通入量，在爐頂設(shè)置點(diǎn)火燃燒裝置消除產(chǎn)生的氫氣，并通過(guò)優(yōu)化溫度控制模型曲線，利用PLC通過(guò)modbus通訊將工藝曲線參數(shù)下載并傳送給儀表，通過(guò)儀表控制可控硅輸出電阻帶加熱比例，以此縮短加熱時(shí)間，精準(zhǔn)控制加熱溫度。并且在此基礎(chǔ)上增加人機(jī)界面，通過(guò)WinCC界面友好展示相關(guān)工藝數(shù)據(jù)，可以方便地進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，監(jiān)控爐內(nèi)溫度、氣氛等變化，為后續(xù)工藝提升提供大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。

圖1 氮化爐結(jié)構(gòu)示意圖

控制系統(tǒng)如圖2所示，上位機(jī)組態(tài)軟件采用西門子WinCC軟件，該軟件用于可視化和工業(yè)控制生產(chǎn)過(guò)程，是一個(gè)開(kāi)放的、可擴(kuò)展的人機(jī)界面，能快速建立、測(cè)試和部署強(qiáng)大的連接和傳遞實(shí)時(shí)信息的自動(dòng)化應(yīng)用軟件，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)流程，工藝參數(shù)設(shè)定、過(guò)程控制回路實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史趨勢(shì)曲線、報(bào)警歷史記錄查詢以及查詢打印各種報(bào)表等數(shù)據(jù)管理功能。工控機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)與井式爐控制系統(tǒng)采用的西門子可編程控制器S7-1500交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)，具有很高的電磁兼容性和抗沖擊、耐振動(dòng)性能。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

2 傳熱方式

電加熱保護(hù)氣氛罩式爐的傳熱方式是：（1）爐體電熱元件與保護(hù)氣氛罩外壁之間輻射間距很小（間距尺寸與圓周面積尺寸之比很?。?，是平面對(duì)平面、等距離的輻射傳熱。（2）保護(hù)氣氛罩得到的熱量再由內(nèi)壁傳遞給處理工件。

爐體電熱元件與保護(hù)氣氛罩外壁之間的傳熱，可以定為輻射傳熱。根據(jù)輻射傳熱溫度4次方定律斯蒂芬—波爾茨曼定律，黑體的輻射能力為：

式中：E0為黑體表面單位面積在單位時(shí)間內(nèi)輻射出的總能量，J/（s·m2）；T為熱力學(xué)溫度，又稱絕對(duì)溫度，K。

根據(jù)輻射傳熱距離平方定律：

式中：q為表面接受的輻射熱流密度，W；R為表面和熱源點(diǎn)間的距離，m。

3 系統(tǒng)功能及測(cè)試過(guò)程

3.1 爐體結(jié)構(gòu)

根據(jù)輻射傳熱距離平方定律，爐體電熱元件與保護(hù)氣氛罩之間的間距越小越好，一般保證爐體起吊的安全距離即可。因?yàn)闋t體有導(dǎo)向柱的幫助所以根據(jù)爐體的深度（高度）距離在100～200 mm。

同時(shí)根據(jù)輻射傳熱溫度4次方定律，保護(hù)氣氛罩內(nèi)外熱電偶的控制下，保護(hù)氣氛罩材料允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡量提高電熱元件的供熱溫度。

紅外線的直線輻射原理，決定了均勻合理地分區(qū)布置爐體電熱元件是保證保護(hù)氣氛罩溫度均勻性的關(guān)鍵。在爐體電熱元件與保護(hù)氣氛罩之間的間距很小，大大減少了因高度而產(chǎn)生的溫度變化，不需要其他處理。

對(duì)于爐膛特別深的電加熱保護(hù)氣氛罩式爐，為了防止因高度產(chǎn)生的氣流影響，在爐體上每區(qū)之間可加隔環(huán)裝置增加上升氣流的阻力。

3.2 加熱控制系統(tǒng)

由爐子本體、加熱元件、循環(huán)風(fēng)機(jī)、控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)組成，爐內(nèi)采用內(nèi)馬弗罐外側(cè)加熱，通過(guò)內(nèi)部循環(huán)風(fēng)機(jī)吹風(fēng)進(jìn)行氣體循環(huán)加熱，可以提升爐內(nèi)溫度的均勻性，并且通過(guò)熱電偶溫度檢測(cè)實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制，并通過(guò)通訊把工藝控制要求輸送到儀表控制器之中，通過(guò)儀表控制器控制可控硅輸出，調(diào)節(jié)輸出功率，使得溫度能夠按要求進(jìn)行控制升溫，并且在控制過(guò)程中設(shè)置連鎖保護(hù)，保證系統(tǒng)安全可靠。

在測(cè)試過(guò)程中為縮短工藝時(shí)間，充分考慮加熱前期在爐溫度加熱能力，利用分階段的溫控曲線模型，較好地控制前期快速加熱，達(dá)到工藝點(diǎn)后保證溫度不超過(guò)鋁材料控制點(diǎn)，并且通過(guò)分區(qū)控制實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)溫度均勻性要求，如圖3所示。

圖3 鍋爐改造后熱功率及溫度分布圖

圖3 生產(chǎn)溫度曲線圖

圖4為實(shí)際工藝曲線，在實(shí)際控制過(guò)程中通過(guò)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及溫控控制模型預(yù)先以較高的溫度進(jìn)行升溫，判斷爐內(nèi)溫度，使得較快時(shí)間內(nèi)達(dá)到第一階段工藝溫度485～495℃，然后按照氮化工藝要求進(jìn)行初步滲氮；第二階段提升溫度至525～540℃，進(jìn)行進(jìn)一步強(qiáng)制滲氮；第三階段溫度降至485～500℃，進(jìn)行滲氮穩(wěn)定；最后降溫冷卻。

圖4 預(yù)控生產(chǎn)溫度曲線圖

3.3 滲氮控制系統(tǒng)

由氮?dú)夤?、氨分析儀、電磁閥控制系統(tǒng)、手動(dòng)檢測(cè)復(fù)查系統(tǒng)等組成。考慮氨分解率是溫度、時(shí)間和壓強(qiáng)的函數(shù)，隨溫度升高、時(shí)間增長(zhǎng)而升高，隨壓強(qiáng)的升高而下降的特點(diǎn)，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)直接檢測(cè)氨分解率（氮?jiǎng)荩┑臄?shù)據(jù)來(lái)控制氣體滲氮的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)可控氮化，由此獲得高質(zhì)量滲氮層，從而使得工件的硬度滿足要求。并且考慮到儀表檢測(cè)的調(diào)零定位問(wèn)題，在爐罐上設(shè)置手動(dòng)毫米水柱檢測(cè)裝置，以此通過(guò)水柱變化達(dá)到檢測(cè)復(fù)核的目的。

氨氣在一定溫度（例如650℃）下分解的化學(xué)方程式為：

氫分析儀通過(guò)自帶的氣泵抽取爐內(nèi)氣氛進(jìn)行氫氣成分分析，再輸出一個(gè)模擬量給氮?jiǎng)菘刂苾x；氮?jiǎng)菘刂苾x由H2含量可以推導(dǎo)運(yùn)算出氨分解率，根據(jù)氨分解率大小控制氨氣給入量增加或減少。

氮?jiǎng)輳?qiáng)度取決于氨分解率的大小，而氨分解率取決于通入爐內(nèi)氨氣的量的大小。給入量越多，氨分解率越低，氮?jiǎng)輳?qiáng)度越高；給入量越少，氨分解率越高，氮?jiǎng)輳?qiáng)度越低。氨分解率高，爐內(nèi)H2的濃度反而低。原因是氨氣給入量小，爐內(nèi)N2和H2的含量低了，使得氨分解率變高了。爐內(nèi)N2含量低的話，則氣氛氮?jiǎng)萑酰瑵B氮強(qiáng)度低，滲氮電化學(xué)反應(yīng)速度慢，或者不能產(chǎn)生滲氮反應(yīng)，甚至工件會(huì)產(chǎn)生脫氮反應(yīng)。所以，氨分解率不能過(guò)高，一般控制在40%左右。

工件在氮化過(guò)程中有時(shí)發(fā)生氧化，一般認(rèn)為這是由于氣氛中含水量過(guò)大，特別是供入的氨未經(jīng)過(guò)干燥而產(chǎn)生的，因此該系統(tǒng)在使用液氮轉(zhuǎn)換的氮?dú)膺M(jìn)入氮化爐之前還設(shè)置了烘干裝置，對(duì)于水分進(jìn)行控制處理。

3.4 冷卻控制系統(tǒng)

由可拆卸口、冷卻風(fēng)機(jī)等組成，在氮化工藝完成后，爐子的冷卻時(shí)間也是考察氮化爐使用效率的重要因素，通過(guò)合理設(shè)計(jì)冷卻位置及冷卻風(fēng)機(jī)的選型，最大限度地提升冷卻效率，以此提升氮化爐的循環(huán)利用效率。結(jié)合冷卻過(guò)程的溫度，通過(guò)控制冷卻風(fēng)機(jī)及風(fēng)門的開(kāi)度大小來(lái)智能控制冷卻風(fēng)量，使得冷卻過(guò)程可控并且滿足工藝要求。

加熱結(jié)束后，爐體不打開(kāi)，在爐體和保護(hù)氣氛罩中間通入循環(huán)冷卻氣體，冷卻保護(hù)罩。同時(shí)保護(hù)罩內(nèi)也根據(jù)工藝需要通入冷態(tài)保護(hù)氣氛，循環(huán)冷卻工件。

這種冷卻方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在生產(chǎn)負(fù)荷不高，工藝要求冷卻速度不大的熱處理中常用。但是，這種方式需要將爐體也一并冷卻，所以需要大量冷卻氣體，循環(huán)風(fēng)機(jī)功率也大。同時(shí)，下一周期的熱處理時(shí)爐體重新升溫，浪費(fèi)大量能源。

設(shè)置爐頂循環(huán)風(fēng)機(jī)的水冷系統(tǒng)，并且在冷卻系統(tǒng)管路設(shè)置可視化觀察系統(tǒng)、傳感器反饋系統(tǒng)，以此判斷供水情況，用于保護(hù)電機(jī)系統(tǒng)的安全可靠。

3.5 廢氣處理系統(tǒng)

由于氮化爐分解過(guò)程會(huì)產(chǎn)生氫氣，如果累積存儲(chǔ)會(huì)有一定的危險(xiǎn)，因此本系統(tǒng)設(shè)置了專門處理尾氣的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由點(diǎn)火燃燒裝置、真空泵等組成，在加熱完成后通過(guò)點(diǎn)火燃燒裝置除去爐內(nèi)剩余的氫氣，并通過(guò)真空泵抽真空方式排走爐內(nèi)剩余氨氣，由此保證開(kāi)爐取工件的安全性以及減少室內(nèi)氨氣殘留的毒害性。

3.6 可視化人機(jī)界面系統(tǒng)

由PLC、modbus及以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)、工控機(jī)、WinCC圖形顯示界面等組成，通過(guò)通訊連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備檢測(cè)元件、控制系統(tǒng)，可以監(jiān)測(cè)爐內(nèi)溫度狀況、加熱狀態(tài)、爐內(nèi)氣氛含量，遠(yuǎn)程控制風(fēng)機(jī)、真空泵及加熱元件等，并且通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄、結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，提升質(zhì)量及效率。

4 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求分析，將該系統(tǒng)總體的功能模塊以類別進(jìn)行劃分，其總體功能模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)總體功能模塊圖

4.1 權(quán)限管理模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)權(quán)限管理模塊的功能主要包括：系統(tǒng)權(quán)限管理、用戶角色配置及用戶權(quán)限管理。該系統(tǒng)包含普通用戶和管理員兩種角色，管理員負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中的用戶以及用戶權(quán)限的分配。

普通用戶指的是系統(tǒng)的一般使用者，有登錄、操作系統(tǒng)的權(quán)限，但系統(tǒng)所有的刪除操作都不可直接執(zhí)行，需受管理員的限制。

管理員負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)中所有用戶的信息進(jìn)行管理，例如操作權(quán)限的授予，同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)異常情況進(jìn)行處理。權(quán)限管理功能的設(shè)計(jì)可以更好地保證系統(tǒng)的安全。

4.2 集群監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

集群監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)的是本系統(tǒng)底層運(yùn)行環(huán)境中集群資源的使用情況以及集群節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，便于管理員了解和關(guān)注系統(tǒng)資源的使用情況和異常告警事件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常，以顯示告警通知的方式告訴系統(tǒng)管理員。該模塊實(shí)現(xiàn)于Spark Streaming實(shí)時(shí)計(jì)算框架之上，通過(guò)使用Flume采集該系統(tǒng)中集群運(yùn)行相關(guān)的日志數(shù)據(jù)，傳送給Kafka，由Kafka與Spark Streaming進(jìn)行交互，完成對(duì)日志數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果存入Redis數(shù)據(jù)庫(kù)中，由前端集群監(jiān)控界面調(diào)用數(shù)據(jù)接口，展現(xiàn)當(dāng)前系統(tǒng)集群運(yùn)行的相關(guān)情況。該模塊實(shí)現(xiàn)采用的技術(shù)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 集群監(jiān)控模塊技術(shù)架構(gòu)圖

集群監(jiān)控功能模塊的實(shí)現(xiàn)過(guò)程由三部分組成，依次是日志數(shù)據(jù)的采集、Spark Streaming計(jì)算、結(jié)果的存儲(chǔ)或展示。首先Flume集群對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的日志數(shù)據(jù)按時(shí)間順序進(jìn)行采集，通過(guò)編寫(xiě)Flume采集數(shù)據(jù)腳本文件，監(jiān)聽(tīng)HDFS、Spark計(jì)算任務(wù)以及系統(tǒng)CPU等資源使用的相關(guān)端口，采集每一條日志數(shù)據(jù)到指定路徑下，最后當(dāng)日志數(shù)據(jù)文件大小達(dá)到設(shè)置的閾值時(shí)，執(zhí)行發(fā)送給Kafka集群節(jié)點(diǎn)的相關(guān)路徑下，由Kafka Producer負(fù)責(zé)發(fā)送到指定的Topics中，待Spark Streaming拉取計(jì)算。Spark Streaming計(jì)算框架采用直接讀取數(shù)據(jù)流的方式，消費(fèi)Kafka Topic中的數(shù)據(jù)信息并將Kafka中數(shù)據(jù)消費(fèi)偏移量記錄到MySQL中，Spark Streaming下一次會(huì)先去MySQL中讀取該偏移量，再去Kafka中讀下一條數(shù)據(jù)。DStream轉(zhuǎn)換成RDD進(jìn)行相關(guān)算子操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)日志數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果分組存入Redis數(shù)據(jù)庫(kù)中，借助Redis數(shù)據(jù)庫(kù)可持久化數(shù)據(jù)以及支持實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，供頁(yè)面調(diào)用展示。

4.3 數(shù)據(jù)查詢模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)查詢模塊主要針對(duì)已有的生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)和故障信息對(duì)應(yīng)的Hive表進(jìn)行SQL查詢。該模塊主要提供兩種查詢方式，分別是HQL（Hive類SQL）查詢和Spark SQL查詢。一個(gè)查詢?nèi)蝿?wù)實(shí)現(xiàn)的工作流程大概分為選擇查詢方式、指定查詢的目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)和表、提交查詢語(yǔ)句、查詢結(jié)果的可視化四個(gè)部分，該模塊設(shè)計(jì)的查詢功能的工作流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)查詢工作流程示意圖

使用者根據(jù)自己的查詢分析需求選擇相應(yīng)的查詢分析方式，提交的查詢分析語(yǔ)句轉(zhuǎn)變成Spark任務(wù)在Spark集群上執(zhí)行計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果封裝返回給服務(wù)端接口，最后數(shù)據(jù)查詢分析的結(jié)果可以通過(guò)選擇圖形化界面的方式進(jìn)行可視化，對(duì)查詢結(jié)果的可視化給使用者對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行更進(jìn)一步的分析提供了基礎(chǔ)。

4.4 數(shù)據(jù)分析模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分析模塊主要是針對(duì)存儲(chǔ)在HDFS或者Hbase的裝備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用戶通過(guò)實(shí)際的裝備數(shù)據(jù)分析需求，編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的代碼，提交到集群上執(zhí)行。該模塊主要分為兩部分，數(shù)據(jù)離線分析和實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)分析。

（1）數(shù)據(jù)離線分析

對(duì)于數(shù)據(jù)的離線分析，Spark通過(guò)彈性分布式數(shù)據(jù)集RDD（Resilient Distributed Dataset）來(lái)進(jìn)行處理。RDD的核心在于算子的使用，通過(guò)算子來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和分析。

（2）實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)分析

與數(shù)據(jù)的離線分析不同，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)流處理對(duì)于系統(tǒng)的時(shí)效性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，對(duì)于實(shí)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要同步傳輸?shù)募褐?，需要快速完成?shù)據(jù)分析，獲得反饋結(jié)果。

該模塊工作流程大致分為分析數(shù)據(jù)源的導(dǎo)入、分析目標(biāo)的選擇、數(shù)據(jù)源特征選擇、分析算法、分析結(jié)果可視化五個(gè)步驟，分析任務(wù)工作流的設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)分析模塊工作流程示意圖

5 結(jié)論

根據(jù)系統(tǒng)需求，分析研究并設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的功能模塊和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合Hadoop核心功能MapReduce和HDFS，設(shè)計(jì)完成氮化爐設(shè)備智能控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并根據(jù)歷史燒爐數(shù)據(jù)分析計(jì)算，在原有的生產(chǎn)工藝的條件下，通過(guò)優(yōu)化控制系統(tǒng)的組成（包括檢測(cè)手段及控制模型）為生產(chǎn)過(guò)程提升工藝質(zhì)量、改進(jìn)工藝過(guò)程提供參考。