自動控制系統在卷簧鋼帶熱處理的應用

摘 要：渦卷簧是一種用途極為廣泛的彈簧。在航空航天，航船，汽車。以及家用電器都少不了它的身影。鋼帶渦卷彈簧所用的鋼帶在卷繞成型前需要進行熱處理。以達到應用的效果。由于鋼帶生產廠家需同時生產不同規格的產品以及生產數量的需要，生產廠家的熱處理車間都擁有多條熱處理生產線。本文從介紹一個卷簧鋼帶熱處理車間的生產控制系統。它能為多條鋼帶熱處理流水線進行控制。

關鍵詞：渦卷簧 熱處理 控制系統

中圖分類號：TG15 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（b）-0000-00

1.鋼帶熱處理生產工藝要求：

60Si2MnA，65MN等鋼帶是制作渦卷彈簧的常用材料。為了使這些材料制作的預應力卷收渦卷彈簧達到需要的張力和耐疲勞性能，并達到相應的硬度和強度。鋼帶在成型前需要進行兩次熱處理。首先要對剪切好的鋼帶要進入第一部分加熱爐進行加熱，其作用是淬火前加熱，其溫度一般要求在攝氏900到1100度之間。使鋼帶硬度上升。該加熱在四段電爐區域中要分別以不同的溫度加熱處理。進過加熱后的鋼帶隨后需清理并加機油進行淬火。讓鋼材內部組織固定。隨后鋼帶再進入第二部分加熱爐進行回火熱處理，其溫度要求在攝氏400到600度之間。讓鋼帶變成有刃性和彈性。同樣這部分的加熱爐也分為四段加熱。在鋼帶熱處理過程中除了要有不同的溫度加熱外還需有一定的加熱時間以使產品可以達到規定的要求。

2.鋼帶熱處理技術要求：

由于在生產中每條卷簧鋼帶是分兩次在爐中進行熱處理，每次熱處理要在四段爐區分不同溫度進行加熱。為此首先要求控制系統能對每一條線的八個爐區溫度控制在一定精度內。因為工藝要求每條鋼帶在爐內要有確定的熱處理時間，而在工作中每根鋼帶是從卷好的盤中不斷進入爐內，也就是在處理線的后端由卷取電動機帶動卷取裝置拉動鋼帶在爐內移動，所以只要能控制卷取電機的轉速使鋼帶在爐內的直線速度達到確定的數值便能使鋼帶達到合適的熱處理時間。淬火也是熱處理的一個重要組成部分。淬火油的多少直接影響到產品的質量。為此需要對潤滑油的加注量進行監控，并能根據情況做出相應的措施。

整個熱處理車間共有大小線十三條。每條鋼帶生產線都有同樣用途的爐區八個，一個潤滑油淬火加注點和一個卷取和放卷裝置。

由于鋼帶的品種很多。每種鋼帶的熱處理溫度，時間等均不相同。而每條線都會根據需調整生產不同的品種，為此要求這些參數均能由操作人員方便的進行更改。

3.熱處理車間控制系統方案：

整個設計以計算機為控制核心。其中12條小線因各電熱爐功率較小在各區溫度上采用西門子小規模PLC S7-200 用離散量方式去進行控制。由PLC開關量輸出去控制固態繼電器進而控制電爐電熱絲的功率。而一條大線熱處理爐因功率較大采用通用型s7-300 PLC來控制，其各熱處理爐均采用模擬量控制的方式。由PLC的模擬量4-20毫安輸出信號去控制調功器進而控制接在三相交流電路上的晶閘管以調節電爐功率。13條線的各電動機的控制均由PLC的模擬量輸出去控制交流變頻器以控制電動機的轉速。為了節約能源，在爐子的設計上除大線外所有的小線均采用每兩條線的的爐子并裝在一起的方式。為此在電器柜上也是兩條線在一起合并安裝，兩條小線的兩個plc之間的數據通過網絡讀寫方式進行交換，每兩條線裝有一個觸摸屏，生產操作巡視人員可隨時在屏幕上進行觀察和修改生產規格等參數。各PLC之間用PROFIIEBUS-DP 進行通信聯接。S7-300作為主站而 多個S7-200 通過EM277作從站進行數據交換。在主站的顯示屏上除可監控本線的生產外還滿足了用戶要求擔負主監的作用，即可同時監視其它線的生產情況。在主站PLC上還裝有以態網模塊，也可以把整個車間的生產情況通過網絡傳到監控中心。整個系統結圖1所示。

從控制來看首先需用對各條路線的每一段爐溫進行有效的控制，二是要要根據需要對鋼帶傳送電機進行控制，三是要對機油淬火情況進行監測。并根據檢測情況對熱處理生產采取相應的措施。由于熱處理生產線較多，每條線又有多個爐區。每個爐子的保溫等狀況均不相同。為了取得各爐區溫度的控制精度，除在控制參數上要作仔細調整外還可采取多段式PID控制策略。在鋼帶傳送電機轉速上采取用計算機控制電機變頻器的方式。其轉速要根據鋼帶品種，爐溫以及淬火狀況進行調整。

為了讓車間管理人員能掌握熱處理車間的生產情況，除需能實時看到生產信息外，還需了解過去生產狀況。為此在控制上設計了歷史記錄程序，可隨時調用過去的生產狀況記錄以方便調查以前產品的生產過程。

4. 系統軟件設計

4.1控制軟件設計

控制軟件主要有爐溫控制， 傳動控制. 故障處理，數據處理等幾個部分組成.。爐溫控制是項目的核心部分。由于爐區多，功率大小不同，采用的控制方式也有所不同，小線功率小采用的是數字量輸出PID控制.。在S7-200的編程軟件中每個CPU可有8個回路PID控制功能模塊可以使用。 在一般情況下只要把該模塊用pid向導調入并給于配置設定參數后便可方便使用。而大線的控制是采用S7-300可編程控制器，由于它的爐子功率較大則采用模擬量輸出控制的方法。 S7-300使用的編程軟件STEP 7中有幾種PID軟件控制模塊可調用，系統采用了連續溫度控制塊FB58 ，該模塊控制精度高，使用方便，在實際使用中取得了良好的效果。

傳動控制主要是對傳動電機的速度進行控制，有手動和自動兩種控制方法的程序。可根據需要進行選擇。

故障處理程序是生產中必不可少的。由于在生產中有可能會產生如溫度控制不正常，機油加量不正確等各種故障，所以在軟件中編制了故障處理程序。在出現不同的故障時除發出聲光報警請求操作人員來處理外還要自動采取不同相應的故障處理措施。如在晶閘管等器件損壞而產生爐溫失控超出溫度上下限度情況時，故障處理程序先發出聲光報警并采取該回路電熱絲斷電，鋼帶傳動停止等工作。故障處理程序在每次發生故障時還同時把故障點，故障內容，故障時間進行記錄。

因為在每兩條小線以及一條大線均各有一個觸摸操作屏用于顯示和生產操作，為了在這些顯示屏上能監控上各條熱處理線的生產。每兩條相并安裝的兩個S7-200之間需要進行數據交換，S7-300和各S7-200間也需要進行數據交換。而這些需顯示和設置的數據以及向廠監控室傳送的數據都必須要進行處理才能方便使用。為此在每個PLC中都編有不同的數據處理程序以滿足功能的需求。

因為鋼帶的品種規格較多，而熱處理生產是要根據訂貨情況而確定處理相應的品種。這就需要生產人員每更換一次品種就要重新設置各爐區溫度，傳動速度等一系列參數。這是一件非常麻煩的事。要為了方便工作人員的設置參數，在程序中特定設計了配方程序。把通常使用鋼帶規格的熱處理參數列入，在自動方式下操作人員只要在觸摸屏上點入鋼帶規格編號，程序會自動把溫度，轉速等一系列參數輸入到控制中去，極大的方便了換品種生產的過程。

4.2 監控軟件設計

監控界面是控制系統的一個重要的組成部分。在各個觸摸顯示界面上設計有生產狀況，生產操作、參數設置、生產歷史記錄、溫度曲線，故障報警等多個界面。在生產狀況界面上能實時觀察到每條線各溫區溫度，傳動速度，機油加注量等信息。在生產操作界面除可看到鋼帶拖動電機的運行情況外，還可啟停電機的運轉等操作以便更換安裝需處理的鋼帶盤。參數設置界面分手動或自動兩個可切換的界面。手動設置可對每個爐區溫度，鋼帶傳送速度等單獨設置。而自動設置則可在界面上點選鋼帶規格型號，參數將會自動被設置。程序設計每隔兩分鐘記錄一次當時各爐區溫度，傳動線速度，加油量等數據。在歷史記錄界面可以查到過去某一個時間點的這些被記錄的數據，這在分析已經熱處理產品質量時非常有用。故障報警界面是在電氣設備產生一些故障為便于觀察找尋原因而設計的。如在出現加注淬火油量不正確，各區爐溫超差等一系列故障時，故障報警界面會自動彈出。在界面上顯示出故障類型并指出故障可能產生的原因以及處理的方法。

5結束語

以上介紹的卷簧鋼帶熱處理控制系統完成后已投入生產兩年。該系統工作穩定可靠，操作便利，故障率低，控制精度滿足生產要求。在淬火前加熱爐中一般溫度均控制在正負1度之內。回火爐同樣也能控制在正負1度之間，取得了滿意的效果。

參考文獻

[1] 徐 軍，劉圣德， 郝桂龍 . 熱處理電爐集散控制系統. 測量技術，2001（7）

[2] 陳本孝. 高精度熱處理控制系統. 華中理工大學學報，1997（11）