鋁型材擠壓用工模具氮化工藝智能自動控制

莊 賓，黃 堅，濮曉明

（中國聯(lián)合工程有限公司 裝備工程公司，浙江 杭州 310052）

目前我國生產(chǎn)使用的氣體滲氮爐很多，控制系統(tǒng)大同小異，尤其是井式氣體滲氮爐具有爐膛制作簡單、均勻性較好等特點，使用最廣。但是該爐型在爐內(nèi)氣氛控制、工藝溫度控制以及產(chǎn)品的硬度均勻性控制等方面存在缺點，設(shè)備使用過程中亟待提升工藝及維護水平。筆者在現(xiàn)有的控制系統(tǒng)上進行改造，提升人機界面及數(shù)據(jù)記錄，利用數(shù)據(jù)模型改進加熱工藝在加熱段的控制，并增加氣氛檢測反饋形成控制閉環(huán)邏輯，使得工藝改進有依據(jù)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)如圖1所示，由爐殼、爐襯、爐蓋升降機構(gòu)、爐用密封風(fēng)機、馬弗罐、真空泵、加熱元件、電控系統(tǒng)及檢測元件等組成。爐膛為豎井式，內(nèi)有不銹鋼爐罐及料筐，工件放置在料筐內(nèi)，控制氣氛采用滴入式，經(jīng)流量計和滴管滴入爐罐內(nèi)，風(fēng)扇裝在爐蓋上，可進行爐罐內(nèi)溫度及氣氛的強迫循環(huán)，利用真空泵在取工件前排除爐內(nèi)氨氣。利用氨分析儀檢測爐內(nèi)氣氛并通過電磁閥控制氨氣的通入量，在爐頂設(shè)置點火燃燒裝置消除產(chǎn)生的氫氣，并通過優(yōu)化溫度控制模型曲線，利用PLC通過modbus通訊將工藝曲線參數(shù)下載并傳送給儀表，通過儀表控制可控硅輸出電阻帶加熱比例，以此縮短加熱時間，精準(zhǔn)控制加熱溫度。并且在此基礎(chǔ)上增加人機界面，通過WinCC界面友好展示相關(guān)工藝數(shù)據(jù)，可以方便地進行參數(shù)優(yōu)化，監(jiān)控爐內(nèi)溫度、氣氛等變化，為后續(xù)工藝提升提供大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。

圖1 氮化爐結(jié)構(gòu)示意圖

控制系統(tǒng)如圖2所示，上位機組態(tài)軟件采用西門子WinCC軟件，該軟件用于可視化和工業(yè)控制生產(chǎn)過程，是一個開放的、可擴展的人機界面，能快速建立、測試和部署強大的連接和傳遞實時信息的自動化應(yīng)用軟件，可實現(xiàn)動態(tài)顯示系統(tǒng)流程，工藝參數(shù)設(shè)定、過程控制回路實時監(jiān)控、歷史趨勢曲線、報警歷史記錄查詢以及查詢打印各種報表等數(shù)據(jù)管理功能。工控機通過以太網(wǎng)絡(luò)與井式爐控制系統(tǒng)采用的西門子可編程控制器S7-1500交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)，具有很高的電磁兼容性和抗沖擊、耐振動性能。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

2 傳熱方式

電加熱保護氣氛罩式爐的傳熱方式是：（1）爐體電熱元件與保護氣氛罩外壁之間輻射間距很?。ㄩg距尺寸與圓周面積尺寸之比很小），是平面對平面、等距離的輻射傳熱。（2）保護氣氛罩得到的熱量再由內(nèi)壁傳遞給處理工件。

爐體電熱元件與保護氣氛罩外壁之間的傳熱，可以定為輻射傳熱。根據(jù)輻射傳熱溫度4次方定律斯蒂芬—波爾茨曼定律，黑體的輻射能力為：

式中：E0為黑體表面單位面積在單位時間內(nèi)輻射出的總能量，J/（s·m2）；T為熱力學(xué)溫度，又稱絕對溫度，K。

根據(jù)輻射傳熱距離平方定律：

式中：q為表面接受的輻射熱流密度，W；R為表面和熱源點間的距離，m。

3 系統(tǒng)功能及測試過程

3.1 爐體結(jié)構(gòu)

根據(jù)輻射傳熱距離平方定律，爐體電熱元件與保護氣氛罩之間的間距越小越好，一般保證爐體起吊的安全距離即可。因為爐體有導(dǎo)向柱的幫助所以根據(jù)爐體的深度（高度）距離在100～200 mm。

同時根據(jù)輻射傳熱溫度4次方定律，保護氣氛罩內(nèi)外熱電偶的控制下，保護氣氛罩材料允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡量提高電熱元件的供熱溫度。

紅外線的直線輻射原理，決定了均勻合理地分區(qū)布置爐體電熱元件是保證保護氣氛罩溫度均勻性的關(guān)鍵。在爐體電熱元件與保護氣氛罩之間的間距很小，大大減少了因高度而產(chǎn)生的溫度變化，不需要其他處理。

對于爐膛特別深的電加熱保護氣氛罩式爐，為了防止因高度產(chǎn)生的氣流影響，在爐體上每區(qū)之間可加隔環(huán)裝置增加上升氣流的阻力。

3.2 加熱控制系統(tǒng)

由爐子本體、加熱元件、循環(huán)風(fēng)機、控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)組成，爐內(nèi)采用內(nèi)馬弗罐外側(cè)加熱，通過內(nèi)部循環(huán)風(fēng)機吹風(fēng)進行氣體循環(huán)加熱，可以提升爐內(nèi)溫度的均勻性，并且通過熱電偶溫度檢測實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制，并通過通訊把工藝控制要求輸送到儀表控制器之中，通過儀表控制器控制可控硅輸出，調(diào)節(jié)輸出功率，使得溫度能夠按要求進行控制升溫，并且在控制過程中設(shè)置連鎖保護，保證系統(tǒng)安全可靠。

在測試過程中為縮短工藝時間，充分考慮加熱前期在爐溫度加熱能力，利用分階段的溫控曲線模型，較好地控制前期快速加熱，達到工藝點后保證溫度不超過鋁材料控制點，并且通過分區(qū)控制實現(xiàn)爐內(nèi)溫度均勻性要求，如圖3所示。

圖3 鍋爐改造后熱功率及溫度分布圖

圖3 生產(chǎn)溫度曲線圖

圖4為實際工藝曲線，在實際控制過程中通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)及溫控控制模型預(yù)先以較高的溫度進行升溫，判斷爐內(nèi)溫度，使得較快時間內(nèi)達到第一階段工藝溫度485～495℃，然后按照氮化工藝要求進行初步滲氮；第二階段提升溫度至525～540℃，進行進一步強制滲氮；第三階段溫度降至485～500℃，進行滲氮穩(wěn)定；最后降溫冷卻。

圖4 預(yù)控生產(chǎn)溫度曲線圖

3.3 滲氮控制系統(tǒng)

由氮氣罐、氨分析儀、電磁閥控制系統(tǒng)、手動檢測復(fù)查系統(tǒng)等組成?？紤]氨分解率是溫度、時間和壓強的函數(shù)，隨溫度升高、時間增長而升高，隨壓強的升高而下降的特點，在生產(chǎn)現(xiàn)場直接檢測氨分解率（氮勢）的數(shù)據(jù)來控制氣體滲氮的質(zhì)量，實現(xiàn)可控氮化，由此獲得高質(zhì)量滲氮層，從而使得工件的硬度滿足要求。并且考慮到儀表檢測的調(diào)零定位問題，在爐罐上設(shè)置手動毫米水柱檢測裝置，以此通過水柱變化達到檢測復(fù)核的目的。

氨氣在一定溫度（例如650℃）下分解的化學(xué)方程式為：

氫分析儀通過自帶的氣泵抽取爐內(nèi)氣氛進行氫氣成分分析，再輸出一個模擬量給氮勢控制儀；氮勢控制儀由H2含量可以推導(dǎo)運算出氨分解率，根據(jù)氨分解率大小控制氨氣給入量增加或減少。

氮勢強度取決于氨分解率的大小，而氨分解率取決于通入爐內(nèi)氨氣的量的大小。給入量越多，氨分解率越低，氮勢強度越高；給入量越少，氨分解率越高，氮勢強度越低。氨分解率高，爐內(nèi)H2的濃度反而低。原因是氨氣給入量小，爐內(nèi)N2和H2的含量低了，使得氨分解率變高了。爐內(nèi)N2含量低的話，則氣氛氮勢弱，滲氮強度低，滲氮電化學(xué)反應(yīng)速度慢，或者不能產(chǎn)生滲氮反應(yīng)，甚至工件會產(chǎn)生脫氮反應(yīng)。所以，氨分解率不能過高，一般控制在40%左右。

工件在氮化過程中有時發(fā)生氧化，一般認(rèn)為這是由于氣氛中含水量過大，特別是供入的氨未經(jīng)過干燥而產(chǎn)生的，因此該系統(tǒng)在使用液氮轉(zhuǎn)換的氮氣進入氮化爐之前還設(shè)置了烘干裝置，對于水分進行控制處理。

3.4 冷卻控制系統(tǒng)

由可拆卸口、冷卻風(fēng)機等組成，在氮化工藝完成后，爐子的冷卻時間也是考察氮化爐使用效率的重要因素，通過合理設(shè)計冷卻位置及冷卻風(fēng)機的選型，最大限度地提升冷卻效率，以此提升氮化爐的循環(huán)利用效率。結(jié)合冷卻過程的溫度，通過控制冷卻風(fēng)機及風(fēng)門的開度大小來智能控制冷卻風(fēng)量，使得冷卻過程可控并且滿足工藝要求。

加熱結(jié)束后，爐體不打開，在爐體和保護氣氛罩中間通入循環(huán)冷卻氣體，冷卻保護罩。同時保護罩內(nèi)也根據(jù)工藝需要通入冷態(tài)保護氣氛，循環(huán)冷卻工件。

這種冷卻方式結(jié)構(gòu)簡單，在生產(chǎn)負(fù)荷不高，工藝要求冷卻速度不大的熱處理中常用。但是，這種方式需要將爐體也一并冷卻，所以需要大量冷卻氣體，循環(huán)風(fēng)機功率也大。同時，下一周期的熱處理時爐體重新升溫，浪費大量能源。

設(shè)置爐頂循環(huán)風(fēng)機的水冷系統(tǒng)，并且在冷卻系統(tǒng)管路設(shè)置可視化觀察系統(tǒng)、傳感器反饋系統(tǒng)，以此判斷供水情況，用于保護電機系統(tǒng)的安全可靠。

3.5 廢氣處理系統(tǒng)

由于氮化爐分解過程會產(chǎn)生氫氣，如果累積存儲會有一定的危險，因此本系統(tǒng)設(shè)置了專門處理尾氣的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由點火燃燒裝置、真空泵等組成，在加熱完成后通過點火燃燒裝置除去爐內(nèi)剩余的氫氣，并通過真空泵抽真空方式排走爐內(nèi)剩余氨氣，由此保證開爐取工件的安全性以及減少室內(nèi)氨氣殘留的毒害性。

3.6 可視化人機界面系統(tǒng)

由PLC、modbus及以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)、工控機、WinCC圖形顯示界面等組成，通過通訊連接現(xiàn)場設(shè)備檢測元件、控制系統(tǒng)，可以監(jiān)測爐內(nèi)溫度狀況、加熱狀態(tài)、爐內(nèi)氣氛含量，遠程控制風(fēng)機、真空泵及加熱元件等，并且通過相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄、結(jié)合實際生產(chǎn)檢測數(shù)據(jù)進行工藝參數(shù)優(yōu)化，提升質(zhì)量及效率。

4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求分析，將該系統(tǒng)總體的功能模塊以類別進行劃分，其總體功能模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)總體功能模塊圖

4.1 權(quán)限管理模塊設(shè)計

系統(tǒng)權(quán)限管理模塊的功能主要包括：系統(tǒng)權(quán)限管理、用戶角色配置及用戶權(quán)限管理。該系統(tǒng)包含普通用戶和管理員兩種角色，管理員負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中的用戶以及用戶權(quán)限的分配。

普通用戶指的是系統(tǒng)的一般使用者，有登錄、操作系統(tǒng)的權(quán)限，但系統(tǒng)所有的刪除操作都不可直接執(zhí)行，需受管理員的限制。

管理員負(fù)責(zé)對系統(tǒng)中所有用戶的信息進行管理，例如操作權(quán)限的授予，同時負(fù)責(zé)對異常情況進行處理。權(quán)限管理功能的設(shè)計可以更好地保證系統(tǒng)的安全。

4.2 集群監(jiān)控模塊設(shè)計

集群監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)的是本系統(tǒng)底層運行環(huán)境中集群資源的使用情況以及集群節(jié)點的工作狀態(tài)，便于管理員了解和關(guān)注系統(tǒng)資源的使用情況和異常告警事件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常，以顯示告警通知的方式告訴系統(tǒng)管理員。該模塊實現(xiàn)于Spark Streaming實時計算框架之上，通過使用Flume采集該系統(tǒng)中集群運行相關(guān)的日志數(shù)據(jù)，傳送給Kafka，由Kafka與Spark Streaming進行交互，完成對日志數(shù)據(jù)的實時統(tǒng)計計算，并將計算結(jié)果存入Redis數(shù)據(jù)庫中，由前端集群監(jiān)控界面調(diào)用數(shù)據(jù)接口，展現(xiàn)當(dāng)前系統(tǒng)集群運行的相關(guān)情況。該模塊實現(xiàn)采用的技術(shù)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 集群監(jiān)控模塊技術(shù)架構(gòu)圖

集群監(jiān)控功能模塊的實現(xiàn)過程由三部分組成，依次是日志數(shù)據(jù)的采集、Spark Streaming計算、結(jié)果的存儲或展示。首先Flume集群對系統(tǒng)產(chǎn)生的日志數(shù)據(jù)按時間順序進行采集，通過編寫Flume采集數(shù)據(jù)腳本文件，監(jiān)聽HDFS、Spark計算任務(wù)以及系統(tǒng)CPU等資源使用的相關(guān)端口，采集每一條日志數(shù)據(jù)到指定路徑下，最后當(dāng)日志數(shù)據(jù)文件大小達到設(shè)置的閾值時，執(zhí)行發(fā)送給Kafka集群節(jié)點的相關(guān)路徑下，由Kafka Producer負(fù)責(zé)發(fā)送到指定的Topics中，待Spark Streaming拉取計算。Spark Streaming計算框架采用直接讀取數(shù)據(jù)流的方式，消費Kafka Topic中的數(shù)據(jù)信息并將Kafka中數(shù)據(jù)消費偏移量記錄到MySQL中，Spark Streaming下一次會先去MySQL中讀取該偏移量，再去Kafka中讀下一條數(shù)據(jù)。DStream轉(zhuǎn)換成RDD進行相關(guān)算子操作，實現(xiàn)對日志數(shù)據(jù)的實時計算。計算結(jié)果分組存入Redis數(shù)據(jù)庫中，借助Redis數(shù)據(jù)庫可持久化數(shù)據(jù)以及支持實時讀取數(shù)據(jù)的特點，通過接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，供頁面調(diào)用展示。

4.3 數(shù)據(jù)查詢模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)查詢模塊主要針對已有的生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)和故障信息對應(yīng)的Hive表進行SQL查詢。該模塊主要提供兩種查詢方式，分別是HQL（Hive類SQL）查詢和Spark SQL查詢。一個查詢?nèi)蝿?wù)實現(xiàn)的工作流程大概分為選擇查詢方式、指定查詢的目標(biāo)數(shù)據(jù)庫和表、提交查詢語句、查詢結(jié)果的可視化四個部分，該模塊設(shè)計的查詢功能的工作流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)查詢工作流程示意圖

使用者根據(jù)自己的查詢分析需求選擇相應(yīng)的查詢分析方式，提交的查詢分析語句轉(zhuǎn)變成Spark任務(wù)在Spark集群上執(zhí)行計算，然后將計算結(jié)果封裝返回給服務(wù)端接口，最后數(shù)據(jù)查詢分析的結(jié)果可以通過選擇圖形化界面的方式進行可視化，對查詢結(jié)果的可視化給使用者對目標(biāo)數(shù)據(jù)進行更進一步的分析提供了基礎(chǔ)。

4.4 數(shù)據(jù)分析模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)分析模塊主要是針對存儲在HDFS或者Hbase的裝備數(shù)據(jù)進行分析，用戶通過實際的裝備數(shù)據(jù)分析需求，編寫對應(yīng)的代碼，提交到集群上執(zhí)行。該模塊主要分為兩部分，數(shù)據(jù)離線分析和實時流數(shù)據(jù)分析。

（1）數(shù)據(jù)離線分析

對于數(shù)據(jù)的離線分析，Spark通過彈性分布式數(shù)據(jù)集RDD（Resilient Distributed Dataset）來進行處理。RDD的核心在于算子的使用，通過算子來對數(shù)據(jù)進行操作和分析。

（2）實時流數(shù)據(jù)分析

與數(shù)據(jù)的離線分析不同，數(shù)據(jù)的實時流處理對于系統(tǒng)的時效性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，對于實時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要同步傳輸?shù)募褐?，需要快速完成?shù)據(jù)分析，獲得反饋結(jié)果。

該模塊工作流程大致分為分析數(shù)據(jù)源的導(dǎo)入、分析目標(biāo)的選擇、數(shù)據(jù)源特征選擇、分析算法、分析結(jié)果可視化五個步驟，分析任務(wù)工作流的設(shè)計如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)分析模塊工作流程示意圖

5 結(jié)論

根據(jù)系統(tǒng)需求，分析研究并設(shè)計了該系統(tǒng)的功能模塊和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，結(jié)合Hadoop核心功能MapReduce和HDFS，設(shè)計完成氮化爐設(shè)備智能控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)能實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)并根據(jù)歷史燒爐數(shù)據(jù)分析計算，在原有的生產(chǎn)工藝的條件下，通過優(yōu)化控制系統(tǒng)的組成（包括檢測手段及控制模型）為生產(chǎn)過程提升工藝質(zhì)量、改進工藝過程提供參考。