平鍛機(jī)自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

  根據(jù)XX集團(tuán)提出的“平鍛機(jī)自動(dòng)控溫裝置技術(shù)要求”，本公司制定此設(shè)計(jì)方案。方案包括4個(gè)部分，分別是：系統(tǒng)概述，系統(tǒng)硬件組成，控制流程描述以及預(yù)算成本。

一、系統(tǒng)概述

平鍛機(jī)自動(dòng)控溫系統(tǒng)用途是通過控制中頻電磁爐輸出功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐孔內(nèi)鋼管溫度的控制。中頻電磁爐由沈丘縣鑫鑫電子科技有限公司生產(chǎn)，實(shí)際工作中由一臺(tái)主機(jī)控制串聯(lián)的三個(gè)加熱爐孔，鋼管依次經(jīng)由三個(gè)加熱爐孔加熱，最終達(dá)到1200℃-1300℃的目標(biāo)溫度，采用串聯(lián)三個(gè)加熱爐可提高鋼管的加熱效率，鋼管在每個(gè)爐孔內(nèi)的加熱時(shí)間為1.5分鐘到3.5分鐘。所以該裝置對(duì)加熱的時(shí)間和各爐孔加熱的溫度要求較高。

生產(chǎn)工藝有如下要求：

= 1 \* GB3 ① 冷料鋼管放入第一個(gè)爐孔時(shí)，需要緩慢升溫，以免鋼管內(nèi)部產(chǎn)生過大熱應(yīng)力；

= 2 \* GB3 ② 當(dāng)冷料鋼管在第一個(gè)爐孔達(dá)到一定溫度后，需要加快升溫速度，較快達(dá)到400℃；

= 3 \* GB3 ③ 鋼管在第一個(gè)爐孔加熱到400℃時(shí)，出爐轉(zhuǎn)入第二爐孔中繼續(xù)加熱，此時(shí)第一爐孔加入冷料鋼管，按照 = 1 \* GB3 ①規(guī)則調(diào)整溫度；

= 4 \* GB3 ④ 當(dāng)鋼管在第二爐孔達(dá)到800℃時(shí)，出爐轉(zhuǎn)入第三爐孔中繼續(xù)加熱，此時(shí)第一爐孔內(nèi)的鋼管溫度應(yīng)該接近400℃，準(zhǔn)備出爐轉(zhuǎn)入第二爐孔中繼續(xù)加熱，第一爐孔加入冷料鋼管，按照 = 1 \* GB3 ①規(guī)則調(diào)整溫度；

= 5 \* GB3 ⑤ 當(dāng)鋼管在第三爐孔達(dá)到1200℃時(shí)，出爐轉(zhuǎn)入平鍛機(jī)完成一次鍛壓，此時(shí)第二爐孔內(nèi)的鋼管溫度應(yīng)該接近800℃，準(zhǔn)備出爐轉(zhuǎn)入第三爐孔中繼續(xù)加熱，第一爐孔內(nèi)的鋼管溫度應(yīng)該接近400℃，準(zhǔn)備出爐轉(zhuǎn)入第二爐孔中繼續(xù)加熱，第一爐孔加入冷料鋼管，按照 = 1 \* GB3 ①規(guī)則調(diào)整溫度；

= 6 \* GB3 ⑥ 此外，由于感應(yīng)加熱產(chǎn)生集膚效應(yīng)，電流較大時(shí)表面溫升很快，所以直觀上當(dāng)溫度較高時(shí)，需要減小加熱電流，以減輕集膚效應(yīng)。

由此可知，在整個(gè)加熱過程中，中頻電磁爐的輸出功率是變化的，輸出功率的控制需求如下：輸出功率在一開始加熱冷鋼管時(shí)比較小，在溫度提升后增大輸出功率，并在快速升溫到較高溫度時(shí)減小輸出功率。杰瑞還提供恒溫控制器，能夠在被測(cè)物體溫度超過設(shè)定溫度上下限時(shí)，輸出開關(guān)信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制加熱功能，需要增加3個(gè)傳感器在3個(gè)加熱孔附近，用于檢測(cè)是否有鋼管在加熱。

二、裝置硬件組成

本裝置使用圍繞嵌入式芯片設(shè)計(jì)的控制板卡（以下簡(jiǎn)稱控制器），并配有顯示屏。通過接收恒溫控制器的I/O信號(hào)，鋼管是否存在的I/O信號(hào)，輸出模擬電壓控制電磁爐功率輸出，加熱鋼管。

1、接近開關(guān)

為了能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制加熱功能，控制器需要能檢測(cè)到各爐孔內(nèi)是否有鋼管，這可以通過在每個(gè)電磁爐孔附近安裝一個(gè)接近開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。

2、控制器

本裝置的控制器能夠接收3路接近開關(guān)信號(hào)，3路恒溫控制器信號(hào)，4路模擬信號(hào)（4個(gè)調(diào)整旋鈕），模式選擇開關(guān)與急停開關(guān)各1路，及預(yù)留若干輸入；控制器可以輸出1路模擬量信號(hào)用于控制電磁爐的功率，1路報(bào)警輸出，及預(yù)留若干路輸出；通過顯示屏顯示功率變化曲線。

根據(jù)沈丘縣鑫鑫電子科技有限公司提供的信息，電磁爐功率調(diào)節(jié)旋鈕的電壓范圍為0-3V；直流電流表引線的電壓范圍是0-600V，直流電流為0-800A；開關(guān)引線的交流電壓為380V，電流5A。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制溫度，需要設(shè)定第三個(gè)孔的恒溫控制器的上限溫度為1200℃。

三、控制流程描述

由于本系統(tǒng)期望對(duì)3個(gè)加熱孔內(nèi)的3根鋼管同時(shí)進(jìn)行加熱，而且是順序加熱，為了保證加熱工藝，剛剛放入加熱孔的冷鋼管不能用過大的功率對(duì)其進(jìn)行加熱，加熱一段時(shí)間后，有一定的溫度的鋼管又需要提高功率加熱，而電磁爐的功率開關(guān)卻只能同時(shí)控制3個(gè)加熱孔的功率，所以電磁爐的功率輸出必須是個(gè)變化的量，才能滿足鋼管的加熱工藝要求。這就要求設(shè)計(jì)合理的功率輸出曲線。在每次有新的冷管放入加熱孔中時(shí)，應(yīng)使用較小的功率加熱，在加熱一定時(shí)間后，按一定的速率提高功率，達(dá)到指定溫度為止或在達(dá)到指定的功率后，按指定的功率加熱，再有新的冷鋼管放入時(shí)，功率又必須降到較低的值，如此循環(huán)。每個(gè)孔的加熱時(shí)間約為120秒，即2分鐘。功率變化曲線如下圖所示，其中P1表示初始較小的加熱功率，P2表示升高后的加熱功率，t1表示開始升高功率的時(shí)間，t2表示停止升高加熱功率的時(shí)間。

考慮到加熱流程的復(fù)雜性，本裝置設(shè)有自動(dòng)調(diào)節(jié)模式和手動(dòng)調(diào)節(jié)模式。

1、自動(dòng)調(diào)節(jié)模式控制流程

在自動(dòng)調(diào)節(jié)模式下，需要通過旋鈕預(yù)先設(shè)定較低的加熱功率值P1和較高的加熱功率P2，并且較低功率加熱時(shí)間和較高功率加熱時(shí)間是相等的，即t1=120-t2，還需要將第三個(gè)孔的恒溫控制器上限溫度設(shè)為1200℃。

(1) 鋼管G1放入電磁爐第一個(gè)孔H1加熱，控制器檢測(cè)到孔H1有鋼管后，按照上述的功率變化曲線，加熱鋼管G1，同時(shí)開始計(jì)時(shí)。

(2) 計(jì)時(shí)達(dá)到上限時(shí)間120秒后，輸出聲音信號(hào)，將加熱功率調(diào)回P1，請(qǐng)求將鋼管G1從孔H1取出放入電磁爐第二個(gè)孔H2加熱，并在孔H1中放入新的鋼管G2，控制器檢測(cè)到孔H1有鋼管后，按照上述的功率變化曲線，加熱鋼管G1，G2，同時(shí)開始計(jì)時(shí)。

(3) 計(jì)時(shí)達(dá)到上限時(shí)間120秒后，輸出聲音信號(hào)，將加熱功率調(diào)回P1，請(qǐng)求將鋼管G1從孔H2取出放入電磁爐第三個(gè)孔H3加熱，將鋼管G2從孔H1取出放入電磁爐第二個(gè)孔H2加熱，并在孔H1中放入新的鋼管G3，控制器檢測(cè)到孔H1有鋼管后，就開始計(jì)時(shí)，按照上述的功率變化曲線，加熱鋼管G1，G2，G3，同時(shí)開始計(jì)時(shí)。

(4) 若計(jì)時(shí)達(dá)到上限時(shí)間120秒后，孔H3的恒溫控制器信號(hào)沒有給出超過上限信號(hào)，繼續(xù)計(jì)時(shí)，保持功率輸出為P2，繼續(xù)加熱鋼管，直到讀到孔H3的恒溫控制器給出超過上限溫度信號(hào)，即達(dá)到1200℃后，輸出聲音信號(hào)，將加熱功率調(diào)回P1，請(qǐng)求將鋼管G1從孔H3取出放入平鍛機(jī)鍛造，將鋼管G2從孔H2取出放入電磁爐第三個(gè)孔H3加熱，將鋼管G3從孔H1取出放入電磁爐第二個(gè)孔H2加熱，并在孔H1中放入新的鋼管G4，同時(shí)減小t2-t1的值（t1=120-t2），以更改加熱功率曲線，加速加熱效率，控制器檢測(cè)到孔H1有鋼管后，就開始計(jì)時(shí)，按照新的功率變化曲線，加熱鋼管G2，G3，G4，同時(shí)開始計(jì)時(shí)。

若在計(jì)時(shí)尚未達(dá)到120秒時(shí)，控制器讀到孔H3的恒溫控制器給出超過上限溫度信號(hào)，即達(dá)到1200℃后，輸出聲音信號(hào)，將加熱功率調(diào)回P1，請(qǐng)求將鋼管G1從孔H3取出放入平鍛機(jī)鍛造，將鋼管G2從孔H2取出放入電磁爐第三個(gè)孔H3加熱，將鋼管G3從孔H1取出放入電磁爐第二個(gè)孔H2加熱，并在孔H1中放入新的鋼管G4，同時(shí)增大t2-t1的值（t1=120-t2），以更改加熱功率曲線，減慢加熱效率，控制器檢測(cè)到孔H1有鋼管后，就開始計(jì)時(shí)，按照新的功率變化曲線，加熱鋼管G2，G3，G4，同時(shí)開始計(jì)時(shí)。

(5) 不斷重復(fù)步驟(4)，直到控制器讀到孔H3的恒溫控制器給出超過上限溫度信號(hào)的時(shí)間和上限時(shí)間120秒之差5秒以內(nèi)，停止修改t2-t1的值，使用得到的功率變化曲線加熱鋼管。

2、手動(dòng)調(diào)節(jié)模式控制流程

如果在使用自動(dòng)調(diào)節(jié)模式下，系統(tǒng)無法得到期望的t2-t1的值，來使加熱時(shí)間和溫度達(dá)到1200℃的時(shí)間吻合，那么就需要人工手動(dòng)調(diào)節(jié)功率變化曲線。

本裝置提供4個(gè)旋鈕，分別設(shè)定初始加熱功率P1，最終加熱功率P2，開始升高功率的時(shí)間t1，停止升高加熱功率的時(shí)間t2。其中P1和P2的范圍就是電磁爐的功率范圍，t1和t2的范圍是0到120秒。

四、預(yù)算成本

略