機電一體化感應加熱設備安全監(jiān)控技術

王兵

（江蘇省灌南中等專業(yè)學校，江蘇連云港222500）

感應加熱設備是我國工業(yè)裝備生產(chǎn)制造行業(yè)近年來在高新生產(chǎn)技術研究中衍生的裝備。在傳統(tǒng)生產(chǎn)制造過程中，設備運行受到技術的限制，常出現(xiàn)機、電不配套的問題，即設備運行電源與控制機床兩個部分分別由兩個廠家制造，當購進兩個廠家的構件進行裝備時，極易因構件不匹配出現(xiàn)安裝紕漏[1]。因此，技術人員將機電一體化技術與感應加熱設備進行集成，降低在設備運行過程中由于工藝缺陷導致不必要的經(jīng)濟損失。并在進一步開發(fā)設備功能時，將變速智能調(diào)頻技術、伺服電機系統(tǒng)、模糊控制技術等現(xiàn)代化技術與設備融為一體，實現(xiàn)對設備性能的優(yōu)化。這在很大程度上實現(xiàn)了將人工勞動力從機床中解脫出來，提供了感應加熱過程較高的工藝保障。但隨著技術應用覆蓋范圍的加大，越來越多的研究成果顯示設備運行存在安全風險。而一旦設備的裝備不當，或運行出現(xiàn)故障，便會導致機電生產(chǎn)工藝與材料熱處理加工過程無法得到技術保障[2]。因此，在本文的研究中，將參照感應加熱設備的裝備過程，設計一種針對機電一體化設備的安全監(jiān)控技術，為我國工業(yè)生產(chǎn)與安全制造等相關研究作出指導。

1 機電加熱設備及技術框架介紹

1.1 機電加熱設備

機電加熱設備包括：感應加熱電源部分（4個系列）電子管高頻超音頻電源；頻中電源；MOSFET全固態(tài)高頻電源；IGBT全固態(tài)超音頻電源。半自動及感應加熱淬火機械傳動部分（兩個系列）人造裝卸料及自動卸料，部件移動式機械傳動裝置感應加熱淬火設備；人工裝卸和自動裝卸物料。可移動式傳動式感應加熱淬火設備。下圖1為感應加熱設備。

圖1 感應加熱設備

1.2 技術框架介紹

機電一體化感應加熱設備利用計算機生產(chǎn)及在線質(zhì)量管理，可對工件進行位置、移動速度、加熱、間隙、冷卻時間、加熱功率、淬火介質(zhì)流量及溫度等管理，并能在任何時候?qū)ぜ@示、打印的熱處理參數(shù)進行記憶，且在任何時候都能恢復。具備抗磁、抗干擾、防腐蝕、排水、油水分離等功能。調(diào)質(zhì)時間：主傳動的變形量為0mm，再移動下料精度可達0.005mm。

2 機電一體化感應加熱設備安全監(jiān)控技術

2.1 基于PLC控制器的感應加熱設備復位精度調(diào)節(jié)

為了實現(xiàn)對感應加熱設備的安全監(jiān)控，在此次研究中，引進PLC控制器作為核心裝備，對感應加熱設備進行運行過程中的復位精度調(diào)節(jié)。考慮到感應加熱設備由多個音頻電源構成，因此可將PLC程序作為總控技術，通過增加傳感器裝備的方式，進行設備每次啟用的初始化處理[3]。此過程可用如下圖2所示。

圖2 基于PLC控制器的感應加熱設備控制流程

圖2中，感應加熱設備在PLC控制器的調(diào)節(jié)與控制下，以紅外傳感器測量感應加熱設備的溫度，并將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳輸給設備運行系統(tǒng)，系統(tǒng)對信號進行分析后發(fā)出指令，可以實現(xiàn)溫度的監(jiān)控、顯示、報警等功能，對熱處理工件的裝備位置、移動速度、加熱時長、冷卻時間、淬火介質(zhì)等參數(shù)進行實時控制。

在此基礎上，利用其可編程邏輯控制過程中的輸入單元，進行設備運行模擬，當內(nèi)部CPU可滿足裝備導入信息的存儲要求時，將設備所有的運行信息從時序控制信道傳輸?shù)絇C端[4]。在此過程中，PC端將對感應加熱設備的運行狀態(tài)進行一次記憶，記憶在終端以文本文件的方式存儲。因此，當感應加熱設備完成一個周期的運行后，PLC程序?qū)⒆詣诱{(diào)用前端的存儲記憶，進行其運行的精度調(diào)控。調(diào)控過程中，應控制主機傳動的淬火轉(zhuǎn)換量達到0.0mm的水平，并在此基礎上，通過反復調(diào)用PLC程序的方式，實現(xiàn)對其精度的復位達到0.005mm水平。

2.2 基于總線驅(qū)動程序的機電一體化設備運行監(jiān)控

通過同步串行總線協(xié)議，設計連接微控制器和機電一體化設備的總線驅(qū)動程序。在確保每次執(zhí)行監(jiān)控行為前機電一體化設備均處于高精度復位狀態(tài)后，可通過分層驅(qū)動方式，對機電一體化設備的運行進行監(jiān)控[5]。分層驅(qū)動即是將機電一體化設備的監(jiān)控過程分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)傳輸層。在數(shù)據(jù)采集層中，內(nèi)置遙控器通過多種傳感器采集設備油壓、風壓、設備進出口溫度、系統(tǒng)冷卻液壓力等基本設備運行參數(shù)。數(shù)據(jù)處理層中，將收集到的數(shù)據(jù)由測試儀中的微處理器處理。數(shù)據(jù)傳輸層中，以無線方式傳輸（GPRS模塊）終端，接收數(shù)據(jù)的設備在接收到數(shù)據(jù)后向發(fā)送數(shù)據(jù)的設備發(fā)送特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。由IP部分打成TCP／IP包，通過GPRS空中接口接入到GPRS。

在總線驅(qū)動程序中，應當集成一個過濾干預流，進行設備運行過程中驅(qū)動程序的bug識別。同時，將監(jiān)控行為的實施劃分成管理端與終端兩個方面進行，在管理端，驅(qū)動程序應對接通信指令與執(zhí)行數(shù)據(jù)，當裝備與內(nèi)部接口呈現(xiàn)良好通信狀態(tài)時，可認為此時是裝備的安全監(jiān)控需求。

根據(jù)設備運行情況，新設備運行7000小時后，廢氣溫度升至220℃以上，在設備末端加裝空氣加熱器可有效減少廢氣排放溫度。目前無機熱管的傳熱技術比較成熟，它具有啟動快、傳熱快、熱阻低、流體壽命長等特點，優(yōu)于以水為工作介質(zhì)的熱管、爆炸管道和氣體阻力。可以考慮對帶有無機熱管的空氣加熱器進行商業(yè)測試。在終端進行基于程序的安全監(jiān)控時，需要從裝備的銜接端入手，通過分析一體化設備是否接入的方式，對感應加熱裝備運行中的傳輸介質(zhì)進行加密與解密處理。加密與解密的過程需要以SCSI指令作為依據(jù)，當設備銜接端的主功能碼滿足訪問需求時，將IRP文件包傳輸?shù)较聦域?qū)動程序。此時，按照上文提出的管理端監(jiān)控流程進行其運行監(jiān)控即可。

所要檢測的參數(shù)首先通過一系列傳感器變換后把非電量轉(zhuǎn)換為電量（電壓或電流），然后進入多路模擬輸入開關，再經(jīng)過放大后送入12位A/D轉(zhuǎn)換器。MCU采用多通道循環(huán)方式采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過相應處理轉(zhuǎn)換為對應的物理量保存在Flash存儲器中。數(shù)據(jù)采集完畢后，要送到監(jiān)控中心。在完成對其運行的監(jiān)控后，將所有監(jiān)控結果導入前端PC機設備中，并生成一個監(jiān)控結果界面，以此實現(xiàn)對機電一體化感應加熱設備的安全監(jiān)控。

本文設計的機電一體化感應加熱設備安全監(jiān)控技術框架圖如下圖3所示：

圖3 安全監(jiān)控技術框架圖

3 實例應用分析

結合本文上述論述，從理論方面實現(xiàn)了對機電一體化感應加熱設備安全監(jiān)控技術的設計研究，為了進一步驗證該技術在實際應用中的效果，將其應用到真實的機電一體化感應加熱設備運行環(huán)境當中，并對其應用效果進行分析。選擇將某加工企業(yè)中的機電一體化感應加熱設備（亞龍YL-235A）運行環(huán)境作為依托，針對該環(huán)境當中的各類加熱設備對其運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。設備運行過程中，利用King UO數(shù)據(jù)采集程序?qū)υO備運行數(shù)據(jù)進行采集。該數(shù)據(jù)采集程序集成了主流一體化感應加熱設備的數(shù)據(jù)采集驅(qū)動，通過該程序可實現(xiàn)組態(tài)與IO設備的通訊。同時，在設備運行過程中，利用本文提出的監(jiān)控技術可實現(xiàn)對設備溫度數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)趨勢的實時監(jiān)控和顯示，下圖4為本文安全監(jiān)控技術的數(shù)據(jù)趨勢顯示圖。

圖4 本文安全監(jiān)控技術的數(shù)據(jù)趨勢顯示界面圖

圖4中兩條數(shù)值變化曲線均為加熱設備在09:19:39～09:27:39時間范圍內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)變化情況。從圖3中界面顯示的兩條曲線可以看，利用本文提出的監(jiān)控技術可以實現(xiàn)對加熱設備溫度和壓力數(shù)值變化的實時監(jiān)測。同時，通過監(jiān)控顯示界面，可以對加熱設備在以往運行過程中的歷史數(shù)據(jù)變化曲線進行提取，并針對具體某一時刻或時間范圍內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)進行查詢。在實際應用中，通過對溫度變化范圍和壓力閾值進行設定，可在第一時間通過顯示界面對設備運行狀態(tài)監(jiān)測，并在數(shù)值超出相應范圍或閾值時，進行相應的告警動作，以此實現(xiàn)對設備出現(xiàn)故障運行狀態(tài)的有效預防，進一步提高設備的使用年限和設備運行質(zhì)量。

4 結論

本文開展了機電一體化感應加熱設備安全監(jiān)控技術的研究，通過實例應用的方式，證明了此項技術可在第一時間通過顯示界面對設備運行狀態(tài)監(jiān)測，并在數(shù)值超出相應范圍或閾值時，進行相應的告警動作，具有較高的實用價值。因此可在后期的深入研究中，嘗試將此項技術在市場進一步廣泛應用，通過多次實踐檢驗，證明技術的可行性。