控溫熔鹽電鍍鋁-錳合金鍍層厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

翟　巖，　陳　思

(1.鄭州財(cái)稅金融職業(yè)學(xué)院 現(xiàn)代教育中心，河南 鄭州　450048； 2.鄭州財(cái)稅金融職業(yè)學(xué)院 信息技術(shù)系，河南 鄭州　450048)

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控溫熔鹽電鍍鋁-錳合金鍍層厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

翟巖1，陳思2

(1.鄭州財(cái)稅金融職業(yè)學(xué)院 現(xiàn)代教育中心，河南 鄭州450048； 2.鄭州財(cái)稅金融職業(yè)學(xué)院 信息技術(shù)系，河南 鄭州450048)

為了能很好的控制熔鹽電鍍鋁-錳合金的鍍層厚度，保證電鍍工藝性能，設(shè)計(jì)一種控溫熔鹽電鍍鋁-錳合金鍍層厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由控制器、測厚儀、現(xiàn)場操作員HMI及在線設(shè)定PLC構(gòu)成。詳細(xì)介紹了各模塊的實(shí)現(xiàn)過程。通過MAX1978芯片對(duì)系統(tǒng)電流與電鍍參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)鋁-錳合金鍍層厚度的控制，并在低溫環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。結(jié)果表明，控制效果好，且低溫更能保持鍍層的結(jié)構(gòu)與性能。

溫度控制； 鋁-錳合金； 鍍層厚度； 控制系統(tǒng)

引　言

鋁-錳合金鍍層具有光澤度好、耐腐蝕性強(qiáng)，且抗老化、導(dǎo)電及導(dǎo)熱等優(yōu)點(diǎn)，可作為防護(hù)性鍍層對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行防護(hù)，被廣泛應(yīng)用于航空、汽車、電子通訊和軍事工業(yè)等領(lǐng)域[1-3]。合金電鍍中如果對(duì)溫度控制不當(dāng)，電鍍厚度會(huì)出現(xiàn)控制失衡，影響應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)鋁-錳合金的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，需對(duì)熔鹽電鍍鋁-錳合金的鍍層厚度進(jìn)行智能的控制[4-6]。因此，設(shè)計(jì)一種鍍層厚度智能控制系統(tǒng)對(duì)熔鹽電鍍鋁-錳合金的鍍層厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，是一項(xiàng)較為前沿的技術(shù)[7-10]。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種鍍層厚度智能控制系統(tǒng)，對(duì)熔鹽電鍍鋁-錳合金的鍍層厚度進(jìn)行控制，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析。證明采用改進(jìn)的控制系統(tǒng)，其控制所需時(shí)間短，精度高，具有一定的使用優(yōu)勢。

1　鋁-錳合金鍍層厚度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

新一代系統(tǒng)必須能實(shí)現(xiàn)控溫熔鹽電鍍鋁-錳合金鍍層厚度的控制，從最優(yōu)鍍層厚度控制的角度進(jìn)行分析，該系統(tǒng)的控制對(duì)象主要包括控制器、測厚儀、現(xiàn)場操作員HMI及在線設(shè)定PLC等，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。所設(shè)計(jì)的鍍層厚度控制系統(tǒng)控制器采用CLECIM公司的RTX Target工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，基本配置為2塊40GB硬盤、2.8G的處理器、Pentium IV和512MB的內(nèi)存。

圖1　鍍層厚度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

控制器中的PCI擴(kuò)展槽插入2塊Profibus總線控制卡，一個(gè)連接電鍍中電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，另一個(gè)連接傳感節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程I/O柜及定位器。運(yùn)動(dòng)電機(jī)通過控制器的Profibus-DP總線進(jìn)行控制，完成電鍍過程中電壓的控制；通過獲取遠(yuǎn)程I/O柜中前后室壓力、溫度等檢測信號(hào)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和變頻器實(shí)現(xiàn)電鍍電壓參數(shù)的調(diào)節(jié)。通過設(shè)定PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線上鍍層厚度信息的跟蹤，并將設(shè)定的過程數(shù)據(jù)傳送給控制器。在控制器中，依據(jù)電鍍層的厚度信息完成控制，利用工業(yè)以太網(wǎng)把電鍍層厚度信息輸出給控制器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要使用MAX1978芯片對(duì)電鍍層厚度進(jìn)行控制，MAX1978內(nèi)部安裝有一個(gè)運(yùn)算放大器和積分放大器，構(gòu)成比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器，可使鋁-錳合金電鍍過程保持在電流穩(wěn)定的環(huán)境下。MAX1978電路圖如圖2所示。

圖2　MAX 1978電路圖

與放大器的兩端連接，向偏差電路導(dǎo)入電流與厚度反饋的信息，輸出偏差信號(hào)。通過PID補(bǔ)償，將偏差信號(hào)增加到積分放大器的反相輸入端，經(jīng)PID補(bǔ)償后，對(duì)電鍍中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

利用設(shè)置接口MAXIP、MAXIN和MAXV處的電壓值和外接電阻RSENSE對(duì)通過外接目標(biāo)鍍層厚度控制電路，對(duì)電壓進(jìn)行控制，進(jìn)而控制電鍍層厚度，描述如下：

VTEC=4VMAXV

(1)

VMAXIP=10ITECP(MAX)RSENSE

(2)

VMAXIN=10ITECN(MAX)RSENSE

(3)

針對(duì)開關(guān)參數(shù)的設(shè)置，可通過調(diào)控FB+引腳的電壓值實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)B-引腳電壓值和此刻鍍層厚度相應(yīng)，F(xiàn)B+與FB-引腳依次和放大器的反向與正向相連，如圖3所示。在FB+與FB-兩端電壓值無明顯差異的情況下，認(rèn)為鍍層厚度可達(dá)到既定厚度。

圖3　目標(biāo)鍍層厚度控制電路圖

MAX1978鍍層厚度控制電路關(guān)鍵環(huán)節(jié)是PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)決定整個(gè)系統(tǒng)的控制精度及響應(yīng)速度。如果比例調(diào)節(jié)系數(shù)逐漸增加時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度將大大加快，造成系統(tǒng)超調(diào)量增加，調(diào)節(jié)精度變低；當(dāng)積分調(diào)節(jié)系數(shù)逐漸減少時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度將大大增強(qiáng)，導(dǎo)致靜差消除速度變慢，系統(tǒng)響應(yīng)速度隨之降低。為了有效平衡系統(tǒng)響應(yīng)速度與控制精度間的矛盾，需對(duì)PID參數(shù)的控制過程進(jìn)行改進(jìn)。PID調(diào)節(jié)器公式描述如下：

(4)

式中，KP、KI和KD分別用于描述比例、積分和微分調(diào)節(jié)系數(shù)。

圖4描述PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的MAX1978路外圍，包括INT-和intout外接的電阻電容、引腳difout等。通過R2、R3可確定比例系數(shù)KP，通過R3、C2可獲取積分系數(shù)KI，通過R2與C1可獲取微分系數(shù)KD。得到比例、積分和微分系數(shù)后，通過PID補(bǔ)償即可實(shí)現(xiàn)鍍層厚度的智能控制。

圖4　MAX1978外圍的PID補(bǔ)償

2　鋁-錳合金鍍層厚度控制實(shí)驗(yàn)分析

2.1實(shí)驗(yàn)材料、裝置及方法

2.1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)電解質(zhì)選用主鹽為無水AlCl3與無水MnCl2。無水MnCl2使用前需在250℃下干燥5h左右，無水AlCl3使用前需密封儲(chǔ)藏，實(shí)驗(yàn)θ控制在100～300℃之間。

在電鍍鋁-錳合金時(shí)，陽極選擇厚度為6mm，純度為99.9%的鋁片；陰極選擇厚度為0.6mm的鐵片。

2.1.2電鍍與電鍍裝置

向電鍍?nèi)芤褐刑砑右欢繜o水MnCl2，基板高度為600mm，將兩個(gè)尺寸為30mm×5mm×3mm，純度99.9%的鋁片經(jīng)打磨、除銹處理后作為陽極；將尺寸為5mm×5mm×0.25mm，經(jīng)打磨、除銹處理的鐵片作為陰極，且Jκ為5A/dm2，在MnCl2充分混合熔化成熔鹽后，對(duì)溶體溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)后施鍍。電鍍以后，先切斷電源，再移出試片，使用蒸餾水清洗試片，用超聲波清洗器清洗40min，吹干備用。控溫熔鹽電鍍鋁-錳合金裝置如圖5所示。

圖5　熔鹽電鍍鋁-錳合金裝置

2.1.3實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)涉及到陰極材料處理、陽極材料處理和測試與表征方法。

1)陰極材料的處理。針對(duì)所有金屬鍍層，均需達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：鍍層緊密，厚度均勻，鍍層和基體結(jié)合穩(wěn)固。為了達(dá)到以上要求，需對(duì)基體進(jìn)行預(yù)處理，使其表面不存在油污、銹及氧化層，保證基體表面光滑度，使得鍍液有效浸潤基體表面。

選用的鐵片基體用圖6進(jìn)行描述。電鍍區(qū)域是5mm×5mm，柄部為10mm左右，柄部被聚四氟乙烯密封帶纏繞絕緣，使電鍍區(qū)域和電鍍液接觸。放入電鍍液前，需對(duì)試樣進(jìn)行清洗、打磨、除銹、除油和吹干處理。

圖6　陰極鐵片示意圖

2)陽極材料的處理。陽極尺寸為30mm×5mm×3mm，純度為99.9%的鋁片，在鋁片上部打一個(gè)小孔，用耐水砂紙對(duì)其進(jìn)行打磨，在金相拋磨機(jī)上拋光，經(jīng)清洗后吹干備用。

3)測試與表征。依據(jù)X-射線衍射對(duì)電鍍層相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，儀器選用X' Pert Pro型X-射線衍射儀，其掃描范圍為10°～75°，完全能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。

克萊默博士的浮木研究主要集中在奴河上，這條河流向北流入加拿大北部的大奴湖，然后流入麥肯齊河，最終匯入北冰洋。麥肯齊河相對(duì)未受大規(guī)模工業(yè)發(fā)展的影響，是研究漂流木的長期影響以及與海洋和河流生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系的很好天然實(shí)驗(yàn)室。

截取鍍件斷面，經(jīng)過拋光、鑲嵌及打磨預(yù)處理后，進(jìn)行金相試樣制備，使用LEICADM 4000M型金相顯微鏡測試鍍層厚度。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1鍍層相結(jié)構(gòu)對(duì)鍍層厚度的影響

通過X' Pert Pro型X-射線衍射儀對(duì)鍍層相結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試時(shí)，選用掃描方式，用晶面(hkl)的織構(gòu)系數(shù)TC對(duì)晶面擇優(yōu)程度進(jìn)行描述，公式描述如下：

(5)

其中，I(hkl)用于描述沉積層試樣的hkl衍射線強(qiáng)度；I0(hkl)用于描述標(biāo)準(zhǔn)粉末試樣的hkl衍射線強(qiáng)度；n用于描述衍射峰數(shù)量。當(dāng)某hkl面TC值超過平均值時(shí)，晶面表現(xiàn)為擇優(yōu)取向；當(dāng)衍射面TC值一定時(shí)，hkl取向無序；擇優(yōu)程度隨TC值提高而增高。表1為Al粉末標(biāo)準(zhǔn)譜的相對(duì)強(qiáng)度和衍射峰。

表1Al粉末標(biāo)準(zhǔn)譜的衍射峰和相對(duì)強(qiáng)度

序　號(hào)hkl衍射線強(qiáng)度/A2θ/(°)11112．4451139．52422002．1356645．68532201．5254166．25443221．3212479．56452331．2515183．584

在對(duì)鍍層厚度進(jìn)行測試的過程中，X-射線衍射的掃描區(qū)域?yàn)?2°～76°，在溫度不同的情況下，對(duì)X-射線衍射與鍍層厚度的影響進(jìn)行觀察。

分析圖7可知，在39°、45°和66°處有尖銳衍射峰，與表1標(biāo)準(zhǔn)譜對(duì)比可以看出，分別和A1(111)、(200)與(220)晶面的衍射相應(yīng)，從而獲取三者的hkl衍射線強(qiáng)度。

圖7　溫度對(duì)鍍層厚度及結(jié)構(gòu)的影響

依據(jù)式(5)，通過X-射線衍射結(jié)果求出不同溫度下鋁-錳合金沉積層的TC111、TC200及TC220值，如表2所示。

表2鋁-錳合金沉積層的TC值

θ/℃TC111/%TC200/%TC220/%13526．8453．2222．315529．5447．6525．422530．5449．3820．24

分析表2可以看出，采用不同溫度沉積的鋁-錳合金鍍層，獲取的鋁-錳合金各晶面的織構(gòu)系數(shù)，TC220值都在47.65%以上，說明三者均以(200)晶面為擇優(yōu)取向面。隨著鍍層厚度的升高，TC220值逐漸降低，說明鍍層厚度對(duì)鋁-錳合金晶相結(jié)構(gòu)的影響很大，且厚度薄時(shí)更能保持鍍層相結(jié)構(gòu)的性能。

2.2.2溫度對(duì)鍍層厚度的影響

在其它條件相同的情況下，鍍層厚度和電鍍溫度的關(guān)系如圖8所示。

圖8　溫度對(duì)鍍層厚度的影響

由圖8可以看出，當(dāng)電鍍時(shí)間與電流密度一定，θ不超過180℃時(shí)，鍍層厚度在溫度升高的情況下迅速增加。當(dāng)θ超過180℃時(shí)，鍍層厚度將不隨溫度的改變發(fā)生顯著變化。由此得出，低溫能夠使鍍層厚度迅速增長至一定值。雖然高溫不會(huì)使鍍層厚度明顯增加，但會(huì)導(dǎo)致能耗升高，因此，在低溫條件下對(duì)鋁-錳合金進(jìn)行電鍍更好。

分析以上實(shí)驗(yàn)過程可知，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對(duì)鋁-錳合金電鍍過程中鍍層厚度控制精度較好，更適合鋁-錳合金的電鍍工藝過程。

3　結(jié)　論

本文設(shè)計(jì)一種鍍層厚度控制系統(tǒng)對(duì)熔鹽電鍍鋁-錳合金鍍層厚度進(jìn)行控制。通過MAX1978芯片對(duì)系統(tǒng)電流與方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)鋁-錳合金鍍層厚度的控制，并在低溫環(huán)境下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。結(jié)果表明，低溫下進(jìn)行熔鹽電鍍鋁-錳合金的鍍層厚度的控制，控制效果好，且低溫更能保持鍍層相結(jié)構(gòu)的性能，能夠使鍍層厚度迅速增長至一定值。雖然高溫不會(huì)使熔鹽電鍍鋁-錳合金鍍層厚度明顯增加，但會(huì)導(dǎo)致能耗大大升高。

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Design of Coating Thickness Automatic Control System for TemperatureControlled Electroplating of Aluminum Manganese Alloy in Molten Salt

ZHAI Yan1，CHEN Si2

(1.Zhengzhou Vocational College of Finance and Taxation,Center of Modern Education,Zhengzhou 450048,China;2.Zhengzhou Vocational College of Finance and Taxation,Information Technology Department,Zhengzhou 450048,China)

n order to get good control of the coating thickness of aluminum manganese alloy electroplated in molten salt, ensure the electroplating process performance, a kind of coating thickness automatic control system was designed.The system was mainly composed of controller,thickness gauge,site operator HMI and online setting PLC.The processing realization of each module was introduced in details. Controlling of the coating thickness of aluminum manganese alloy could be realized through adjusting the system current and plating parameters using MAX1978 chip, and the experimental comparative analysis was carried out under low temperature.Results showed that the controlling effect was good,the coating structure and properties could be better maintained at low temperature.

temperature control; Al-Mn alloy; coating thickness; control system

10.3969/j.issn.1001-3849.2016.10.008

2016-05-17

2016-06-02

TN364.2 ，TQ153.2

A