真空熱處理設備電流異常波動處理方法

張 偉，王松沛

（中山凱旋真空科技股份有限公司，廣東 中山 528478）

真空熱處理工藝具有不氧化、不脫碳、變形小、脫脂、脫氣作用明顯等優(yōu)勢，逐漸成為現代工業(yè)生產中的重要工藝，真空熱處理設備也得以廣泛應用。隨著現代工業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)生產對真空熱處理設備提出了更高要求，而電流異常波動問題則對該設備的安全、穩(wěn)定、高效運行造成了嚴重影響。因此在近年來，如何處理該設備電流異常波動問題，已經成為廣受關注和重點研究的問題。

1 真空熱處理設備及其電流異常波動問題

1.1 真空熱處理設備概述

真空熱處理技術是真空技術與熱處理技術相結合的綜合技術，即全部或部分熱處理工藝在真空狀態(tài)下進行。而真空熱處理設備，則是合理應用該技術的工藝設備，最常見的設備為真空熱處理爐。通常而言，該設備具有熱效率高，可實現無氧化、無脫碳、無滲碳，可去掉工件表面磷屑，可脫氧除氣等作用，故而在現代工業(yè)中得以廣泛應用。真空熱處理爐的真空系統(tǒng)由真空容器、真空泵、真空閥、連接件及真空測量儀表等所組成，能夠構成嚴格的真空密封環(huán)境。與此同時，該設備還具有水冷裝置，用于保護個部件結構不變形、不損壞，同時防止真空密封圈過熱甚至燒毀，進而保障設備的長期、正常運行。另外，該設備通常還采用低電壓大電流，具有極高的自動化程度，能夠自動、精確完成工件加工與處理。

1.2 真空熱處理設備電流異常波動問題

當前工業(yè)生產對真空熱處理設備提出了極高要求，其中最顯著的一點就在于自動化程度要求。這是因為真空熱處理工藝的環(huán)境不適合人員長期工作甚至接近，同時部分工藝技術對操作精準度、及時度、復雜度要求極高，人工操作較易出現失誤。而真空環(huán)境很容易在加熱過程中出現起弧、放電等現象，嚴重威脅設備運行安全與質量，故而該設備需要應用低電壓大電流的形式進行加熱，避免電壓過高。不可否認，高度信息化與低電壓的特性能夠在一定程度上提升真空熱處理設備的安全性，但該設備在運行時依舊還有著一定問題，電流異常波動就是其中典型。

在工業(yè)生產中，真空熱處理設備需要長期處于運行狀態(tài)，加熱器連接位置可能會因長期受熱而出現變形、厚度減小、對地短路等現象。在這些現象出現后，連接位置容易虛接，同樣會出現起弧、放電現象，并引發(fā)電流異常波動問題。在電流出現異常波動后，很容易導致局部電流過大，溫度過大，并將加熱器連接位置給熔斷，導致熱處理設備受到損壞，同時加工工件也會受到影響甚至損壞。而真空熱處理設備加熱系統(tǒng)缺乏相應報警功能，無法在電流異常波動后及時進行報警，導致工作人員不能第一時間采取合理措施加以應對，直到加熱器連接位置熔斷后發(fā)現問題，但已經造成了難以挽回的損失。因此，實現加熱器保護系統(tǒng)加熱功能，并對電流異常波動現象進行及時處理，是保障真空熱處理安全與質量的有效途徑。

2 真空熱處理設備電流異常波動處理方法

2.1 機械設計

應對真空熱處理設備電流異常波動，需要對其波動進行有效監(jiān)測和警報，即判斷設備是否存在電流異常波動問題。在此基礎之上，還需要設計一定的自動處理機制，在自動保護設備的同時，也能在一定程度上避免人員處理不及時所導致的嚴重后果。從設計的角度來看，要判斷真空熱處理設備是否存在電流異常波動，需要根據設備實際運行狀況的電流變化情況進行實時監(jiān)測。就當前來看，我國主流真空熱處理設備均配備有能夠實現PID調解的智能儀表，不但能夠連續(xù)、穩(wěn)定地進行溫度控制，并且升溫及降溫速度極快，并具備抑制超調、欠調等優(yōu)點。設備連續(xù)控溫是基于連續(xù)可調功率輸出而實現的，故而可以利用其該特性，接入PLC模塊，把加熱所用電流信號變換成標準模擬信號，實現AD轉換。然后，可以根據設備實際情況，合理選擇采樣點，確定相應周期，并通過連續(xù)對比的方式進行檢測。所謂連續(xù)對比，也就是把某采樣點數據和前一個點數據進行對比，并根據對比結果判斷加熱器是否存在電流異常波動問題。對此，需要根據設備實際狀況，設置相應的差值允許范圍，如果對比結果在該范圍之內，則表明加熱器處于正常運行狀態(tài)；而對比結果超過該范圍，則意味著加熱器運行異常，存在電流異常波動問題。并且在該情況下，設備會進行報警，技術人員則可以根據設備運行狀態(tài)，采取自動切斷或人為干預的方式。

在實際操作時，文章采取方式為先加設電流變送器，并依照相應選型手冊規(guī)范，選取宇波模塊CHYXXXXAY2/V0電流變送器，把真空熱處理設備中的0-XXXXA電流轉換成電壓為0～5V的標準模擬信號。在此基礎之上，再接入PLC模塊實現AD轉換。結合所用真空熱處理設備實際情況，文章選擇OMRON公司生產的CP1HXA40DR-A型PLC，通過控制器該自帶的4通道實現AD轉換，地址分為別200，201，202和203。最后，依照該公司提供的CP1H操作手冊，直接在控制器中設置相應轉換參數即可。

2.2 程序設計

圖1 工程梯形圖

由于文章所選用的CP1HXA40DR-A型PLC具有4通道，在此僅以其中的200點對其程序設計進行探討。首先，確定采樣周期為0.2s，并將控制器200點頻道接受到的信號，傳輸給準備好的數據寄存器的D1000與D1001，如圖1所示。當周期數為1時，控制器信號會被傳輸到寄存器的D1000；而在周期數為0時，控制器信號則會被傳輸到寄存器D1001。將寄存器中的信號利用二進制到BCD碼，可以被分別轉換到寄存器D101與D102之中。此時，只需要將該兩組數據進行對比，就能判斷內部寄存器情況。其中，當D101數據的值大于D102數據的值時，內部寄存器10.00數值為0，而10.01數值為1。反之則結果亦相反。不管是10.00還是10.01的值為1，都可以通過利用大值減去小值的方式，計算得到D100的數值。在得到該值后，只需將其與預先設定好的值進行比較，即可完成設備電流異常檢測。如果D100的值較設定值更大，那么就會觸發(fā)可編程控制器輸出點（100.00）并進行報警。

需要注意的是，真空熱處理設備在實際加熱時，其電流會因為PID調節(jié)輸出的改變而變化，從而出現正常波動。在這種情況下，文章設計的報警系統(tǒng)同樣會發(fā)出警報。針對該問題，將電流正常波動及異常波動的特性進行對比，根據PID參數穩(wěn)定，其輸出在短時間內同樣較為穩(wěn)定，故而可以選擇加設定時器、計數器來區(qū)分電流正常及異常波動。例如在確定采樣周期后，可以設置相應的電流波動達到報警范圍的次數，如果計數器得到的值超過該值，那么就意味著電流波動異常，發(fā)出警報。但是當計數器得到的值小于該值時，則默認為設備電流的正常波動，不會進行報警。

2.3 上位機鏈接

在工業(yè)生產中，需要將真空熱處理設備與控制中心進行連接，其電流異常波動報警系統(tǒng)同樣需要與控制中心連接，此時就需要用到上位機鏈接系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠將1臺上位機與1臺或者多臺可編程控制器鏈接，并對后者進行程序傳輸、數據監(jiān)控及遠程控制。在文章中，利用CP1HXA40DR-A型PLC的RS-232串口和上位機進行鏈接，并進行測試通訊。如此一來，通過該系統(tǒng)就能實時監(jiān)測設備電流值，顯示并存儲報警數據，以便技術人員隨時對設備狀態(tài)進行分析，同時也能在出現故障后即時調用數據，為故障修復提供數據支持。

3 結語

利用電流變送器與可編程控制器，針對真空熱處理設備中電流能夠反映設備運轉狀況的特性，設計了電流比較方法對設備電流波動情況進行監(jiān)測。再加上定時器與計數器，排除了設備正常運轉時產生的電流波動帶來的干擾與影響，從而能夠有效發(fā)現設備電流異常波動并進行報警。該方案具有設計操作簡單、反應靈敏、成本低廉、不影響設備運行等優(yōu)點，能夠在工業(yè)生產中得以有效應用，保護真空熱處理設備及生產安全。