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感应电炉实时控制系统的应用与发展 |
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现代感应熔化电炉是大功率半导体和微电子特别是计算机技术相结合的产物，铸造业需要大功率、高功率密度、连续大批量、环保和计算机管理的熔化设备，这对感应熔化设备制造商提出了新的挑战，各个感应电炉制造企业在这方面做了大量的研究和实践。一般分为三种情况：以微处理器为控制单元的嵌入式实时控制系统；以平板式工业一体式电脑为代表的实时控制系统；以外加工业电脑为代表的实时控制系统。下面以应达公司的感应熔化电炉的实时控制系统为例，作一介绍。
一、以微处理器为控制单元的嵌入式实时控制系统
1. 硬件组成
微处理器为控制单元的嵌入式实时控制系统的硬件由三个部分组成（见图1）：①带CPU、存储器、输入和输出接口的微处理器控制板。②键盘。③字符显示屏。
图1 微处理器为控制单元的嵌入式实时控制系统示意
2. 输入信号
输入信号有中频电源的运行参数；电炉的重量；烘炉的温度信号。
3. 输出信号
输出信号有监控和显示电源运行的参数；诊断和显示故障；接收与其他设备联动的控制信号；打印输出。
4. 几种对电炉主要的控制方式
（1）千瓦时（kW·h）功耗控制 kW·h熔炼模式用以确定什么时候已将要求的kW·h电能投入了熔炼中。当此电能值输送完成时，中频电源系统能自动将输出功率值降低至保温功率或关闭。操作人员可直接输入kW·h数值，或者输入炉料的kW·h /t数据，系统能根据重量自动计算kW·h计数值，输出从熔化到浇注温度所需的电能数值。
（2） 自动烧结炉衬 烧结模式用于操作人员烧结炉衬，设定温度曲线。烧结模式能自动控制VIP电源的开/关，利用烧结设定屏幕，可以输入温度曲线。
温度曲线一般有以下4个区域：
第一区域：起始加热。用 “温度上升速率1”作为℃/h，用“温度1”作为初始目标温度。此阶段应考虑到环境或起始炉温。仅在此起始加热阶段中计算时间（温度上升速率1/温度1=时间过程）。
第二区域：利用 “温度上升速率2”和 “时间2”来确定下一目标温度，温度上升速率×时间=下一目标温度。
第三区域：利用 “温度上升速率3”和 “时间3”来确定下一目标温度。
第四区域：利用 “温度上升速率4”和 “时间4”来确定下一目标温度。
并不是所有的区域都要用上的，下面是利用三个区域的烧结曲线（见图2）举例。①初始温度为650℃，（1200℉，目标温度1），其速率约为95℃/h（200℉ /h，温度上升速率1）。②将温度保持在650℃，时间2h。③以150℃/h（300℉/h，温度上升速率3）升温，时间4h（时间3），直到1300℃（2400℉）。总烧结时间为12h。
烧结过程要用一个连接到炉衬上的 “K型”热电偶，并将热电偶信号反馈到调节器上。此调节器的输出电压是0～5V，接入微处理器控制板。如果热电偶断裂或烧坏，其反馈就是热电偶的满量程或1360℃（2500℉）。这就可让微处理器控制板来确定热电偶是何时损坏的或烧坏的，并停止此烧结过程。
图2 利用三个区域的烧结曲线
2. 输入信号
输入信号有中频电源的运行参数；电炉的重量；烘炉的温度信号。
3. 输出信号
输出信号有监控和显示电源运行的参数；诊断和显示故障；接收与其他设备联动的控制信号；打印输出。
4. 几种对电炉主要的控制方式
（1）千瓦时（kW·h）功耗控制 kW·h熔炼模式用以确定什么时候已将要求的kW·h电能投入了熔炼中。当此电能值输送完成时，中频电源系统能自动将输出功率值降低至保温功率或关闭。操作人员可直接输入kW·h数值，或者输入炉料的kW·h /t数据，系统能根据重量自动计算kW·h计数值，输出从熔化到浇注温度所需的电能数值。
（2） 自动烧结炉衬 烧结模式用于操作人员烧结炉衬，设定温度曲线。烧结模式能自动控制VIP电源的开/关，利用烧结设定屏幕，可以输入温度曲线。
温度曲线一般有以下4个区域：
第一区域：起始加热。用 “温度上升速率1”作为℃/h，用“温度1”作为初始目标温度。此阶段应考虑到环境或起始炉温。仅在此起始加热阶段中计算时间（温度上升速率1/温度1=时间过程）。
第二区域：利用 “温度上升速率2”和 “时间2”来确定下一目标温度，温度上升速率×时间=下一目标温度。
第三区域：利用 “温度上升速率3”和 “时间3”来确定下一目标温度。
第四区域：利用 “温度上升速率4”和 “时间4”来确定下一目标温度。
并不是所有的区域都要用上的，下面是利用三个区域的烧结曲线（见图2）举例。①初始温度为650℃，（1200℉，目标温度1），其速率约为95℃/h（200℉ /h，温度上升速率1）。②将温度保持在650℃，时间2h。③以150℃/h（300℉/h，温度上升速率3）升温，时间4h（时间3），直到1300℃（2400℉）。总烧结时间为12h。
烧结过程要用一个连接到炉衬上的 “K型”热电偶，并将热电偶信号反馈到调节器上。此调节器的输出电压是0～5V，接入微处理器控制板。如果热电偶断裂或烧坏，其反馈就是热电偶的满量程或1360℃（2500℉）。这就可让微处理器控制板来确定热电偶是何时损坏的或烧坏的，并停止此烧结过程。
图2 利用三个区域的烧结曲线
（3） 自动冷炉启动模式 用来让操作人员在开始其熔炼周期前，就先将炉料和炉衬预热好。自动冷炉启动可按操作人员规定的时间自动开启VIP装置，并控制好中频电源功率值，使炉料慢慢被加热。
若输入了设定参数，且自动冷炉启动模式已启用，中频电源就会停顿，一直等到规定的启动时刻到来为止。当规定的时刻已到，此模式就会发出命令，以开启中频电源的水泵系统，将中频电源电路监视器报警复位（消除水系统的低水压报警），然后启动中频电源。而一旦启动，中频电源功率就会增加到操作员设定的水平上，并在设定的时间内运行。此时间到达后，中频电源装置就会自动关闭，声光报警就会启动，告知自动冷炉启动已完成。
（4）触发脉冲的控制 有些厂商把中频电源的脉冲控制与微处理器控制系统集成在一起，而有些则不集成在一起。
二、以平板式工业一体式电脑为代表的实时控制系统
其基本功能和形式与微处理器控制嵌入式实时控制系统一样，最大的不同是输出的显示屏幕由字符显示改为电脑图像显示（见图3）。
图3 以平板式工业一体式电脑为代表的实时控制系统示意
1. 硬件组成
（1）中频电源上需配置带有CPU、存储器、输入和输出接口的微处理器控制板。
（2）平板式工业一体式电脑的配置：CPU、存储器、视频显示卡、硬盘、USB接口、触摸式或非触摸式显示器，以及输入、输出接口等常规电脑配置，微处理器控制板需与一体式电脑进行数据通信。
2. 输入、输出信号
与微处理器实时控制系统的输入、输出内容相同。
以上两种感应熔化电炉实时控制系统的内容，侧重于中频电源和电炉本身设备的控制和管理，随着铸造行业控制技术的不断发展，感应熔化电炉实时控制系统还需对与电炉紧密相关的设备进行管理。作为一个现代化的铸造厂需要对工厂内的主要设备，如对配料加料系统、电炉及造型线等部分设备进行实时监控和管理，这也需要感应熔化电炉实时控制系统除了自身管理外，还要能向上一级电脑输送数据，使铸造工厂的电脑能够接收感应熔化电炉实时控制系统的数据。
基于这样的目的，感应熔化电炉实时控制系统需发展覆盖范围更广的控制系统，要求额外配置一个工业电脑，处理前述的中频电源和电炉本身设备的控制和管理，生成各种熔化炉次和各时间段的报表；外加添加料的计算管理；接收每炉次铁液成分的光谱分析数据，并记录在相应的报表中。同时留有通信端口，以备铸造厂管理电脑需要，从感应熔化电炉实时控制系统读取数据。
三、以外加工业电脑为代表的实时控制系统
以外加工业电脑为代表的实时控制系统如图4所示。
1. 硬件组成
（1）中频电源上需配置带CPU、存储器、输入和输出接口的微处理器控制板。
（2）工业电脑的配置有：CPU、存储器、视频显示卡、硬盘、DVD-ROM、键盘、鼠标、USB接口和显示器，以及多串口输入、输出接口卡等电脑配置，工业电脑需与微处理器控制板、称重设备和测温设备进行数据通信。
（3）一般还额外配置一个密闭的电脑控制柜，包含一些电脑与微处理器控制板、称重设备和测温设备的数据转接接口。
2. 输入信号
（1）中频电源的运行参数。
（2）电炉的重量。
（3）温度信号。包括：①烘炉的热电偶信号。②铁液瞬时接触式测温热电偶信号。③电炉冷却水测温热电偶信号。
（4）铁液成分光谱仪的信号。
3. 输出信号
输出信号主要有监控和显示电源运行的参数；诊断和显示故障；接收和其他设备联动的控制信号；打印输出。
4. 几种对电炉主要的控制方式
（1）千瓦时（kW·h）功耗控制。
（2）自动烘炉。相比微处理器实时控制系统的电炉烧结更直观，可以编糪-电炉烧结温度和时间曲线，并与实际的温度曲线进行对比。电炉烧结过程结束时，控制系统更新耐火材料统计资料，包括换衬日期等。
（3）自动冷炉启动。
（4）自动熔炼。其主屏幕如图5所示。
现在我们所讲的自动熔炼，不是真正的“自动熔炼”，诊-因是到目前为止还没有一种连续的接触式铁液测温装置，单从控制技术来讲已綷-达到了自动熔炼的能力。因此现在是把熔化过程分解成几个阶段，在每个阶段中设置好升温参数，根据重量和要求的温度模拟计算出需要消耗多少电能，到了设定温度后，给操作者发出提示信息，同时把电源功率降到保温功率，避免电炉内铁液超温。
在系统中需要输入的参数：装料警告温度设定点；到保温功率温度设定点；取样温度设定点；浇注温度设定点；电炉第一次装料最低重量；电炉满炉装料最低重量等。
向电炉装料到第一次装料最低重量后，随着功率加到熔炉，熔池中的温度将上升。如果温度超过炉料警告温度设定点，熔化管理系统会给操作人员一个提示警告，这个警告指出操作员应迅速将金属加到熔池，否则将达到下一个设定点。
熔化管理系统保持跟踪保温功率温度设定点，如果熔池温度升到该设定点之上，中频电源功率将被自动地降到保温功率，并将保持在该水平，直到已有足够的金属加入熔炉，使计算的熔池温度低于该设定点。当熔池温度下降到设定点之下时，中频电源将返回到全功率。每次熔炉操作员继续向熔炉添加炉料时，熔化管理系统将重复这一过程，直到熔池重量超过最低全重。
当熔池重量超过最低全重时，系统将忽略装料警告温度和保温功率温度的设定，以全功率运行，直至达到取样温度设定点。当熔池温度高于取样温度设定点时，控制系统再次将中频电源功率降低到保温功率水平来维持熔池温度。
在保温功率期间，操作员可对熔融的熔池进行各种操作，例如清除炉渣、测温、对试样进行化学分析，以及取得直接的铁液温度读数等。熔化管理系统将用测量得到的取样实际温度替代在屏幕上计算的熔池温度，温度信息将立即被传送到计算机，且计算机程序会根据取样温度来更新温度计算。如果试样是该炉次的第一个取样，当计算温度与实际取得的温度相差很大时，系统将自动调整并校正误差，因此从该温度点起熔池计算温度应比以前更为准确。
此时操作员可以给中频电源一个升温信号，系统将熔池温度提高到浇注温度设定点。当熔池温度达到浇注温度设定点时，系统将再次将中频电源降低到保温功率水平。然后熔炉操作员倒出所需的熔融金属液，即结束此炉次自动熔化的过程。
5. 各种统计报表
（1）计算炉料和元素添加剂 为熔炉操作员提供一个手段来计算炉料和元素添加剂的成本綷-济组合，以便满足一个炉次所需的合金成分。
（2）统计记录报告 操作员可以按天、炉次为顺序生成报告，主要有日炉次记录、冷却水温排放报告、详细炉次电气数据（见图7）和烧结报告等。
电器参数曲线报告
四、结语
现代感应熔化电炉实时控制系统，不但侧重于中频电源和电炉本身设备的控制和管理，还需要对与电炉紧密相关的设备进行管理，如对配料加料系统、电炉和造型线等部分设备进行实时监控和管理，以生成各种熔化炉次和各时间段的报表；外加添加料的计算管理；接收每炉次铁液成分的光谱分析数据，并记录在相应的报表中等。同时留有通信端口，以备铸造厂管理电脑的需要，从感应熔化电炉实时控制系统读取数据，使电脑能够实现整个铸造工厂的实时控制。(end)
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(11/18/2008) |
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