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(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng) 621999）

0 引言

鋁合金淬火爐是自動(dòng)化程度較高的熱處理設(shè)備，電氣控制系統(tǒng)由1套西門(mén)子S7-200PLC作為控制中心，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、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(jī)控制、臺(tái)車(chē)進(jìn)出、升降等動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)淬火及全自動(dòng)淬火。

設(shè)備自投入使用以來(lái)多次出現(xiàn)控制系統(tǒng)失靈現(xiàn)象，操作者進(jìn)行故障復(fù)位后設(shè)備恢復(fù)正常，沒(méi)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(lèi)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(guò)程中，偶爾出現(xiàn)爐門(mén)無(wú)法正常開(kāi)啟、料筐快速下降撞擊水面、料筐下降無(wú)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)淬火和手動(dòng)淬火2種淬火工藝，自動(dòng)淬火過(guò)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(dòng)完成所有工藝步驟。手動(dòng)淬火則是由操作者控制熱處理工藝，手動(dòng)完成各工藝過(guò)程，部分控制流程見(jiàn)圖1。

圖1 淬火工藝控制流程

2.2 故障現(xiàn)象分析及試驗(yàn)

根據(jù)操作者描述及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，故障集中出現(xiàn)在爐門(mén)、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(diǎn)，初步判斷故障可能是由一些到位檢測(cè)條件沒(méi)有滿足造成的。但是在手動(dòng)模式下單獨(dú)試驗(yàn)每個(gè)動(dòng)作均能正常完成，排除到位檢測(cè)傳感器及線路故障，手動(dòng)反復(fù)模擬自動(dòng)淬火過(guò)程，發(fā)現(xiàn)只要循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)或臺(tái)車(chē)系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)，爐門(mén)及料筐的控制均會(huì)偶爾出現(xiàn)異常，到位檢測(cè)信號(hào)時(shí)有時(shí)無(wú)，風(fēng)機(jī)或臺(tái)車(chē)停止運(yùn)行后，故障消失。

2.3 故障原因分析

該淬火爐相對(duì)于早期同類(lèi)設(shè)備而言自動(dòng)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(lèi)器件的設(shè)計(jì)和配線中都應(yīng)考慮電磁兼容性，但是通過(guò)查閱電氣圖紙和查看電氣控制柜發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備并沒(méi)有做相應(yīng)的電磁兼容設(shè)計(jì)（圖2），信號(hào)線與動(dòng)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(huì)影響系統(tǒng)中較為敏感的信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)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(dòng)作，從而導(dǎo)致設(shè)備故障。

由于現(xiàn)場(chǎng)條件有限，無(wú)法用專(zhuān)業(yè)設(shè)備檢測(cè)變頻器的干擾與傳感器誤動(dòng)作之間的聯(lián)系。通過(guò)分析電氣原理圖發(fā)現(xiàn)，每個(gè)到位檢測(cè)輸入信號(hào)都有對(duì)應(yīng)的到位輸出指示燈，手動(dòng)限制設(shè)備的執(zhí)行功能，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)變頻器，發(fā)現(xiàn)凡是利用傳感器作為到位檢測(cè)元件的到位指示燈都在高頻閃亮，而用限位開(kāi)關(guān)作為到位檢測(cè)的到位指示燈正常，變頻器停止運(yùn)行后，各指示燈恢復(fù)正常。通過(guò)上述試驗(yàn)，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(wú)法長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)進(jìn)行變頻器干擾問(wèn)題整改，可通過(guò)下面的方式解決自動(dòng)淬火和手擋淬火控制失靈故障。

根據(jù)自動(dòng)淬火工藝流程，調(diào)整變頻器參數(shù)，使其接收到停止信號(hào)后立即結(jié)束輸出，以自由方式停車(chē)，即可規(guī)避變頻器運(yùn)行時(shí)的噪聲對(duì)下個(gè)工藝動(dòng)作的干擾。編寫(xiě)手動(dòng)淬火操作流程，禁止循環(huán)風(fēng)機(jī)及臺(tái)車(chē)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行其他工藝操作，即可規(guī)避變頻器運(yùn)行時(shí)的噪聲干擾對(duì)手動(dòng)操作的影響。

通過(guò)上述方式進(jìn)行故障的應(yīng)急處理后，控制失靈故障沒(méi)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(wèn)題沒(méi)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(hào)的可能。因此，建議從4個(gè)方面進(jìn)行整改。

（1）增加交流輸入電抗器。可有效抑制脈沖電流對(duì)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(duì)外輻射和傳導(dǎo)干擾，改善三相輸入交流電源不平衡對(duì)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(duì)的外輻射和傳導(dǎo)干擾。

（3）增加輸出濾波器。減少變頻器對(duì)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(yǔ)

我國(guó)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(jì)上存在一定的缺陷，如傳感器線路、動(dòng)力電源、控制儀表等布線雜亂無(wú)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(jì)，僅停留在功能正常的階段。隨著我所熱加工自動(dòng)化水平的不斷提高，對(duì)各種信號(hào)質(zhì)量及精準(zhǔn)度的要求也必然會(huì)更高，這時(shí)因設(shè)備設(shè)計(jì)缺陷而帶來(lái)的問(wèn)題會(huì)更加明顯、更加嚴(yán)重。因此，建議相關(guān)設(shè)備引進(jìn)時(shí)應(yīng)提出電磁兼容要求，現(xiàn)有存在問(wèn)題的設(shè)備需在維修及保養(yǎng)過(guò)程中進(jìn)行逐步的整改，以提高信號(hào)的可靠性，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及元器件的使用壽命。