淺析熱處理設備加熱系統典型故障

昌河飛機工業（集團）有限責任公司 江西景德鎮 333002

近年來，隨著熱處理設備在昌河飛機工業（集團）有限責任公司的廣泛應用，熱處理設備使用效率逐年提升，但設備出現故障的頻次也隨之增多。不同用途的熱處理設備加熱系統結構組成大同小異，目前大都使用具有PID算法的智能儀表作為核心控溫元件，通過功率控制器連接加熱組件進行調功輸出。因此對于如何保障熱處理設備加熱系統的穩定運行，是設備維修人員所關注的重點。

1 烘箱升溫異常故障

1.1 故障現象

一臺4.5m×8m的烘箱在啟動加熱后存在長時間且不固定的延遲加熱現象，同時在接近設定溫度值時升溫速率越來越慢，導致零件保溫時間延后，嚴重影響生產效率。

1.2 故障分析

對設備加熱控制模式進行分析，該設備使用霍尼韋爾UDC2500儀表作為控溫儀表，儀表輸出4～20mA信號至SSR調功器調功輸出，SSR調功器連接加熱管（Y接）進行控制加熱。通過對控溫儀表控制加熱時的全程狀態進行觀察時，發現兩個異常現象。

1）啟動加熱初期，SP值（設定值）隨程序設定斜坡逐漸上升，當SP值明顯高于PV值（測量值）時，儀表仍然沒有輸出，查看儀表OUTPUT數值一直顯示為0，這是導致啟動加熱后前期存在一段時間的不加熱情況的原因。引起此現象的可能因素有兩點：①儀表內部電路板硬件異常導致。②儀表控制參數異常。

2）儀表開始輸出后，升溫正常，但在P V值與S P值差距較大時（以設置130℃為例，S P值為130℃，PV值為105℃），控溫儀表就開始降低輸出至60%左右進行控制加熱，直到PV值達到設定值，儀表具體的輸出變化量見表1。這種超前調節的控制模式導致出現升溫曲線第二段異常情況，在逐漸接近設定值時到溫十分緩慢。引起此現象的可能因素有：①儀表內部PID控制參數不佳，與實際情況不匹配。②控溫模式異常。

表1 溫控儀表PV-SP-輸出功率對應數據（每隔30s記錄一次）

1.3 故障處理

1）對加熱線路三相電阻值進行測量，三相電阻平衡，確認加熱元件無損壞情況，排除因加熱元件損壞導致發熱量不足而到溫慢的可能。

2）儀表PID參數不匹配的可能。啟動儀表TUNE自整定功能，自整定過程正常。通過超溫、降溫幾個波段自動計算適宜的PID參數，結果自整定保持溫度穩定。整定完成后的PID參數與整定前比較差別不大，再次進行升溫測試無效果，同時手動大幅度調整比例帶及積分參數，仍無效果，故障依舊存在。

3）儀表控制模式異常的可能。檢查儀表CTRALG算法設置組、OUTALG輸出設置組、CONTRL控制設置組，發現在CTRALG算法設置組中輸出算法類型參數設置為PIDB，意思為儀表僅對設定點更改提供一個積分響應，對增益或微分操作引起的輸出沒有影響。故確定故障原因為算法參數設置錯誤，導致儀表出現輸出的異常延遲、超前調節現象。將其算法修改為PIDA（使用比例、積分、微分綜合控制）后進行測試，升溫無異常。

2 臥室真空回火爐后區不加熱故障

2.1 故障現象

一臺三區控溫的WZH-60型臥室真空回火爐在啟動加熱后偶發出現后區無加熱電壓、電流現象，如圖1所示。

圖1 后區無加熱電壓、電流

2.2 故障分析

對該設備的加熱控溫原理（見圖2）進行分析，這是一種典型的真空爐加熱控制方式。設備使用歐陸2704儀表作為控溫儀表，儀表內具有3個輸出模塊，分別輸出4～20mA的電流至3個功率調節器（功率調節器采用移相觸發的方式實現電壓的無極調節，從而達到控制功率的目的）控制前區、中區、后區獨立加熱[1]。由于真空爐其特殊的加熱負載特性，使用變壓器進行二次變壓。根據電氣圖樣發現電氣柜上的加熱電壓表所測量的電壓值為功率控制器的輸出電壓，在啟動加熱時使用萬用表測量功率控制器輸出電壓確實為零，脫開負載進行測試仍沒有電壓輸出，故確定故障原因在功率控制器及前端控制部分。初步判斷，引起此現象的幾種可能原因有：①控溫儀表未輸出4～20mA信號至功率調節器。②功率調節器啟動條件不滿足。③功率調節器損壞。

圖2 加熱控溫原理

2.3 故障處理

1）針對控溫儀表未輸出控制信號的可能。通過儀表參數查看輸出模塊是否存在接觸不良的現象，檢查MODULE IO參數，輸出模塊正常顯示[2]。同時為進一步驗證輸出信號的存在，在功率控制器輸入端處測量控制信號電流，如圖3所示。測量結果表明，存在8.8mA的輸入電流，與儀表端30%的輸出相匹配（在低溫段儀表限制輸出為30%防止過沖），證明控溫儀表端無異常，能夠正常輸出控制信號。

圖3 檢測控制信號電流值

2）功率控制器啟動條件不滿足的可能。通過分析其接線圖樣及對應端子的功能，確定功率控制器控制模式使用的是自動控制模式（連接其K1、K3端子），在啟動加熱后，應控制K1和K3端子接通，功率控制器方可進行輸出，實際進行測量后發現K1與K3并未接通，進一步檢查發現K3線路在上端接線排處連接松動，導致出現斷路情況。進行線路緊固后故障消除，設備恢復正常使用。

3 熱壓罐設備控溫不穩定故障

3.1 故障現象

一臺德國肖茨4m×10m的熱壓罐，在使用過程中出現控溫系統不穩定的情況，如圖4所示。這是一種非常典型的溫度系統周期性振蕩曲線，已經嚴重影響了復合材料的固化質量。

圖4 熱壓罐控溫振蕩曲線

3.2 故障分析

對熱壓罐控溫工作原理進行分析，該設備使用霍尼韋爾UDC2500智能儀表進行PID控溫，設置輸出類型為4～20mA電流信號。當儀表輸出功率＞50%時為加熱模式，輸出12～20mA電流控制調功器對安裝在罐體尾部加熱管進行加熱；當儀表輸出功率＜50%時為冷卻模式，用于控制兩個口徑大小不一連接在冷卻水管路上的氣動薄膜閥動作往罐尾冷卻器通入冷卻水。小口徑冷卻閥（預冷閥）動作對應儀表25%～50%輸出，用于調節溫度；大口徑冷卻閥（主冷閥）動作對應儀表0～25%輸出，用于降溫冷卻[3]。初步判斷造成罐體保溫時系統周期性振蕩的可能原因有：①執行器動作異常，導致系統具有嚴重的滯后性。②PID控制參數不合理。

3.3 故障處理

首先，對預冷閥進行檢查，發現存在兩個問題：①所連接閥體定位器的氣動管路破損，有漏氣現象。②閥體執行桿銹蝕嚴重，且存在輕微漏水現象。這兩點因素都會引起冷卻閥的動作滯后及閥體開度與控制信號不匹配，對此我們進行了閥體及破損管路的更換工作，完成后進行保溫測試，振蕩效果有明顯改善。其次，我們手動對PID參數進行微調，通過多次的升溫保溫測試，最終確定了合適的PID控制參數，達到了保溫時系統穩定的效果，如圖5所示。這樣不僅減少了執行器的動作次數，而且延長了系統的使用壽命。

圖5 熱壓罐正?？販厍€

4 結束語

熱處理設備的加熱系統結構組成相對簡單，其控溫精度是系統的技術難點，維修人員在處理此類問題時，需要整體性思維，逐步、細心地排查可能因素，這樣才能夠快速準確地確定故障原因。同時作為維修保障人員，更應該思考的是如何做好熱處理設備加熱系統的預防性維護工作，如對控制儀表進行權限設置，防止操作人員誤修改控制參數、儀表的參數備份與定期核對，加強設備巡檢，以及定期檢測加熱組件的好壞等，只有“治未病”，設備才能長期穩定運行。