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有關(guān)智能型密封多用爐生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)控制
自動(dòng)生成最優(yōu)化的氣體滲碳工藝技術(shù).滲碳時(shí)間和擴(kuò)散開始時(shí)間滲碳層的碳濃度分布曲線的形狀對(duì)滲碳零件的性能有顯著的影響，但是傳統(tǒng)的按經(jīng)驗(yàn)制訂的二段滲碳工藝很難實(shí)現(xiàn)滲碳層碳濃度分布的控制，尋找獲得平臺(tái)狀的濃度分布曲線的方法乃是國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的滲碳控制技術(shù)所追求的目標(biāo)。除了表面濃度及有效硬化深度所對(duì)應(yīng)的濃度之外，還需要以第三點(diǎn)作監(jiān)控目標(biāo)。該文認(rèn)為，在強(qiáng)滲期結(jié)束擴(kuò)散期開始之后，直至濃度分布曲線達(dá)到平臺(tái)狀之前，在濃度分布曲線上有一點(diǎn)的濃度是不變的(圖中C )。若以濃度分布曲線第一次通過c 點(diǎn)時(shí)刻作為強(qiáng)滲期結(jié)束擴(kuò)散期開始的判據(jù)(圖中曲線1)，此時(shí)立即將表面含碳量降，則在達(dá)到有效硬化深度時(shí)，恰好獲得平臺(tái)狀的濃度分布曲線(圖1中曲線。
所給出的只是一種理想化的方法，實(shí)際上，在擴(kuò)散期開始之后表面碳濃度由降低到C 需要經(jīng)歷?段時(shí)間(取決于爐氣碳勢(shì)下降的速率和氣一固反應(yīng)傳遞系數(shù)B)。在實(shí)際生產(chǎn)情況下，交點(diǎn)C 并非固定不變。因而采用上述方法在實(shí)際滲碳過程中并不能保證最終獲得平臺(tái)狀濃度分布曲線。
儀控制三個(gè)點(diǎn)是不夠的，應(yīng)以整個(gè)滲層濃度分布曲線的最終形狀作為控制的目標(biāo)。該文將某一時(shí)刻的濃度分布曲線(圖2中曲線1)高于晟終濃度分布曲線(圖2中曲線2)的面積定義為S1，曲線1低于曲線2的面積定義為S z，布擴(kuò)散期內(nèi)使S-中的碳擴(kuò)散到S 中就得到最終的濃度分布曲線(見圖，因此以S =S：作為擴(kuò)散期開始的判據(jù)。該文又指出，在實(shí)際生產(chǎn)中s。應(yīng)略大于s z，即以S-=a Sz為擴(kuò)散開始的判據(jù)，并認(rèn)為a值略大于1，約為1.1。問題在于a值是否為常數(shù)?它受何種因素影響?為此我們用計(jì)算機(jī)模擬和剝層分析相結(jié)合的方法進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)中有多種因素，諸如滲碳層深度、與CS 、傳遞系數(shù)B、碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)、爐子的降溫速率和氣氛碳勢(shì)的降低速率等等都對(duì)a值有明顯的影響，a值在0.9—2.2的大幅度內(nèi)變化。因此以S。=S 或S =a S：為擴(kuò)散開始的判據(jù)，在實(shí)際生產(chǎn)中很難保證獲得平臺(tái)狀的碳濃度分布曲線。
在計(jì)算機(jī)模擬研究的基礎(chǔ)上我們采用下述計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法。根據(jù)第三類邊界條件非線性瞬態(tài)濃度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行滲層濃度分布曲線的 ‘算機(jī)模擬計(jì)算，經(jīng)過反復(fù)疊代以確定開始轉(zhuǎn)入擴(kuò)散階段的時(shí)間t ，開始降溫時(shí)間t 及總時(shí)間t (見圖3)。采用非線性模型(工藝參數(shù)作為時(shí)間的函數(shù))在模擬計(jì)算中考慮爐子的升溫速率、降溫速率、滲碳初期碳勢(shì)上升速率和由滲碳期向擴(kuò)散期過渡時(shí)碳勢(shì)下降的速率，不同階段中傳遞系數(shù)的變化，及溫度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響等因素。首先由計(jì)算機(jī)從知識(shí)庫(kù)中調(diào)用相近的案例，給出 s的初值，然后按圖3的工藝規(guī)程進(jìn)行瞬態(tài)濃度場(chǎng)模擬，求得出爐時(shí)的濃度分布曲線，它與c6水平線的交點(diǎn)即為有效硬化深度6。如果6計(jì)算>6設(shè)定，則縮短 6和 7重新計(jì)算;若6計(jì)算<6設(shè)定，則延長(zhǎng) 6和 7重新計(jì)算，直至6¨_算=6設(shè)定。另一方面，以計(jì)算的濃度分布曲線上的最高點(diǎn)c? 第一 次降至cs +O.05%C作為獲得平臺(tái)狀的最件濃度分布曲線的判據(jù)。如果此時(shí)設(shè)瘧，則延長(zhǎng) s重新計(jì)算，反之則縮短 s重新計(jì)算，直至獲得同時(shí)滿足6計(jì)算=61世定及c =Cs2+O.05%的最優(yōu)化T豈規(guī)程。
滲碳期的氣相碳勢(shì)上海交通大學(xué)的動(dòng)態(tài)碳勢(shì)控制技術(shù)f 3嘟將滲碳期的碳勢(shì)作為時(shí)間的函數(shù)，在滲碳初期將氣相碳勢(shì)控制在較高的水平，使鋼表面的碳濃度C S迅速上升。當(dāng)C S達(dá)到設(shè)定值之后，氣相碳勢(shì)連續(xù)降低，使保持不變，這就可以加快滲碳速度。wtinning指出，如果初期氣相碳勢(shì)控制在析出碳黑的極限，將獲得最快的滲碳速度且使最終的濃度分布曲線出現(xiàn)最寬的平臺(tái)。
方法所追求的是一種理想的最優(yōu)化方案，卻并非是在所有生產(chǎn)情況下都能實(shí)現(xiàn)的方案。
經(jīng)驗(yàn)告訴我們，任何一臺(tái)滲碳爐只可能保證在其裝料區(qū)內(nèi)達(dá)到 定程度的溫度均勻性，在爐膛中不可避免存在溫度低于滲碳溫度的區(qū)域。當(dāng)爐氣的碳勢(shì)控制在對(duì)應(yīng)于滲碳溫度下析出碳黑的極限(即爐氣的成分在滲碳溫度下與石墨平衡)時(shí)，對(duì)丁.爐膛內(nèi)溫度低于滲碳溫度的區(qū)域，氣相將處于過飽和碳的狀態(tài)，將有碳黑在該處析出。這種現(xiàn)象對(duì)于井式氣體滲碳爐尚無(wú)大礙，因?yàn)樵诿看芜M(jìn)出爐時(shí)，大部分碳黑會(huì)被燒掉。然而對(duì)于密封多用爐而言，大部分碳黑將積聚在爐內(nèi)，以致無(wú)法正常生產(chǎn)。本公司生產(chǎn)的密封多用爐，滲碳期的氣相碳勢(shì)沒定為1.10% l_15%圖3中第1階段)，當(dāng)工件表面的碳濃度達(dá)到C S 之后，為了控制表面碳勢(shì)保持不變，需要令每一時(shí)刻通過界而反應(yīng)由氣相轉(zhuǎn)移到工件表面的碳流通量恰好等于由表面向內(nèi)擴(kuò)散的碳流通量，因此，隨著滲碳時(shí)問的延長(zhǎng)氣相碳勢(shì)的控制值應(yīng)逐漸降低，如圖中的第1I階段。
計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成最優(yōu)化_L藝根據(jù)2.1和2.2所述的原理已開發(fā)成功通過計(jì)算機(jī)模擬生成最優(yōu)化滲碳工藝的軟件，本文所指的最優(yōu)化并非理想的最優(yōu)化，而是在密封多用爐生產(chǎn)線上有可能實(shí)現(xiàn)的事實(shí)卜的最優(yōu)化。全部模擬計(jì)算以及調(diào)l用不同鋼種的活度系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)，氣同反應(yīng)的傳遞系數(shù)，氣相碳勢(shì)的最高設(shè)定值等均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，用戶只需要輸入工件材料，有效硬化深度等技術(shù)要求，計(jì)算機(jī)即能自動(dòng)生成最優(yōu)化的滲碳工藝規(guī)程。分別是計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)的模擬計(jì)算、滲碳過程模擬工藝計(jì)算和最優(yōu)化工藝規(guī)程的顯示界面。
/CAM自動(dòng)連接的無(wú)紙化生產(chǎn)當(dāng)計(jì)算機(jī)白動(dòng)生成最優(yōu)化的工豈規(guī)程之后，可以按二種方式山計(jì)算機(jī)按照最優(yōu)化上藝規(guī)程對(duì)牛產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制。
直接進(jìn)入自動(dòng)控制。
用戶輸入T什材料和滲碳技術(shù)要求之后，點(diǎn)擊確定按鈕，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)按優(yōu)化上藝規(guī)程進(jìn)行生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。
存入工藝庫(kù)中，供控制子系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用。
上述 種無(wú)紙化生產(chǎn)方式都可以最人限度減少人為的差錯(cuò)，使本產(chǎn)品成為CAE/CAD自動(dòng)連接的無(wú)紙化氣體滲碳白動(dòng)生產(chǎn)線。若工程技術(shù)人員想事先了解滲碳的進(jìn)程及優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)情況，在用戶輸入工件材料和滲碳要求等信息之后，可以在“模擬和工藝設(shè)計(jì)”視窗中觀察到模擬運(yùn)算的情況，了解在滲碳過程中不同時(shí)刻的濃度分布和優(yōu)化工藝規(guī)程的設(shè)計(jì)結(jié)果，經(jīng)確認(rèn)后存入“工藝庫(kù)”中，隨后可以按工藝號(hào)或零件號(hào)自動(dòng)調(diào)用。上述操作可以在不中斷過程控制的情況下進(jìn)行，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在“前臺(tái)”不間斷地進(jìn)行生產(chǎn)控制，在“后臺(tái)”接受輸入信息、進(jìn)行工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此工程技術(shù)人員可以在任何時(shí)刻在不影響當(dāng)時(shí)生產(chǎn)過程控制的情況下進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化工藝規(guī)程的操作，隨后本生產(chǎn)線按每一爐的工件號(hào)或工藝號(hào)進(jìn)行生產(chǎn)過程的全自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化自動(dòng)化生產(chǎn)。
動(dòng)態(tài)碳勢(shì)控制技術(shù)一自動(dòng)消除偏差所造成的后果除本系統(tǒng)之外，目前世界上所有的密封多用爐生產(chǎn)線制造商所提供的控制系統(tǒng)都采用旨在消除實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間的偏差的控制模式，例如自整定控制、模糊算法控制等，雖然可以消除偏差，但不可能消除已產(chǎn)生的偏差對(duì)滲碳過程造成的影響，以致其后的滲碳過程將在一定程度上偏離了最優(yōu)化狀態(tài)。氣體滲碳是一種具有大滯后特性的過程，偏差所造成的后果顯得更明顯。為了保證滲碳質(zhì)量的重現(xiàn)性，在本生產(chǎn)線上采用了能夠消除各種偏差所產(chǎn)生的后果的動(dòng)態(tài)碳勢(shì)控制技術(shù)。
圖5是動(dòng)態(tài)碳勢(shì)控制子系統(tǒng)的組成圖。在動(dòng)態(tài)碳勢(shì)控制軟件中設(shè)置了快速計(jì)算濃度分布曲線的子程序，可以根據(jù)實(shí)測(cè)的爐溫和氣相碳勢(shì)等采樣值即時(shí)計(jì)算出瞬態(tài)濃度場(chǎng)，求出當(dāng)前時(shí)刻最優(yōu)化的c 的設(shè)定值，在生產(chǎn)過程中根據(jù)具體的情況實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化動(dòng)態(tài)控制。
動(dòng)態(tài)碳勢(shì)控制技術(shù)由于采用了數(shù)學(xué)模型在線運(yùn)算的創(chuàng)新性控制方式，從而能夠消除偏差所造成的后果。圖6給出了一個(gè)例子。在一次滲碳過程中發(fā)生了滲碳劑供應(yīng)中斷的故障，動(dòng)態(tài)碳勢(shì)控制軟件能及時(shí)計(jì)算出在氣相碳勢(shì)下降和恢復(fù)期間的碳濃度分布曲線變化情況，隨后自動(dòng)給予補(bǔ)償，以消除偏差所造成的后果。圖6中的虛線表示在動(dòng)態(tài)碳勢(shì)控制第階段理論上的最優(yōu)化控制曲線，由于滲劑供應(yīng)故障，使c 偏離曲線，在計(jì)算機(jī)發(fā)出調(diào)節(jié)指令和報(bào)警的同時(shí)，傳感器繼續(xù)將各種測(cè)試數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，并由計(jì)算機(jī)不斷計(jì)算出每一時(shí)刻的濃度分布曲線。按照一般的過程控制理念，當(dāng)C 重新恢復(fù)到理論上的優(yōu)化控制曲線時(shí)，意味著偏差已被消除。
但是計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果表明，對(duì)碳濃度分布曲線而言，偏差所造成的后果十分明顯。因此在動(dòng)態(tài)碳勢(shì)控制技術(shù)中，當(dāng)C 恢復(fù)到理論上的最優(yōu)化控制曲線之后(在偏差消除之后)并非像傳統(tǒng)的控制方法那樣立即令c 跟蹤原定的控制曲線，而是令c 繼續(xù)上升，及至Cs重新達(dá)Nc .之后，再按動(dòng)態(tài)碳勢(shì)擰制的算法計(jì)算氣相碳勢(shì)的設(shè)定值。用這種方法可以使?jié)B碳過程恢復(fù)到最優(yōu)化的狀態(tài)，達(dá)到事實(shí)上的最大滲碳速度和最佳的濃度分布，使?jié)B碳質(zhì)黽的重現(xiàn)性得到切實(shí)的保證。
熱處理數(shù)據(jù)庫(kù)和工藝庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)中存貯我國(guó)及美、德、俄等吲常用滲碳鋼的成分、活度系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、氣一同反應(yīng)物質(zhì)傳遞系數(shù)、氣相反應(yīng)的平衡常數(shù)等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)自動(dòng)調(diào)用有關(guān)數(shù)捌即可自動(dòng)生成最優(yōu)化滲碳 藝并自動(dòng)完成生產(chǎn)過程控制。
系列智能型密封多用爐牛產(chǎn)線所配置的數(shù)據(jù)庫(kù)是?種可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫(kù)，用提示輸入新的滲碳鋼的相關(guān)數(shù)據(jù)，或者是 些新的滲碳方法的傳遞系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)，就可以擴(kuò)大牛產(chǎn)線的應(yīng)用范圍，也可以由上海交通大學(xué)先進(jìn)熱處理遠(yuǎn) 服務(wù)巾心站提供數(shù)據(jù)支援。主計(jì)箅機(jī)及時(shí)讀取所有傳感器的采樣值和所囪‘機(jī)械動(dòng)作的運(yùn)行信號(hào)，并由主計(jì)算機(jī)根據(jù)最優(yōu)化工豈和動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)作出的決策，用數(shù)據(jù)通訊的方式分別向所有的智能化儀表~HPLC或鉀能控制單 已發(fā)送各種控制沒定值，從而使所有的執(zhí)行元件根槲最優(yōu)化工藝的要求協(xié)調(diào)一致地工作，包括滲碳爐溫度、氣氛碳勢(shì)的控制、工藝時(shí)間控制、密封多用爐的爐rJ啟閉和全部進(jìn)出爐自動(dòng)操作、淬火 降臺(tái)的操作、淬火油溫度的監(jiān)控、淬火汕惜攪拌速度的控制、清洗機(jī)和回火爐的自動(dòng)操作和叫火溫J曼控制、料車和裝料平臺(tái)的操作等，使整個(gè)生產(chǎn)線都置于計(jì)算機(jī)的集·}J控制下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，并住上計(jì)算機(jī)的屏幕上直觀地顯示所有傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)。用圖形顯示生產(chǎn)線的操作狀態(tài)及故障報(bào)警，還具有彩媒體攝像頭從屏幕上觀察生產(chǎn)線作狀況的功能。
可擴(kuò)展性由于本生產(chǎn)線的硬件配置充分考慮到了牛產(chǎn)管理和過程控制一體化的需要，今后只要擴(kuò)腱軟件的功能就可以使生產(chǎn)線的整體功能提升。例如，正在開發(fā)的故障自診斷、生產(chǎn)顧草管理等： 系統(tǒng)將使本生產(chǎn)線的計(jì)算機(jī)生產(chǎn)管理功能提升到較高水、 已初步開發(fā)成功的滲碳層 維濃度場(chǎng)碳濃度分布計(jì)算機(jī)模擬和控制子系統(tǒng)(罔8)『F存試運(yùn)行，別于提高滲碳零件質(zhì)量將有重大作用。
使用大容積油槽，內(nèi)簧導(dǎo)向槽和導(dǎo)流板，配備變頻調(diào)速攪拌裝置，攪拌速度和淬火油楷溫度部可根據(jù)中心計(jì)算機(jī)的控制指令進(jìn)行調(diào)節(jié)。
采用變頻調(diào)速攪拌裝置雖然增加了設(shè)備的成本，但可以使冷卻過程納入控制狀態(tài)，可以根據(jù)滲層硬度分布預(yù)報(bào)的結(jié)果對(duì)不同大小的工什采用小同的攪拌速度，并且可以在不同的冷卻階段采用不的攪拌速度，目前是用慢一快一中一慢一靜止多個(gè)階段的冷卻方式，有助于減少工件的崎變。
配置變頻調(diào)速攪拌裝置也為今后將淬火冷卻計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)應(yīng)用于密封多用爐生產(chǎn)線打下物質(zhì)基礎(chǔ)。
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