热处理数字化

1、热处理生产线的数字化设计与实现徐新乐，苏震，施建华，王克伟，孙林，孙波（中国兵器工业新技术推广研究所 北京 ）摘要：为了解决热处理生产线数字化水平低、生产过程数据信息化少等问题，在分析热处理生产线控制系统现状的基础上，研究利用数字化技术对热处理生产线的运行状态进行自动监控，提出了热处理生产线数字化应用架构，给出了生产线数据采集站的分布及其信息采集方法，分析了生产线数字化系统的组成及其主要功能，特别是报表系统记录了几乎所有热处理工序工艺参数、工艺过程的数字化信息，非常有利于产品质量追溯，为热处理生产线参数优化、精细生产提供了一种新思路。关键词：热处理；生产线；数字化；信息；质量追溯Digital

2、 design and realization of the heat treatment production lineXu Xinle, Su Zhen, Shi Jianhua, Wang Kewei, Sun Lin, Sun Bo(Advanced Technology Generalization Institute of China North Industries Group,Beijing , China)Abstract: Aiming at the problems of low digital level of the heat treatment production

3、 line and few information of procedure of production data, the operation state of heat treatment production line were automatic monitored by using digital technology. The digital applied architecture of the heat treatment production line was raised and the distribution of production line data collec

4、tion station and their information collection methods were given. The production line digital system composition and its major function were analyzed, report forms system were especially recorded almost digital information of process parameters and procedure, which were extremely good for production

5、 quality retrospection and achieved the purpose of parameter optimization and meticulous production. Key word: heat treatment; production line; digital; information; quality retrospection1 引言热处理作为一项共性技术，在保证和提高机械零件的各项性能指标与使用寿命、充分发挥材料潜力等方面起着极其重要的作用。在将来的先进制造技术中，热处理要想取得一席之地，不成为中国制造2025的瓶颈，不仅需要对企业原有热处理的设

6、备和工艺规范进行更新换代，而且要大力研发各种新型热处理技术及设备，同时更需要推进热处理的智能化，从“智能可控气氛热处理设备”、“智能真空热处理设备”、“智能感应热处理设备”、“智能等离子表面改性设备”、“智能大型工业加热炉”等个方向进行工程化研究开发。在智能制造时代，热处理的智能化如何体现。高性能化智能制造依赖于数字化技术体系，包括产品表达数字化、制造工艺数字化、制造装备数字化、制造系统数字化。高性能化智能制造强调控形控性一体化，并在数字化环境下实现整个制造过程各个环节的并行处理2。底 建永等开展了扭力轴退火热处理生产线的设计研究3，生产线包括准备工位、气动平衡吊（上料）工位、井式燃气退火炉、

7、缓冷工位、气动平衡吊（卸料）、卸料工位、收料台架、生产工装及电气自动化控制系统。生产线运行平稳，安全可靠，各项技术指标均达到技术要求。刘玲玲等针对曲轴等长轴类零件的正火和回火处理，研究开发了基于悬挂链式曲轴热处理生产线4。整条生产线由PLC控制，工控机组态界面进行监控和管理。监控系统能实现工艺设定编程、生产线实时状态监控、在线控制、在线记录、生产数据管理、设备故障的实时报警和历史故障记录、温度曲线的实时显示和历史记录、历史曲线追溯查询功能等。孙钦贺等5将计算机控制技术用于托辊网带式可控气氛热处理生产线的温控、电控以及气氛控制，实现了各温控区（淬火、回火、油槽）加热温度、加热时间以及炉内碳势实时

8、与历史记录的监察、设定、存储等功能，可实现历史数据记录，便于查询、追溯，消除了人为因素带来的不利影响。本文将数字化技术用于一条热处理生产线的自动控制，不仅较好的实现了热处理生产线的数字化控制，而且实现了热处理生产线工艺参数的数字化与信息化，较好的诠释了智能热处理的内涵。2热处理生产线数字化系统的设计2.1热处理生产线数字化应用架构热处理生产线数字化应用架构如图1所示，借助该生产线数字化应用平台，可以实现制造企业内部多种机构的多元共治，如工艺设计部门、生产调度部门、能源监管部门、性能测试部门等。图1中虚线表示企业还没有完全实现的功能。生产线数字化系统目前支持生产线状态在线检测、能耗在线监测、生产

9、线在线控制及部分产品性能在线监控等。数字化系统预留了以太网接口与Profibus-DP网络接口，方便今后工艺设计部门、生产调度部门等机构与数字化系统的连接，形成企业真正意义数字化管控，为企业的智能化制造提供技术基础。图1热处理生产线数字化应用架构2.2热处理生产线数据采集站的分布在讨论热处理生产线数据采集点的分布前，需要先熟悉生产线的工艺流程，以某企业小件热处理生产线为例来介绍生产线数据采集点的布置，见图2。小件热处理生产线的工艺流程：上料-进淬火炉-加热（保温）-淬火-出淬火炉-进清洗设备-清洗-出清洗设备-进回火炉-回火-出回火炉-下料。图2中的数字表示生产线数据采集点的编号，每个站点都有

10、其各自的功能。图2 生产线工艺流程图1号数据采集站：设有打标机一套。每批热处理工件在进入上料台之前，都要进行标注，注明产品的批号、批次及在此批次中的编号。该标注将是工件的唯一标识，其性能及在装备中的应用效果均与其绑定。2号数据采集站：设有淬火保温温度、淬火液温度采集装置，记录工件在淬火炉中保温温度及工件淬火时淬火液的温度；工件架动作位置信息采集装置，通过该装置记录工件进入淬火炉时间、出淬火炉时间、工件保温时间、淬火动作时间及淬火保持时间。3号数据采集站：设有清洗液温度采集装置，记录清洗液温度；工件架动作位置信息采集装置，通过该装置记录工件进入清洗设备时间、清洗时间及出清洗设备时间。4号数据采集

11、站：设有回火保温温度采集装置，记录工件在回火炉中保温温度；工件架动作位置信息采集装置，通过该装置记录工件进入回火炉时间、出回火炉时间、工件保温时间。2.3热处理生产线的信息采集热处理生产线数字化系统架构如图3所示。生产线数字化系统采用Profibus-DP和EtherNet两层网络结构。PLC上层使用EtherNet连接，包括工控机、HMI等；PLC下层使用Profibus-DP连接，包括淬火炉温度、回火炉温度以及工件在工艺中的时间信号等。本系统中，PLC采用西门子的S7-300系列。该系统提供了集成化的控制架构，应用通用的控制引擎和软件编程环境，以及跨多个硬件平台的通讯支持，在热处理控制领域

12、可广泛应用。图3热处理生产线数字化架构生产线数字化系统数据的采集主要是PLC通过ProfibusDP网络采集现场的传感器信息，并存储到生产线数字化系统的数据库内。生产线各种温度信息主要采用热电偶或热电阻进行采集，均采用双芯热电偶。一支用于温度信息的采集显示与控制，一支用于纸质记录。双芯偶的采用可较少记录的温度与控制温度之间的误差；生产线的动作信息主要采用限位开关及光电开关进行采集，其具有结构简单、易于维护、成本低和抗干扰强等特点。关键位置，如物料车到各工序位置信息均采用双限位开关进行控制，防止物料车过冲。3热处理生产线数字化系统的实现3.1数字化系统总貌热处理生产线包括淬火、清洗和回火三部分，

13、用于工件热处理。整条生产线具有高度自动化控制能力，从工件上料开始至回火完成，中间工序无需人工操作和调整。整条生产线由轨道及自动控制物料车连接在一起，包括上料系统、下料系统及生产线自动控制系统。上位机控制界面用于热处理过程中机械动作及工艺参数的控制，可实现手动及自动操作，并能够完成生产线上所有工艺参数指令的下达，且采集的信号数据存储于数字化系统的数据库中，通过工业以太网或Profibus-DP网络，这些数据可以传输到车间或企业的数字化系统数据库。整套数字化系统设备各部分均有安全防护系统，并配备有设备故障诊断系统和各种声光报警设备。3.2 数字化系统工作站生产线数字化系统采用一套工控机作为系统的工

14、作站，工作站配置一台液晶显示器，并配有打印机。工作站以Windows XP作为系统软件，控制软件采用西门子的STEP7进行PLC的编程，采用西门子的WINCC编程软件进行界面组态。系统控制界面具有良好的人机互动环境，可在线对整个生产线数字化系统进行组态、工艺参数修改、工艺参数优化等；可通过控制界面实时监视生产线工艺参数变化、设备运行、故障发生等情况，并可进行多种模式操作，同时负责日常报表、事故和数据的记录等。系统界面有系统总貌界面、安全连锁界面、报警总貌界面、参数设定界面、控制回路界面、实时温度趋势界面、历史温度界面、报表打印界面等。图4为热处理生产线数字化系统控制界面总貌图。图4 数字化系统

15、总貌图3.3 物料车控制系统物料车是生产线实现数字化控制的关键设备，它的动作控制是关系到生产线能否顺利自动完成整套生产工艺的关键。物料车可由人机界面实现对热处理过程中每步机械动作的控制，即手动控制物料车的各种动作；亦可通过可编程序控制器、各数据采集站的限位开关等执行单元完成物料车的动作自动控制，期间工序无需人工操作。3.4数字化系统的报表输出报表是制造企业十分重要的管理文件之一，是产品质量管理体系中不可缺少的文件，特别是军工企业更是如此。由于生产线数字化系统的应用，使得过去令企业管理者头痛的产品质量难以追溯的问题得以解决，更使得产品工艺设计者拥有较充分的工艺原始数据来进行工艺优化设计。过去热处

16、理工序的报表主要由温度曲线或温度数据和人工填写的产品数据、工艺参数等组成，若产品出现质量问题，报表所含数据及其准确性难以追溯到热处理工艺过程中哪道工序造成的产品质量问题。热处理生产线数字化系统记录了几乎所有热处理工序工艺参数的数字化信息，且这些信息均被存储在系统的数据库中。一些工艺过程信息如进出炉时间、工序转换时间、保温时间等被自动存储下来，这些信息非常有利于产品质量追溯。报表系统是各类组态软件的软肋，一般只有简单的报表格式（形式）。如果需要较为复杂的报表输出，则需要利用数据库的数据，自己编程，实现我们所想的报表格式。数字化系统利用VB中的ADO数据接口访问WinCC中的数据，经过分析处理后存

17、入SQL数据库中，然后通过VB对SQL数据库进行查询，将查询结果传输到控件中以报表的形式显示、输出6。图5为系统中一种报表格式。图5 一种报表格式本套数字化系统在ADO技术的基础上，利用VB实现了WinCC数据的高级归档，解决了WinCC不能归档文本型变量的问题，结构简单、制作报表方便、便于修改、删除归档中的数据、具有良好的接口、也很强的可扩展性和通用性，可直接移植到其他项目。4 结束语本文简述了热处理生产线控制系统的使用现状，利用数字化技术对热处理生产线的运行状态进行自动监控，提出了热处理生产线的数字化应用架构，给出了生产线数据采集站的分布及信息采集方法，分析了生产线数字化系统的组成及其主要功能，特别是报表系统较好地满足了军工数字化生产的需求，达到了热处理生产线数字化控制的目的。不足之处在于本套系统没有与工艺设计部门、生产调度部门有机结合，还需要进一步对采集的数据进行分析研究，优化生产线工艺参数，精细生产线的生产节拍，实现真正意义的热处理生产线智能化控制。参考文献：1 潘健生，顾剑锋，王婧我国热处理发展战略的探讨J金属热处理，2013（