文／王冠群·陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司

熱加工企業(yè)會(huì)大量使用加熱爐，比如鍛造企業(yè)里的鍛造廠房和熱處理廠房均有加熱爐，無(wú)論是電爐還是燃?xì)鉅t都有控制儀表系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)備，導(dǎo)致原本廠房空間就緊張的情況就越發(fā)加重。同時(shí)，每個(gè)加熱爐的儀表系統(tǒng)都有一套針對(duì)加熱爐的控制系統(tǒng)，而且這些儀表種類非常多，不便于觀測(cè)和調(diào)整。以往行業(yè)里就形成了一種“巡視”的做法，但這種情況也難免出現(xiàn)個(gè)別加熱爐無(wú)法巡視到位的現(xiàn)象而影響了產(chǎn)品的生產(chǎn)。針對(duì)這種情況，筆者在2009 年就提出了爐群集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并通過(guò)十余年的工業(yè)實(shí)踐不斷優(yōu)化，提出了較完善的解決方案。

目前行業(yè)內(nèi)加熱爐使用情況

目前加熱爐的種類有很多種，每種加熱爐配置的儀表柜和儀表系統(tǒng)又都不盡相同，究其原因就是熱加工企業(yè)被動(dòng)地接受了設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)出來(lái)的設(shè)備，而沒(méi)有根據(jù)企業(yè)需要系統(tǒng)地提出自己的需求。

加熱爐種類

電爐和燃?xì)鉅t是熱加工行業(yè)里普遍應(yīng)用的兩種類型的加熱爐。

儀表柜類型

儀表柜用的控制表為西日本橫河UP55A，報(bào)警儀表為UM33A；記錄表為日本天野AH 系列(可以自動(dòng)切換量程)，英國(guó)歐陸808 和上海大華。根據(jù)每個(gè)加熱爐的控制區(qū)不同配置不同的儀表柜，儀表柜有不同的結(jié)構(gòu)，多數(shù)的儀表柜只能用紙質(zhì)表盤；帶無(wú)紙記錄儀的儀表柜可以自動(dòng)記錄加熱數(shù)據(jù)，形成電子表盤，這種儀表柜具備USB 輸出端口。

存在的問(wèn)題

⑴不同類型的加熱爐配置的儀表控制系統(tǒng)和硬件儀表柜都不相同，多數(shù)企業(yè)都是“雜牌軍”，企業(yè)在實(shí)際使用和維護(hù)中也產(chǎn)生了不少困難，給設(shè)備管理增加了難度。

⑵每個(gè)儀表柜占用廠房里一定的場(chǎng)地空間。由于多數(shù)儀表柜使用的是可控硅的方式，并通過(guò)XYZ 或星形接線的方式來(lái)管控各自分區(qū)的儀表，通過(guò)弱電的方式控制380V 的工業(yè)用電。一般一個(gè)儀表柜占地面積約0.5m2，如果按照每個(gè)加熱爐三區(qū)配置的話，儀表柜需占用約1.5m2的面積；大型的加熱爐有五區(qū)甚至更多區(qū)的控制，在現(xiàn)在寸土寸金的廠房里顯然會(huì)占用過(guò)大的面積。

⑶廠房里布局多個(gè)加熱爐，每個(gè)加熱爐都有2～3個(gè)儀表柜，不便于對(duì)加熱的產(chǎn)品進(jìn)行管理，之前通過(guò)巡視的方式難免有遺漏，甚至造成產(chǎn)品加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，加熱溫度超溫等問(wèn)題，不能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)該類問(wèn)題就有可能造成整爐產(chǎn)品報(bào)廢。另外一方面，通過(guò)巡視的方式可以說(shuō)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)企業(yè)緊缺的人力資源也是一種浪費(fèi)。

⑷大量的紙質(zhì)表盤不利于記錄歸檔和日常操作。而且因加熱時(shí)間長(zhǎng)，紙質(zhì)的表盤可能會(huì)有半米到1 米的長(zhǎng)度，因?yàn)闇囟忍荻鹊脑O(shè)置還需要來(lái)回調(diào)整儀表量程，可以說(shuō)非常麻煩。另外，由于之前的紙質(zhì)表盤分辨率還達(dá)不到最新的標(biāo)準(zhǔn)要求，比如AMS2750G 要求每格的分辨率在0.2°，這些老式的系統(tǒng)越來(lái)越不適應(yīng)企業(yè)日益發(fā)展的需要。

⑸紙質(zhì)表盤不利于統(tǒng)計(jì)分析。由于現(xiàn)代企業(yè)管理的需要，我們經(jīng)常需要對(duì)加熱的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，但是多數(shù)的紙質(zhì)表盤無(wú)法實(shí)現(xiàn)這樣的功能，或者無(wú)法快速、高效地實(shí)現(xiàn)這樣的功能。尤其是無(wú)法系統(tǒng)地對(duì)某一類產(chǎn)品的加熱溫度、時(shí)間等參數(shù)信息進(jìn)行管理，更無(wú)法快速地解決現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，可以說(shuō)這是信息孤島。

爐群集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)思想和理念

⑴爐群集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是減少主廠房中儀表柜的占地面積，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)儀表柜矮化處理或從地面消失，從而實(shí)現(xiàn)廠房面積和空間的有效利用。

⑵應(yīng)用系統(tǒng)思維的方法，實(shí)現(xiàn)加熱數(shù)據(jù)的電子化記錄。

⑶結(jié)合目前的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)加熱數(shù)據(jù)的即時(shí)傳輸和智能分析。

爐群集中控制系統(tǒng)布局

⑴硬件布局。

現(xiàn)在常用的電加熱爐一般電路元件有8031芯片、8255A 芯片、74LS373 芯片、6116 芯片、2764 芯片、ADC0809 轉(zhuǎn)換器、溫度檢測(cè)元件及變送器等，溫度調(diào)節(jié)儀是控溫系統(tǒng)的核心部分，采用單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)這一功能的主要硬件設(shè)備是熱電偶或熱電阻,智能PID 溫控儀，可控硅觸發(fā)調(diào)功器等。尤其是采用固態(tài)繼電器的方式，體積大，成本高，同時(shí)需要配置散熱裝置。

按照矮化處理或從地面消失的理念，所有的儀表柜要改變目前使用可控硅固態(tài)繼電器的控制方式，否則無(wú)法進(jìn)行矮化處理，更無(wú)法從地面消失，從地面消失也不是將儀表柜從主廠房挪到副跨廠房里。將可控硅固態(tài)繼電器的硬件方式轉(zhuǎn)換為工業(yè)弱強(qiáng)電模塊化芯片的方式可以從根本上解決這一問(wèn)題。

⑵軟件系統(tǒng)的布局。

目前單個(gè)的儀表系統(tǒng)可以通過(guò)溫控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫和記錄，主要由溫度傳感器、溫度調(diào)節(jié)儀、執(zhí)行裝置，但是加熱數(shù)據(jù)是無(wú)法合并和轉(zhuǎn)移到企業(yè)的其他信息系統(tǒng)上，這需要借助軟件系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件系統(tǒng)至少要實(shí)現(xiàn)幾大功能模塊，但不限于：加熱數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的智能分析和控制系統(tǒng)。

①加熱數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄系統(tǒng)：根據(jù)工藝的要求結(jié)合CAPP 的主要工藝參數(shù)，自動(dòng)匹配零件號(hào)進(jìn)行爐前的加熱數(shù)據(jù)設(shè)置，并通過(guò)可視化展現(xiàn)加熱爐負(fù)載情況，當(dāng)然要包含加熱物料的零件號(hào)、爐批號(hào)、數(shù)量、錠節(jié)號(hào)、加熱爐的編號(hào)，以及TUS 信息、儀表工、加熱工、檢驗(yàn)員的相關(guān)信息等內(nèi)容。加熱參數(shù)的設(shè)置、加熱過(guò)程中和加熱完成后的不同時(shí)段，儀表工、加熱工和檢驗(yàn)員應(yīng)被授權(quán)電子簽章確認(rèn)。

自動(dòng)記錄系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能主要是分別記錄加熱爐的每個(gè)分區(qū)溫度和時(shí)間；根據(jù)加熱的工藝要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求自動(dòng)勾畫加熱曲線，加熱曲線要有足夠的分辨率；或者同時(shí)毫秒級(jí)的記錄加熱溫度和時(shí)間信息，這些信息可以按照企業(yè)的需要實(shí)現(xiàn)電子圖表等不同形式的輸出。根據(jù)需要可以實(shí)現(xiàn)打印功能，曲線實(shí)現(xiàn)放大縮小的功能。

在加熱過(guò)程中出現(xiàn)因爐絲斷裂等故障導(dǎo)致的爐溫異常情況，要能第一時(shí)間進(jìn)行聲像報(bào)警提醒和控制處理，對(duì)異常加熱曲線要能自動(dòng)著色標(biāo)注，以方便追溯。

系統(tǒng)記錄的內(nèi)容也包含每個(gè)加熱爐的TUS 和SAT 相關(guān)信息，合格區(qū)大小，測(cè)溫時(shí)間和測(cè)溫操作者等，并在到期之前進(jìn)行預(yù)約提醒功能。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)一旦形成將不能進(jìn)行修改，這是一個(gè)非常重要的功能，防止電子記錄被篡改，否則系統(tǒng)數(shù)據(jù)將會(huì)失真。

⑵數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸系統(tǒng)包含加熱曲線等電子數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)狡髽I(yè)ERP 系統(tǒng)，每個(gè)加熱爐的加熱物料進(jìn)度可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傳輸，對(duì)出現(xiàn)的爐溫異常數(shù)據(jù)能夠根據(jù)企業(yè)的設(shè)置實(shí)時(shí)傳送到主管技術(shù)人員、質(zhì)量人員的電腦中。加熱數(shù)據(jù)同時(shí)具備即時(shí)存檔的功能，按照企業(yè)的需求進(jìn)行編碼歸檔，多數(shù)的歸檔信息編碼是按照加熱物料的件號(hào)、名稱作為主索引歸檔編碼。如果企業(yè)的客戶有需求，企業(yè)履行審批手續(xù)后，可以通過(guò)系統(tǒng)將加熱數(shù)據(jù)和加熱爐的TUS 信息傳送給顧客。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)還需開放一定的權(quán)限給相關(guān)的技術(shù)人員、質(zhì)量人員和管理人員，讓其能夠查詢到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)物料加熱數(shù)據(jù)和已經(jīng)歸檔的數(shù)據(jù)信息。

⑶數(shù)據(jù)的智能分析和控制系統(tǒng)。

對(duì)加熱數(shù)據(jù)的分析要點(diǎn)：根據(jù)顧客的需要按材料牌號(hào)進(jìn)行加熱溫度的SPC 控制分析，結(jié)合零件的力學(xué)性能指標(biāo)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整溫度。分析的類型不限于：對(duì)同一零件不同時(shí)期的加熱溫度、時(shí)間等進(jìn)行分析；對(duì)同一顧客的不同零件進(jìn)行分析；對(duì)同一材料牌號(hào)的不同零件進(jìn)行分析；對(duì)不同加熱爐的功效進(jìn)行分析等。分析結(jié)果形成報(bào)告和圖表可供需要的人員使用。

在結(jié)合數(shù)據(jù)記錄功能的基礎(chǔ)上，可以拓展以下功能：如果加熱溫度和時(shí)間沒(méi)有達(dá)到CAPP 參數(shù)規(guī)定預(yù)設(shè)數(shù)值，加熱爐無(wú)法開啟；在達(dá)到該參數(shù)的預(yù)設(shè)數(shù)值時(shí)，則預(yù)先聲響提醒并打開爐門，完成本次加熱的操作；在加熱爐出現(xiàn)異常時(shí)，可以根據(jù)預(yù)設(shè)的處理流程進(jìn)行中斷加熱等的智能處理。

應(yīng)用范例和使用效果

目前該系統(tǒng)已經(jīng)在相關(guān)企業(yè)的熱處理和鍛造現(xiàn)場(chǎng)中得到了應(yīng)用，并取得了一定的效果，矮化或取消了部分控制柜，提高了主廠房的利用率，改變了傳統(tǒng)的巡視管理模式，對(duì)接了企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)，可視化展現(xiàn)了生產(chǎn)作業(yè)的安排，局部實(shí)現(xiàn)了電子記錄的歸檔功能。

未來(lái)改進(jìn)

⑴目前的爐群集中控制系統(tǒng)是建立在現(xiàn)有工業(yè)企業(yè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上的最佳方式，隨著未來(lái)的信息化和數(shù)智化的發(fā)展，企業(yè)可結(jié)合AI 的功能應(yīng)用和拓展。同時(shí)，加熱爐的種類將變?yōu)檫m應(yīng)單件加熱方式的集中電感應(yīng)爐，隨之傳統(tǒng)的箱式電爐將會(huì)被替代。

⑵裝出爐的方式將通過(guò)智能機(jī)械手替代目前的人工操作，減少人工成本。

⑶廣泛的應(yīng)用爐群集中控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將為企業(yè)的管理提升奠定基礎(chǔ)。