I. Tło projektu i specyfikacje sprzętu

Niniejsze studium przypadku dotyczy w pełni automatycznego, inteligentnego pieca do azotowania jonowego, model WDL-IV-30A, o pionowej konstrukcji z pojedynczą dzwonnicą i pojedynczą stacją. Urządzenie jest zdolne do azotowania jonowego i miękkiego azotowania jonowego stopów tytanu, stali stopowych, stali narzędziowych i stali nierdzewnych.

Efektywna strefa robocza korpusu pieca ma średnicę 300 mm i wysokość 400 mm, z maksymalną ładownością 100 kg. Zakres temperatur pracy wynosi od 500 do 600°C, z maksymalną temperaturą pracy 650°C. Ostateczny stopień próżni nie przekracza 6,7 Pa, wskaźnik wzrostu ciśnienia nie przekracza 5 Pa/h, a czas potrzebny do uzyskania ostatecznej próżni od ciśnienia atmosferycznego nie przekracza 30 minut. Wzrost temperatury powierzchni obudowy pieca nie przekracza 55°C.

W oznaczeniu modelu IV oznacza czwartą generację cyfrowego systemu sterowania, 30 oznacza maksymalny średni prąd impulsowego zasilacza o wartości 30 amperów, a A oznacza w pełni automatyczny typ inteligentny.

II. Ograniczenia fizyczne procesu azotowania jonowego

Azotowanie jonowe odbywa się w środowisku wyładowania gazowego pod niskim ciśnieniem, a jego charakterystyka napięciowo-prądowa jest nieliniowa. Azotowanie jonowe materiałów metalowych zazwyczaj odbywa się w segmencie "wyładowania nieprawidłowego" charakterystyki napięciowo-prądowej, a górny punkt G tego segmentu jest niebezpiecznym punktem przegięcia. Wyładowanie gazowe, jako źródło zasilania, stanowi obciążenie o charakterystyce ujemnej rezystancji. Przedmiot obrabiany, działający jako katoda, ma kształt powierzchni i otoczenie (układ przedmiotów obrabianych), które wpływają na gęstość prądu powierzchniowego.

Te cechy fizyczne determinują, że zasilacz jonowy musi pokonać trzy trudności techniczne. Pierwsza to wyładowanie łukowe: gdy powierzchnia przedmiotu obrabianego nie jest czysta, łatwo może tworzyć się nieprzewodząca warstwa oleju. Gdy ładunek zgromadzi się na powierzchni do pewnego stopnia, następuje jego przebicie i chwilowe wyładowanie o wysokim prądzie, generujące iskry o wysokiej energii. Jeśli nie zostanie szybko przerwane, spowoduje to awarię zasilania i uszkodzenie przedmiotu obrabianego. Druga to efekt katody pustej: gdy przedmioty obrabiane mają otwory lub szczeliny, przestrzenie między przedmiotami obrabianymi lub nierówne zgięcia, przy pewnych ciśnieniach gazu występuje krytyczny stan nakładania się wyładowania jarzeniowego. Objawia się to nierównomierną jasnością wyładowania jarzeniowego na powierzchni przedmiotu obrabianego, co odpowiada nierównomiernej gęstości prądu powierzchniowego, powodując nierównomierny rozkład temperatury. Trzecia to zależność sprzężenia między gęstością prądu a ciśnieniem gazu: ciśnienie gazu wpływa na grubość jarzenia, co z kolei wpływa na gęstość prądu – wyższe ciśnienie powoduje cieńsze jarzenie, korzystne dla równomierności temperatury; jednak gdy ciśnienie jest wystarczająco wysokie, aby równomiernie pokryć wszystkie powierzchnie rowków i otworów, prąd znacznie przekroczy moc wymaganą do izolacji przedmiotu obrabianego.

III. Logika reakcji technicznej impulsowego zasilacza

Impulsowy zasilacz skonfigurowany dla tego urządzenia ma częstotliwość wyjściową 20 000 Hz, przebieg prostokątny, napięcie wyjściowe płynnie regulowane od 0 do 900 V bez nagłych skoków powyżej 200 V, współczynnik wypełnienia płynnie regulowany w zakresie od 10% do 85%, maksymalny średni prąd impulsowy 30 A i czas gaszenia łuku nie dłuższy niż 2 μs.

Współczynnik wypełnienia definiuje się jako stosunek czasu włączenia do okresu impulsu. Średnia moc grzewcza równa się napięciu szczytowemu pomnożonemu przez prąd, a następnie pomnożonemu przez współczynnik wypełnienia. Wprowadzenie regulowanego współczynnika wypełnienia w impulsowym zasilaczu skutecznie rozwiązuje sprzeczność między średnią mocą grzewczą a warunkami progowymi wymaganymi do przetwarzania przedmiotu obrabianego – istotą tej sprzeczności jest to, że aby zapewnić gęstość prądu wymaganą do równomiernego pokrycia jarzeniem, moc grzewcza może przekroczyć moc wymaganą do utrzymania temperatury przedmiotu obrabianego, a regulacja współczynnika wypełnienia pozwala na rozłączenie tych dwóch wartości.

Szybkie gaszenie łuku osiąga się poprzez wykorzystanie zasady indukcji elektromagnetycznej w obwodzie wyładowania do szybkiego wykrywania sygnału łukowego (z niemal zerowym opóźnieniem), a następnie natychmiastowe sterowanie szybkim przełącznikiem elektronicznym głównego obwodu prądowego za pomocą szybkich cyfrowych urządzeń logicznych, gasząc łuk w ciągu 2 μs.

Zastosowanie impulsowego zasilacza daje również kilka efektów procesowych: bezwzględny czas wyłączenia impulsu jest stosunkowo krótki, a po wyłączeniu zasilania stężenie naładowanych cząstek nie spada natychmiast do zera, ale maleje powoli. Zanim znacznie spadnie, pojawia się kolejny impuls, co skutkuje wyższym średnim stężeniem elektronów i zwiększoną szybkością jonizacji; efekt katody pustej jest skutecznie tłumiony; a ponieważ impulsowy zasilacz poszerza zakres regulacji parametrów procesu azotowania, z każdym niezależnie regulowanym parametrem, może poprawić równomierność pokrycia jarzeniem na przedmiotach obrabianych o złożonych kształtach powierzchni, tym samym poprawiając jakość warstwy infiltracyjnej i gładkość powierzchni.

IV. Trójparametrowy system sterowania z pętlą zamkniętą

System sterowania wykorzystuje programowalny sterownik logiczny i ekran dotykowy jako główne centrum sterowania. Sterownik PLC to jednostka serii FX3G o pojemności pamięci programu 32 tys. kroków, podstawowej prędkości przetwarzania instrukcji 0,21 μs i dwóch interfejsach komunikacyjnych o wysokiej prędkości (RS422 i USB). Ekran dotykowy to 12-calowy wyświetlacz TFT LCD o rozdzielczości 1920×1080, rezystancyjny dotyk czteroprzewodowy, częstotliwość główna 1 GHz i preinstalowane oprogramowanie konfiguracyjne McgsPro.

System przyjmuje w pełni cyfrową architekturę wielozadaniowego scentralizowanego zarządzania i rozproszonego sterowania, zdolną do jednoczesnego osiągania sterowania z pętlą zamkniętą trzech kluczowych parametrów w azotowaniu jonowym: dokładność sterowania temperaturą ±1°C, dokładność sterowania ciśnieniem ±1 Pa i dokładność sterowania przepływem ±0,5%.

Sterowanie temperaturą wykorzystuje japońskie cyfrowe kontrolery serii Shimaden SRS13 z regulacją PID, tworząc system regulacji temperatury z pętlą zamkniętą z obwodem sterowania temperaturą i termoparą. Sterowanie ciśnieniem również wykorzystuje japońskie cyfrowe kontrolery serii Shimaden SRS13, tworząc system sterowania ciśnieniem z pętlą zamkniętą z falownikiem i czujnikiem ciśnienia. Sterowanie przepływem jest skonfigurowane z jednym dedykowanym przepływomierzem masowym do sterowania przepływem gazu.

Ścieżka realizacji pętli zamkniętej sterowania ciśnieniem jest następująca: przetwornik ciśnienia mierzy ciśnienie w piecu i wysyła standardowy sygnał prądowy do kontrolera cyfrowego. Kontroler wykonuje obliczenia PID na podstawie ustawionej wartości ciśnienia i wartości próbkowanych w czasie rzeczywistym, a następnie wysyła standardowy sygnał prądowy do falownika. Poprzez regulację prędkości silnika pompy próżniowej, prędkość pompowania jest regulowana, tym samym utrzymując stałe ciśnienie w piecu na ustawionej wartości procesowej. Ta metoda sterowania osiąga precyzję ±1 Pa, podczas gdy połączone użycie pompy próżniowej i falownika znacznie zmniejsza zużycie mechaniczne korpusu pompy podczas rozruchu, a długoterminowa praca przy niskiej prędkości może znacznie przedłużyć żywotność.

Sterowanie przepływem wykorzystuje japońskie przepływomierze masowe serii HORIBA S500, z czasem reakcji krótszym niż 0,3 ±2% sekundy od stanu całkowicie zamkniętego do osiągnięcia punktu nastawy podczas rozpoczynania sterowania i podczas zmiany punktu nastawy w trakcie sterowania. Zakres sterowania obejmuje od 1 do 100% pełnej skali, pracując z pojedynczego uniwersalnego zasilacza DC24V, z wewnętrznym obwodem zasilania izolowanym od obwodów wejściowych i wyjściowych.

V. Cechy konstrukcyjne systemu korpusu pieca

Korpus pieca przyjmuje pionową konstrukcję dzwonnicową, składającą się z dwóch części: dzwonu i podstawy. Cylinder dzwonu przyjmuje dwuścienną konstrukcję chłodzoną wodą i wielokanałowy system chłodzenia wodą, aby zapewnić równomierność temperatury pieca. Sześć warstw osłon termicznych ze stali nierdzewnej 310S jest zainstalowanych wewnątrz cylindra, a dwie warstwy osłon termicznych ze stali nierdzewnej są zainstalowane w górnej części podstawy pieca, umożliwiając długotrwałą pracę w wysokiej temperaturze i znaczące oszczędności energii. Warstwa izolacyjnej bawełny alumokrzemianowej o grubości 20 mm jest dodana wewnątrz warstwy izolacyjnej w pobliżu ściany pieca.

Płyta katodowa jest podparta na podstawie pieca przez trzy zestawy wysokiej jakości odlewanego miki, z regulowaną wysokością. Płyta katodowa wykonana jest z blachy ze stali nierdzewnej 310S o grubości nie mniejszej niż 30 mm; rama mocująca tacy materiałowej, która styka się z przedmiotem obrabianym, jest również wykonana ze stali nierdzewnej 310S. Urządzenie przyłączeniowe katody jest zaprojektowane jako połączenie sztywne, aby uniknąć problemów z przegrzewaniem spowodowanych luźnymi szybkozłączkami.

Dwie termopary są wprowadzane od płyty dna pieca i umieszczone w środku płyty katodowej, aby symulować głowicę pomiarową temperatury. Jedna służy do sterowania temperaturą przez impulsowy zasilacz grzewczy jonowy, a druga jest podłączona do przyrządu alarmowego do wielokierunkowego monitorowania temperatury. Środek podstawy posiada port odsysania próżni i wlot katody, połączone kołnierzami, grubościenną rurą ze stali nierdzewnej i miechami ze stali nierdzewnej, z uszczelnieniem zapewnionym przez pierścienie uszczelniające z gumy fluorowej odpornej na wysokie temperatury.

VI. Systemy próżniowe i gazowe

System próżniowy służy do wstępnego odsysania korpusu pieca oraz do wymiany atmosfery i usuwania gazów spalinowych podczas procesu azotowania. System jest wyposażony w jedną pompę łopatkową obrotową 2X15 jako jednostkę próżniową. Zespół pompy obejmuje jedną pompę próżniową elektromagnetyczną z zaworem nadmuchowym i jeden zawór motylkowy wysokiej próżni. Pompa łopatkowa obrotowa to jednostka serii Guangdong Xunda 2X, odporna na korozję gazami procesowymi, sterowana falownikiem i wyposażona w zawór motylkowy wysokiej próżni GI-50 jako główny zawór sterujący.

Pomiar próżni wykorzystuje absolutny przetwornik ciśnienia pojemnościowego typu ZJ-1C. Ten próżniomierz nie jest zależny od rodzaju i składu mierzonego medium, zapewniając dokładny i niezawodny pomiar, z wartością mierzoną wyświetlaną przez cyfrowy przyrząd wskazujący i uczestniczącą w sterowaniu ciśnieniem w piecu.

System dystrybucji gazu służy do sterowania wprowadzaniem gazu procesowego do pieca, składający się ze źródła gazu, przepływomierza i odpowiednich rurociągów. Gazy procesowe (takie jak amoniak) są dostarczane przez użytkownika, przechodzą przez przepływomierz masowy, a następnie są wprowadzane do korpusu pieca przez dedykowany zbiornik mieszający zgodnie z formułą procesową. Rurociągi gazowe wykonane są ze stali nierdzewnej, z każdą linią gazową wyposażoną w reduktor ciśnienia, ręczny zawór odcinający, filtr, manometr i zawór elektromagnetyczny.

VII. System chłodzenia wodą

System chłodzenia wodą przyjmuje metodę chłodzenia cyrkulacyjnego, ze źródłem wody dostarczanym przez chłodnię i pompę wodną (odpowiedzialność kupującego). Wymagania dotyczące wody chłodzącej: temperatura wody na wlocie nie przekracza 31°C, ciśnienie wody na wlocie od 0,15 do 0,25 MPa, a całkowity przepływ 20 m³/h. Każda gałąź wody chłodzącej jest wyposażona w oddzielne zawory wlotowe i wylotowe do indywidualnej regulacji przepływu. Wszystkie rury wody chłodzącej, zawory i złączki przymocowane do urządzenia są wykonane ze stali nierdzewnej.

Na głównym rurociągu wlotowym zainstalowany jest manometr kontaktowy elektryczny do alarmowania w przypadku nienormalnego ciśnienia na wlocie, a system sterowania podejmie odpowiednie działania ochronne. Na głównym rurociągu wlotowym zainstalowany jest zapasowy zawór wlotowy wody, podłączony do rury wodociągowej użytkownika – w przypadku nieoczekiwanej awarii zasilania lub braku wody, korpus pieca może być chłodzony wodą z kranu.

VIII. Logika blokad bezpieczeństwa i alarmów

System posiada funkcje alarmowe dla przegrzania, nadciśnienia, uszkodzenia termopary, niedoboru wody i utraty fazy, z alarmami dźwiękowymi i wizualnymi oraz alarmami interfejsu sterowania, podejmując odpowiednie działania ochronne, takie jak zakaz włączania zasilania, zakaz ogrzewania, przerywanie lub wznawianie ogrzewania w zależności od konkretnych problemów.

System sterowania może realizować autodiagnostykę usterek sprzętu, podpowiadając użytkownikom, aby sprawdzili i naprawili odpowiednie punkty usterek. W przypadku wystąpienia usterki, system automatycznie zamyka wszystkie zawory. System próżniowy posiada funkcje sekwencyjnego uruchamiania i zatrzymywania, wyposażony w kompletny mechanizm blokowania i wzajemnego blokowania, ze wszystkimi zaworami typu "power-off shut-off" (zamknięcie po utracie zasilania).