李 丹，魏宏濤

(廣州晶體科技有限公司, 廣州 510070)

一種燒結(jié)金剛石鋸片用鐘罩爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研制

李 丹，魏宏濤

(廣州晶體科技有限公司, 廣州 510070)

針對(duì)金剛石鋸片冷壓燒結(jié)工藝要求，分析了目前普遍使用的用于金剛石鋸片冷壓燒結(jié)的簡(jiǎn)易鐘罩爐存在的缺陷，并提出了改進(jìn)措施，采用西門(mén)子1200 PLC實(shí)施了對(duì)新型用于金剛石鋸片冷壓燒結(jié)的鐘罩爐的計(jì)算機(jī)精確控制，控制算法采用了模糊控制和PID控制多種算法的組合。改進(jìn)后的鐘罩爐可實(shí)現(xiàn)金剛石鋸片冷壓燒結(jié)過(guò)程的全計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，溫度和氣氛?qǐng)隹刂凭鶆?，生產(chǎn)效率高，為冷壓金剛石鋸片的質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高提供了硬件保證。

金剛石鋸片；鐘罩爐；計(jì)算機(jī)控制燒結(jié);PLC

1 前言

金剛石鋸片現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于石材、玻璃、陶瓷、晶體、寶石、鑄鐵等材料的加工以及房屋、道路、橋梁等工程施工中,隨著金剛石鋸片制作技術(shù)的不斷進(jìn)步及成本持續(xù)降低，它的應(yīng)用領(lǐng)域還在擴(kuò)大，需求量繼續(xù)增加,目前它已成為金剛石工具的重要組成部分，是消耗金剛石最多的金剛石工具[1]。

金剛石鋸片的生產(chǎn)方法主要采用壓制燒結(jié)方法，而壓制燒結(jié)方法中冷壓燒結(jié)又是主要的。

冷壓燒結(jié)方法的工藝流程如下：

鋸片刀頭配料+(清洗后基體)——冷壓成型——燒爐——篩檢——鉸孔——拋光——噴漆——開(kāi)刃——質(zhì)檢——包裝——入庫(kù)

其中燒結(jié)是鋸片制造過(guò)程中最重要的工序之一，對(duì)鋸片的最終性能起著決定性的影響。

2 金剛石鋸片燒結(jié)過(guò)程對(duì)鐘罩爐控制系統(tǒng)的工藝要求

金剛石鋸片工業(yè)生產(chǎn)最常見(jiàn)的燒結(jié)設(shè)備為鐘罩爐，其外由3～5mm厚的鐵板圍成罩殼，里面砌上耐火磚，內(nèi)嵌電阻絲作熱源。鐘罩爐的設(shè)計(jì)溫度通常為850℃～1000℃[2]。

由于鋸片是用金屬材料制成的，在冷壓鋸片燒結(jié)過(guò)程中必須隔絕空氣，防止金屬被氧化，這一般采用通入氮?dú)?氫氣的混合保護(hù)性氣體的方法，為了防止氧氣混入造成氣體爆炸，氫氣的含量需控制在爆炸范圍以外。

合理的金剛石鋸片燒結(jié)曲線如圖1所示，分升溫、保溫和冷卻三大部分，這是由于液相燒結(jié)的特性決定的。

根據(jù)工藝要求，理想的燒結(jié)金剛石鋸片用鐘罩爐應(yīng)具備以下功能：

(1)應(yīng)具備溫度程控功能，鐘罩爐的升溫、保溫和降溫能按設(shè)定程序自動(dòng)控制；

(2)鐘罩爐內(nèi)溫度場(chǎng)應(yīng)均勻，各點(diǎn)溫度偏差應(yīng)控制在±5℃范圍內(nèi)，以確保鋸片在各點(diǎn)燒結(jié)條件一致，使同爐擺放在不同位置燒結(jié)出的鋸片品質(zhì)相同；

圖1 鐘罩爐鋸片燒結(jié)工藝曲線Fig.1 the process curve of saw blade sintering by bell-type furnace

(3)應(yīng)設(shè)計(jì)氣體成分和流量控制系統(tǒng)，確保鋸片在燒結(jié)過(guò)程中鋸片內(nèi)金屬不被氧化，同時(shí)氫氣與氮?dú)獾谋壤谡麄€(gè)燒結(jié)過(guò)程中嚴(yán)格控制在設(shè)定值內(nèi)，防止保護(hù)性氣體燃燒產(chǎn)生爆炸，氣體成分偏差不超過(guò)1%；

(4)應(yīng)具有鋸片冷卻過(guò)程冷卻氣體循環(huán)控制系統(tǒng)，以縮短鋸片的冷卻時(shí)間，提高設(shè)備的效率；

(5)應(yīng)具備安全報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障能及時(shí)報(bào)警并自動(dòng)實(shí)施處理故障的安全措施。

3 目前金剛石鋸片燒結(jié)用鐘罩爐存在的缺陷

因金剛石鋸片這個(gè)行業(yè)屬新型行業(yè)，發(fā)展時(shí)間還不長(zhǎng)，相應(yīng)的配套設(shè)備的研發(fā)尚存在一定的不足，鐘罩爐相對(duì)比較簡(jiǎn)單，勞動(dòng)生產(chǎn)率還不高，歸納下來(lái)主要有下列幾點(diǎn)：

(1)密封方面采用不銹鋼內(nèi)罩沙封方式，裝爐出爐均依賴人工，勞動(dòng)效率低；

(2)冷卻過(guò)程靠出爐后鋸片密閉在罩內(nèi)自然冷卻，冷卻時(shí)間長(zhǎng)并且冷卻熱量散發(fā)在車(chē)間中惡化了工作環(huán)境，尤其在夏天給車(chē)間的防暑降溫增加了負(fù)荷；

(3)溫度控制采用簡(jiǎn)單的儀表單點(diǎn)控溫，溫度場(chǎng)不均勻，實(shí)現(xiàn)不了爐內(nèi)各點(diǎn)溫度偏差≤±5℃的工藝要求，不能保證爐內(nèi)不同位置擺放的鋸片燒結(jié)溫度的一致性；對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量一致性影響較大；

(4)保護(hù)性氣體供氣系統(tǒng)未設(shè)計(jì)氫氣和氮?dú)獾牧髁亢突旌蠚怏w成分控制，只裝設(shè)了簡(jiǎn)單的手動(dòng)閥門(mén)控制，不能按工藝需求實(shí)現(xiàn)保護(hù)性氣體的流量和成分的實(shí)時(shí)控制，不能實(shí)現(xiàn)保護(hù)氣氛的最優(yōu)控制，燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程脫離不了人工操作，實(shí)現(xiàn)不了鋸片燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，保護(hù)氣體消耗高，因缺乏爐膛氣體成分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，生產(chǎn)過(guò)程存在安全隱患；

(5)未設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制水平不高。

4 新型金剛石鋸片燒結(jié)用鐘罩爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鑒于目前國(guó)內(nèi)金剛石冷壓燒結(jié)用鐘罩爐存在的上述缺陷，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套全新的計(jì)算機(jī)控制的金剛石冷壓燒結(jié)用鐘罩爐，對(duì)現(xiàn)有金剛石冷壓燒結(jié)用鐘罩爐進(jìn)行了改進(jìn)，鐘罩爐燒結(jié)區(qū)分上中下三區(qū)設(shè)置加熱回路，在每個(gè)加熱區(qū)放置一根測(cè)溫?zé)犭娕紮z測(cè)溫度；配置氣氛控制系統(tǒng)，氮?dú)夂蜌錃饬髁坎捎觅|(zhì)量流量控制器檢測(cè)并通過(guò)PLC對(duì)氣氛根據(jù)設(shè)定值實(shí)施精確控制，同時(shí)通過(guò)氣氛分析儀對(duì)氣體成分進(jìn)行在線檢測(cè)，與流量控制器構(gòu)成閉環(huán)控制，確保鐘罩爐保護(hù)性氣體成分始終控制在設(shè)定值：配置冷卻過(guò)程冷卻氣體循環(huán)控制系統(tǒng)，加裝一臺(tái)水冷式管殼式換熱器，通過(guò)風(fēng)機(jī)將保護(hù)性氣體引到換熱器降溫后再循環(huán)回到爐內(nèi)，通過(guò)變頻控制循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可控制循環(huán)氣體流量從而達(dá)到根據(jù)工藝設(shè)定的降溫曲線由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制冷卻速度的目的。

新型金剛石鋸片燒結(jié)用鐘罩爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖2，上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，下位機(jī)采用西門(mén)子1200PLC，上下位機(jī)之間通過(guò)MPI網(wǎng)絡(luò)通訊線連接。爐膛溫度、爐膛壓力和氫氣及氮?dú)饬髁考盎旌蠚怏w成分通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的4～20mA電信號(hào)送入PLC模擬量輸入模塊。燒結(jié)臺(tái)車(chē)和循環(huán)冷卻風(fēng)機(jī)等控制信號(hào)直接送入PLC開(kāi)關(guān)量輸入模塊。PLC模擬量輸出模塊輸出4～20mA信號(hào)分別控制三個(gè)溫區(qū)對(duì)應(yīng)的可控硅功率控制模塊，爐膛氣體壓力調(diào)節(jié)閥，氮?dú)饬髁空{(diào)節(jié)閥，氫氣流量調(diào)節(jié)閥，驅(qū)動(dòng)冷卻循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)的變頻器等對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。PLC數(shù)字量輸出模塊直接輸出開(kāi)關(guān)量控制燒結(jié)臺(tái)車(chē)升降電機(jī)的運(yùn)行和冷卻循環(huán)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。全套控制軟件采用西門(mén)子T1A博途軟件開(kāi)發(fā)。上位機(jī)設(shè)計(jì)有友好的人機(jī)對(duì)話界面、數(shù)據(jù)記錄、趨勢(shì)圖、報(bào)警及用戶管理。

圖2 新型金剛石鋸片燒結(jié)用鐘罩爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.2 The computer control system block diagram of the new type bell-type furnace for diamond saw blade sintering

5 爐膛溫度的計(jì)算機(jī)控制

爐膛溫度計(jì)算機(jī)控制框圖見(jiàn)圖3，溫度程控曲線由操作者在上位機(jī)上設(shè)定，采用數(shù)據(jù)通訊方法下載到下位機(jī)PLC，爐膛各區(qū)溫度用K分度熱電偶檢測(cè)，通過(guò)變送器轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的4～20mA信號(hào)輸入PLC，PLC根據(jù)輸入的設(shè)定溫度與下位機(jī)反饋的實(shí)測(cè)溫度的偏差值進(jìn)行可控硅輸出功率的調(diào)整，控制算法采用模糊控制算法以適應(yīng)溫度控制這種大滯后系統(tǒng)的控制要求。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行調(diào)試，熱電偶檢測(cè)的爐膛溫度與設(shè)定的溫度值的偏差，控制精度可以達(dá)到≤1℃。

爐膛降溫過(guò)程，在高溫段還需要補(bǔ)充加熱功率時(shí)，沿用圖3的溫度控制框圖，當(dāng)轉(zhuǎn)入到全靠循環(huán)風(fēng)冷的冷卻階段后，切換到圖4所示循環(huán)氣體冷卻控制。

圖3 爐腔溫度計(jì)算機(jī)控制框圖Fig.3 The block diagram of the computer control of furnace chamber temperature

圖4 爐膛溫度循環(huán)風(fēng)冷卻過(guò)程計(jì)算機(jī)控制框圖Fig.4 The block diagram of the computer control of furnace chamber temperature circulating air cooling process

通過(guò)控制循環(huán)冷卻風(fēng)量來(lái)使?fàn)t膛溫度的實(shí)際值與設(shè)定值之間的偏差控制在≤1℃的范圍內(nèi)。

6 爐膛氣氛的計(jì)算機(jī)控制

為了保護(hù)鋸片在燒結(jié)過(guò)程中不被氧化，鋸片在鐘罩爐內(nèi)燒結(jié)過(guò)程中必須通入保護(hù)性氣體，采取的措施是通入氫氣和氮?dú)饣旌系谋Ｗo(hù)性氣體，由于氫氣是可燃性氣體，其爆炸極限為4.0%～75.6%(體積濃度)，因此設(shè)計(jì)了精確的保護(hù)性氣體氫氣濃度控制系統(tǒng)，其控制框圖見(jiàn)圖5。

圖5 鐘罩爐保護(hù)性氣體比值控制框圖Fig.5 The block diagram of the protective gas ratio control

氣氛控制曲線設(shè)定值由操作者在上位機(jī)設(shè)定，氫氣和氮?dú)獾膶?shí)際流量由高精度的質(zhì)量流量控制器測(cè)定和控制，控制算法采用數(shù)字PID控制算法，測(cè)定的氫氣和氮?dú)饬髁颗c輸入的設(shè)定值進(jìn)行比較，偏差值送入PLC控制對(duì)應(yīng)的氫氣和氮?dú)赓|(zhì)量流量控制器的調(diào)節(jié)閥，將實(shí)際流量控制在設(shè)定值。實(shí)際檢測(cè)這套控制系統(tǒng)的氫氣和氮?dú)饬髁康膶?shí)際值與設(shè)定值之間的偏差可以控制在≤0.5%設(shè)定值的范圍以內(nèi)。氫氣和氮?dú)獾谋戎蹈鶕?jù)設(shè)定的氫氣百分比，由上位機(jī)計(jì)算出對(duì)應(yīng)氫氣流量的氮?dú)饬髁孔鳛榈獨(dú)饬髁康脑O(shè)定值。在上位機(jī)設(shè)置了安全報(bào)警和緊急處理程序。當(dāng)氫氣濃度接近爆炸極限時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警。當(dāng)氫氣濃度距離氫氣爆炸極限1%濃度的范圍之內(nèi)，自動(dòng)切斷氫氣以保證設(shè)備和操作人員的安全。

7 鐘罩爐爐腔壓力的計(jì)算機(jī)控制

鐘罩爐爐腔壓力控制在微正壓，以避免外部空氣的滲入，造成鋸片的氧化。鐘罩爐爐膛壓力控制框圖見(jiàn)圖6。

圖6 鐘罩爐爐膛壓力控制框圖Fig.6 The block diagram of furnace pressure control

爐膛壓力控制曲線由操作者從上位機(jī)上輸入，爐膛氣體壓力由壓力變送器檢測(cè)送入PLC，爐膛壓力控制由爐膛氣體排空調(diào)節(jié)閥控制，控制算法采用數(shù)字PID控制算法，具體PID值可在上位機(jī)上設(shè)定。實(shí)測(cè)的氣體壓力控制精度可以達(dá)到設(shè)定值的±1%。

8 新型金剛石鋸片燒結(jié)用鐘罩爐達(dá)到的效果

采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)金剛石鋸片燒結(jié)用鐘罩爐進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了鋸片燒結(jié)全過(guò)程的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制，整個(gè)燒結(jié)過(guò)程由西門(mén)子1200PLC根據(jù)操作者從上位機(jī)輸入的溫度、壓力、和氣氛程控曲線自動(dòng)完成。采用三區(qū)溫度控制方法，用測(cè)溫環(huán)實(shí)際測(cè)定的整個(gè)爐膛內(nèi)的各點(diǎn)溫度偏差值可以達(dá)到±3℃，爐膛氣體壓力偏差值小于設(shè)定值的0.5%，氣氛氫氣濃度偏差小于設(shè)定值的1%，鋸片的裝爐和卸爐全部采用機(jī)械化，并對(duì)氫氣防爆設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)控制的安全保護(hù)系統(tǒng)。與目前金剛石鋸片行業(yè)使用的傳統(tǒng)鋸片燒結(jié)用鐘罩爐相比，極大地提高了自動(dòng)化程度，降低了傳統(tǒng)金剛石鋸片燒結(jié)的人工成本，顯著縮短了鋸片的燒結(jié)時(shí)間，大幅度提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率，并且由于鐘罩爐溫度場(chǎng)一致性的顯著改善。全面提升了金剛石鋸片的燒結(jié)質(zhì)量和一致性。

[1] 段隆臣,潘秉鎖,方小紅.金剛石工具的設(shè)計(jì)與制造[M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社有限責(zé)任公司,2013：106．

[2] 段隆臣,潘秉鎖,方小紅.金剛石工具的設(shè)計(jì)與制造[M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社有限責(zé)任公司,2013：195．

Development of Computer Control System of Bell-Type Furnace for Diamond Saw Blade Sintering

LI Dan, WEI Hong-tao

(GuangzhouCrystalTechnologyCo.,Ltd.,Guangzhou510070,China)

In view of the requirement of cold-press sintering process of diamond saw blade, the existing defects of the currently widely used simple bell-type furnace for diamond saw blade cold-press sintering have been analyzed and the improvement measures been proposed. Accurate computer control of the new type of bell-type furnace for diamond saw blade cold-press sintering has been implemented by Siemens 1200 PLC. Control algorithm combines multiple algorithmics such as fuzzy control and PID control. Full automatic computer control of the diamond saw blade cold-press sintering process can be achieved by the improved bell-type furnace. The temperature and atmosphere field of the furnace are controlled uniformly with high production efficiency, which provides hardware assurance for the quality of cold-press diamond saw blade and improvement of the labor productivity.

diamond saw blade; bell-type furnace; computer-controlled sintering; PLC

2017-03-24

李丹(1966-),女，本科，1987年畢業(yè)于中南大學(xué)，廣州晶體科技有限公司從事研發(fā)和管理工作，主要研究方向?yàn)榻饎偸盗泄ぞ咧圃?。先后承?dān)、參與并完成多項(xiàng)科技計(jì)劃項(xiàng)目。E-mail:dandanli66@126.com

李 丹，魏宏濤.一種燒結(jié)金剛石鋸片用鐘罩爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研制[J].超硬材料工程，2017，29(3)：31-35.

TQ164

A

1673-1433(2017)03-0031-05