鋁合金淬火爐偶發(fā)性故障的分析與處理

馬有明，賈全勝

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621999）

0 引言

鋁合金淬火爐是自動化程度較高的熱處理設(shè)備，電氣控制系統(tǒng)由1套西門子S7-200PLC作為控制中心，工業(yè)控制計算機、溫控表、溫控儀、觸摸屏、精密傳感器等各自處理相關(guān)參數(shù)，并把控制信息傳遞給可編程邏輯控制器，與可編程邏輯控制器協(xié)同完成加熱、風(fēng)機控制、臺車進出、升降等動作，從而實現(xiàn)手動淬火及全自動淬火。

設(shè)備自投入使用以來多次出現(xiàn)控制系統(tǒng)失靈現(xiàn)象，操作者進行故障復(fù)位后設(shè)備恢復(fù)正常，沒有引起足夠的重視。近期循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)變頻器更換后，發(fā)生類似控制系統(tǒng)失靈現(xiàn)象的頻率明顯增多，嚴(yán)重影響熱處理產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 故障現(xiàn)象

設(shè)備在淬火工藝過程中，偶爾出現(xiàn)爐門無法正常開啟、料筐快速下降撞擊水面、料筐下降無快速等故障，按下故障復(fù)位鍵后故障消除。

2 故障分析

2.1 淬火工藝控制流程

鋁合金淬火爐可實現(xiàn)自動淬火和手動淬火2種淬火工藝，自動淬火過程只需操作者裝料及設(shè)置熱處理工藝要求，由設(shè)備自動完成所有工藝步驟。手動淬火則是由操作者控制熱處理工藝，手動完成各工藝過程，部分控制流程見圖1。

圖1 淬火工藝控制流程

2.2 故障現(xiàn)象分析及試驗

根據(jù)操作者描述及現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，故障集中出現(xiàn)在爐門、料筐的控制上，如圖1虛線框所示，根據(jù)順序控制的基本原理及故障的特點，初步判斷故障可能是由一些到位檢測條件沒有滿足造成的。但是在手動模式下單獨試驗每個動作均能正常完成，排除到位檢測傳感器及線路故障，手動反復(fù)模擬自動淬火過程，發(fā)現(xiàn)只要循環(huán)風(fēng)機系統(tǒng)或臺車系統(tǒng)在運行狀態(tài)，爐門及料筐的控制均會偶爾出現(xiàn)異常，到位檢測信號時有時無，風(fēng)機或臺車停止運行后，故障消失。

2.3 故障原因分析

該淬火爐相對于早期同類設(shè)備而言自動化程度較高，包含可編程邏輯控制器、傳感器、變頻器、溫控儀表等，其中變頻器屬于非線性三相橋式整流（6脈沖整流）負(fù)載，屬于典型的干擾源，這類器件的設(shè)計和配線中都應(yīng)考慮電磁兼容性，但是通過查閱電氣圖紙和查看電氣控制柜發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備并沒有做相應(yīng)的電磁兼容設(shè)計（圖2），信號線與動力線在同一線槽內(nèi)布線，這樣變頻器的輻射干擾、傳導(dǎo)干擾及諧波干擾都會影響系統(tǒng)中較為敏感的信號，導(dǎo)致信號及數(shù)據(jù)異常。因此，懷疑是變頻器的干擾引發(fā)傳感器誤動作，從而導(dǎo)致設(shè)備故障。

由于現(xiàn)場條件有限，無法用專業(yè)設(shè)備檢測變頻器的干擾與傳感器誤動作之間的聯(lián)系。通過分析電氣原理圖發(fā)現(xiàn)，每個到位檢測輸入信號都有對應(yīng)的到位輸出指示燈，手動限制設(shè)備的執(zhí)行功能，啟動風(fēng)機變頻器，發(fā)現(xiàn)凡是利用傳感器作為到位檢測元件的到位指示燈都在高頻閃亮，而用限位開關(guān)作為到位檢測的到位指示燈正常，變頻器停止運行后，各指示燈恢復(fù)正常。通過上述試驗，可斷定故障產(chǎn)生的原因是變頻器的干擾。

圖2 部分電氣原理

3 故障應(yīng)急處理

由于該鋁合金淬火爐承擔(dān)的科研生產(chǎn)任務(wù)較重，無法長時間停機進行變頻器干擾問題整改，可通過下面的方式解決自動淬火和手擋淬火控制失靈故障。

根據(jù)自動淬火工藝流程，調(diào)整變頻器參數(shù)，使其接收到停止信號后立即結(jié)束輸出，以自由方式停車，即可規(guī)避變頻器運行時的噪聲對下個工藝動作的干擾。編寫手動淬火操作流程，禁止循環(huán)風(fēng)機及臺車運行時進行其他工藝操作，即可規(guī)避變頻器運行時的噪聲干擾對手動操作的影響。

通過上述方式進行故障的應(yīng)急處理后，控制失靈故障沒有再次出現(xiàn)，設(shè)備恢復(fù)正常。

4 整改建議

雖然上述方式可以使設(shè)備能正常使用，但是變頻器干擾問題沒有從根源上得到解決，存在變頻器燒毀（高次諧波引發(fā)的交流電流集膚效應(yīng)）及干擾其他敏感信號的可能。因此，建議從4個方面進行整改。

（1）增加交流輸入電抗器。可有效抑制脈沖電流對整流橋的影響，提高輸入側(cè)功率因數(shù)，抑制高次諧波，減少對外輻射和傳導(dǎo)干擾，改善三相輸入交流電源不平衡對系統(tǒng)的影響。

（2）增加輸入濾波器。減少電源端到變頻器的傳導(dǎo)干擾，提高變頻器的抗干擾能力，減少變頻器對的外輻射和傳導(dǎo)干擾。

（3）增加輸出濾波器。減少變頻器對的外輻射和傳導(dǎo)干擾。

（4）清理、規(guī)范布線，傳感器換屏蔽線等。

5 結(jié)束語

我國熱處理設(shè)備、非標(biāo)設(shè)備普遍技術(shù)層次較低，電氣設(shè)計上存在一定的缺陷，如傳感器線路、動力電源、控制儀表等布線雜亂無章，大功率器件、整流逆變器件等均未做相應(yīng)的電磁兼容設(shè)計，僅停留在功能正常的階段。隨著我所熱加工自動化水平的不斷提高，對各種信號質(zhì)量及精準(zhǔn)度的要求也必然會更高，這時因設(shè)備設(shè)計缺陷而帶來的問題會更加明顯、更加嚴(yán)重。因此，建議相關(guān)設(shè)備引進時應(yīng)提出電磁兼容要求，現(xiàn)有存在問題的設(shè)備需在維修及保養(yǎng)過程中進行逐步的整改，以提高信號的可靠性，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及元器件的使用壽命。