基于PIC單片機(jī)的全自動(dòng)退火爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孟 燁，慶 鴿

（中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司，洛陽471039）

隨著我國金屬3D 打印技術(shù)[1]的飛速發(fā)展，金屬打印件的產(chǎn)量越來越高。 由于金屬3D 打印完成后會(huì)存在很多缺陷[2]，如間隙缺陷和材料本質(zhì)的物理性能缺陷，產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力過大、硬度不夠、可塑性低等實(shí)際性能問題，直接切割會(huì)產(chǎn)生外形尺寸變形，因此在產(chǎn)品對(duì)外形精密度要求較高的情況下需要先進(jìn)行熱處理[3]。 氣氛退火爐的作用是消除金屬3D 打印零件內(nèi)部的孔洞缺陷，提高零件的致密度。 不同金屬的退火溫度和氣氛環(huán)境都不同，相對(duì)活潑的金屬為防止二次氧化，需要在氧含量極低的惰性氣體或者真空環(huán)境的保護(hù)下進(jìn)行退火處理。

準(zhǔn)確的溫度控制和氧含量控制是決定退火效果的關(guān)鍵因素。 測量溫度不準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)溫度過高或過低，無法達(dá)到預(yù)期硬度和應(yīng)力釋放的效果；如果氧含量控制不到位，金屬在熱處理過程中極易氧化，影響其表面質(zhì)量。 對(duì)此設(shè)計(jì)了基于PIC 單片機(jī)的全自動(dòng)退火爐設(shè)備控制系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)時(shí)，采用全自動(dòng)控制[4]的設(shè)計(jì)思路，加入氧傳感器[5]，只需要通過觸摸屏在程序頁面上對(duì)不同材料的熱處理要求進(jìn)行設(shè)置保存，在運(yùn)行頁面點(diǎn)擊運(yùn)行即可對(duì)整個(gè)熱處理過程按照所設(shè)置的程序進(jìn)行全自動(dòng)控制。

1 氣氛退火爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全自動(dòng)氣氛退火爐控制系統(tǒng)[6]結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)包括溫度控制系統(tǒng)、氣氛控制系統(tǒng)、電量采集、物聯(lián)網(wǎng)、觸摸屏操作等。

圖1 退火爐控制系統(tǒng)Fig.1 Annealing furnace control system

1）溫度控制系統(tǒng) 包括溫度采集和加熱系統(tǒng)。其中，以熱電偶作為溫度采集的輸入元件；加熱系統(tǒng)通過4～20 mA 信號(hào)控制可控硅觸發(fā)板的輸出來調(diào)整可控硅的導(dǎo)通角，以使通過發(fā)熱元件的電壓發(fā)生變化，從而調(diào)節(jié)發(fā)熱元件的輸出功率，進(jìn)而調(diào)節(jié)溫度的變化。 溫度控制系統(tǒng)采用PID 算法[2]來進(jìn)行精確地溫度控制。

2）氣氛控制系統(tǒng) 包括壓力采集和壓力控制。使用單電源供電的摩托羅拉壓力傳感器MPX2200 進(jìn)行壓力采集，采集范圍為±0.1 MPa，采集精度±0.25%，使用OX-1 氧傳感器，檢測氧濃度范圍為0～25%。壓力控制分為負(fù)壓控制、正壓控制以及放氣控制。 負(fù)壓控制是指對(duì)爐腔抽真空；正壓控制是指向爐腔充入惰性氣體；放氣控制指排放爐腔內(nèi)的氣體。

3）電量采集系統(tǒng) 包括進(jìn)電電壓采集、發(fā)熱元件電壓采集和發(fā)熱元件電流采集。經(jīng)由AC-DC 轉(zhuǎn)換芯片LTC1966 把交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流，再輸入進(jìn)CPU 進(jìn)行采集。

4）物聯(lián)網(wǎng) 其功能是單片機(jī)通過RS232 協(xié)議與WiFi 模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，可以對(duì)系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)、程序設(shè)置以及當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行雙向傳輸和控制，并可通過相應(yīng)開發(fā)的手機(jī)App 進(jìn)行操作。

5）觸摸屏 其功能是單片機(jī)通過RS232 協(xié)議與觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，可以通過觸摸操作對(duì)系統(tǒng)參數(shù)、程序、時(shí)鐘、報(bào)警信息、運(yùn)行狀態(tài)等功能進(jìn)行顯示和設(shè)置，能夠更直觀地觀測到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

退火爐電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。該系統(tǒng)采用微芯（Microchip）公司的高可靠性8 位PIC18F46K42 系列的單片機(jī)[7]作為控制核心，以此負(fù)責(zé)程序運(yùn)算、輸入采集、輸出控制轉(zhuǎn)換、外部通訊等。

圖2 氣氛退火爐電氣控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram of electrical control system of atmosphere annealing furnace

由于氣氛退火爐退火的關(guān)鍵是控制爐腔內(nèi)的溫度與氧含量，故該系統(tǒng)溫度采集元件選用中低溫準(zhǔn)確性高的S 型熱電偶，并加入氧濃度傳感器用以檢測爐腔內(nèi)氧含量，通過高精度的12 位AD 輸入進(jìn)單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算。

該系統(tǒng)采用單電源5 V 供電。 模擬量采集輸入包括電量計(jì)算、熱電偶采集、氣壓采集、氧含量采集等； 數(shù)字量輸入包括門限信號(hào)采集、WiFi 模塊狀態(tài)輸入、環(huán)境溫度輸入等；數(shù)字量輸出包括氣缸控制、風(fēng)扇控制、電磁閥控制等。 觸摸屏和WiFi 模通訊采用RS232 方式。

2.1 熱電偶信號(hào)采集

熱電偶采集電路如圖3所示。 信號(hào)先經(jīng)過濾波，過濾掉空間通多熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線帶進(jìn)來的干擾信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)的電平進(jìn)行抬高，以消除后面運(yùn)算放大器對(duì)小信號(hào)放大時(shí)的死區(qū)。 此處，運(yùn)放選用MCPV6V01，零溫漂軌到軌運(yùn)算放大器降低環(huán)境溫度變化時(shí)的影響及小信號(hào)放大的死區(qū)，輸入到CPU進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換采集。

圖3 熱電偶采集電路Fig.3 Thermocouple acquisition circuit

2.2 氣氛壓力信號(hào)采集

氣氛壓力采集電路如圖4所示。 壓力傳感器經(jīng)過軌到軌運(yùn)放MCP6424 使用差分輸入的方法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，輸入到單片機(jī)進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，再輸入單片機(jī)進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，經(jīng)過單片機(jī)程序的計(jì)算即可把實(shí)時(shí)的爐腔壓力顯示在觸摸屏上。

圖4 氣氛壓力采集電路Fig.4 Circuit of atmosphere pressure acquisition

2.3 氧濃度采集

氧濃度采集電路如圖5所示。 氧濃度傳感器串接在氣路回路當(dāng)中，其輸出的信號(hào)經(jīng)由軌到軌運(yùn)放進(jìn)行一級(jí)放大和跟隨，再輸入單片機(jī)進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，經(jīng)過單片機(jī)程序的計(jì)算即可把實(shí)時(shí)的氧濃度顯示在觸摸屏上。

2.4 PWM 轉(zhuǎn)4～20 mA 輸出

圖5 氧濃度采集電路Fig.5 Circuit of oxygen concentration collection

PWM 轉(zhuǎn)4～20 mA 輸出電路如圖6所示。單片機(jī)不能直接輸出用于控制可控硅觸發(fā)板的4～20 mA信號(hào)，但是可以輸出PWM 波。 PWM 波先經(jīng)過電路轉(zhuǎn)化成模擬電壓信號(hào)，再由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為4～20 mA信號(hào)用以控制可控硅觸發(fā)板，再控制可控硅的導(dǎo)通角度來控制發(fā)熱元件的功率輸出，從而達(dá)到溫度的控制的目的。

圖6 PWM 轉(zhuǎn)4～20 mA 電路Fig.6 PWM to 4～20 mA circuit

2.5 交流電壓電流采集

交流電壓采集如圖7所示。 真有效值轉(zhuǎn)換芯片LTC1966[8]進(jìn)行AC-DC 轉(zhuǎn)換以便進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，LTC1966 采用Δ-Σ 技 術(shù)的真正RMS 至DC 轉(zhuǎn)換，可以用最簡單的電路完成轉(zhuǎn)換過程，精度在0.1%之內(nèi)。

圖7 交流電壓電流采集電路Fig.7 AC voltage or current collection circuit

3 程序流程的設(shè)計(jì)

程序流程如圖8所示。 程序運(yùn)行先檢測門信號(hào)狀態(tài)，判斷門是否關(guān)嚴(yán)，再同時(shí)運(yùn)行溫度和氣氛壓力的控制。 氣氛氧濃度的控制方法有2 種，一種是只對(duì)爐腔抽真空，該方法效率高、成本低。 另一種是洗氣，即先抽真空再充惰性氣體，進(jìn)行幾個(gè)循環(huán)，該方法可以得到氧濃度更低的氣氛，但成本和時(shí)間會(huì)增加。熱處理溫度-時(shí)間曲線如圖9所示。

圖8 程序流程Fig.8 Procedure flow chart

圖9 熱處理溫度/氧含量-時(shí)間曲線Fig.9 Temperature/oxygen content-time curve of heat treatment

步驟1設(shè)定預(yù)熱階段升溫時(shí)間t1，達(dá)到預(yù)熱溫度T1，預(yù)熱保溫時(shí)間t2。 在此時(shí)間段（0～t2）內(nèi)進(jìn)行烘干操作，其主要作用是烘干工件表面水分。

步驟2設(shè)定升溫階段升溫時(shí)間t3，燒結(jié)溫度T3；在到達(dá)待退火工件氧化活潑溫度點(diǎn)T2之前，控制爐內(nèi)氣氛中氧濃度含量低于設(shè)置值P0；T2之后壓力值保持在（氧濃度）P0。 在此時(shí)間段（t2～t3），在達(dá)到T2前完成爐腔內(nèi)去氧操作。

步驟3設(shè)定保溫階段時(shí)間t4，燒結(jié)溫度T3，壓力值P0。 此期間（t3～t4）是在相對(duì)無氧的氣氛下對(duì)工件進(jìn)行退火處理。

步驟4設(shè)定降溫階段，在降至保護(hù)溫度T2之前即（t4～t5），壓力值保持為P0；降至溫度T2以后，壓力控制解除。 在此期間（t4～t5）爐腔內(nèi)也受無氧氣氛保護(hù)，直至溫度降到退火工件的氧化活潑點(diǎn)以下。

4 功能測試

所制作的PCB 電路板如圖10所示。經(jīng)測試，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對(duì)溫度的檢測和控制精度小于±0.5 ℃，氣壓檢測和控制精度小于±0.5 kPa，氧濃度（體積分?jǐn)?shù)）檢測精度小于±1%，各項(xiàng)主要控制指標(biāo)均優(yōu)于最低設(shè)計(jì)需求。試驗(yàn)中，對(duì)相對(duì)活潑的金屬（純Ti[9]）和相對(duì)不活潑的金屬（CoCr 合金[10]）分別進(jìn)行熱處理，所得工件強(qiáng)度及氧化程度均滿足性能需求。

圖10 PCB 板Fig.10 PCB board

5 結(jié)語

目前，該系統(tǒng)正處于試驗(yàn)階段，主要用于齒科行業(yè)金屬3D 打印義齒[11]的熱處理。所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地檢測、控制溫度和氧含量，3D 打印金屬工件熱處理效果好，能夠滿足市場需求。