侯俊：低成本自动化钢铁热处理炉控制系统的提出

翻译：Hou Jun Luoyang Lyc Bearing Co.，Ltd。技术中心

本文在2021年第五期的“技术前沿”部分的第五期发表在中国轴承协会的“轴承行业”的“轴承行业”中。欢迎订阅和提交！

概括：

本文旨在提出低成本的自动钢热处理炉控制系统。我们使用开源电子原型平台来控制熔炉温度，从而减少了加热过程中的人类计算机相互作用。该平台适用于小型企业经常使用的非控制商用炉。采用比例综合微得分（PID）控制器，并根据规定的热处理周期调整炉温度。嵌入式系统通过脉冲宽度调制（PWM）激活炉子电阻，从而控制了提供给炉子的功率。使用传统方法（无需温度控制的视觉检查）和具有PID反馈控制的嵌入式系统来淬灭和点燃标准钢样品。结果表明，该系统可以准确地重现任意的热处理曲线并提供所需的最终硬度。此外，我们观察到拟议的控制系统可以节省6％的能耗。此外，该系统的估计成本比工业炉中实施的工业控制器模型低42％。

关键词：温度控制，PID控制，自动化，应用，绩效分析，钢铁行业

1。简介

在过程控制技术的发展驱动下，金属加工技术继续发展，随着生产过程的改善以及材料和机械零件的处理。仪器，传感器，执行器和控制技术准确性的提高不仅增加了对材料性能及其合金的理解（包括烧结新的复合材料），而且还促进了新的开发。但是，由于其成本低，可用性，可回收性，强度和多功能性，钢仍然是行业中最常用的材料。通过添加新的合金元素，尤其是对不同类型的不同类型的机械性能的热处理，可以逐渐扩展铁和碳合金。这个过程对工业非常重要，因为该材料足够柔软，并且在热处理之前可以更改其几何形状。热处理（淬火和恢复）后，工件获得了一定的硬度，并具有最终的机械性能。这通常是建筑工件过程中的最后一步。因此，此过程中的任何项目都会导致时间，材料和能源损失，从而造成重大经济损失。

材料的有效结构转化取决于正确的加热周期。对于每种钢合金和材料应用，材料供应商建议使用最好的加热曲线。当工件寿命缩短，意外的裂纹以及切割，弯曲和使用形成工具时，结构性和维度问题可能会导致短期裂缝。

但是，小型企业中使用的大多数炉子都没有适当的热处理控制，并且此过程由经验丰富的专业人员执行。在这种情况下，目标温度是由工件的颜色推断出来的，并且颜色会随温度升高而变化。因此，温度控制系统（传统方法）取决于人类计算机的相互作用，通常是经验和主观的，这可能导致工作效率有限，能源消耗和组件故障。

为了控制项目的温度而无需操作，需要反馈控制系统。该系统取决于获得由传感器测量温度（例如热电偶）的控制器，并将测得的温度与所需温度进行比较，以向执行器提供输出信号。比例积分微分数（PID）是最常见的工业反馈控制器。

为此，本文提出了一个由单个芯片微型计算机控制的PID反馈系统，以减少热处理过程中的人造主观干扰。这种低成本的自动化控制可用于广泛的自动化过程，并且很容易适应市场上大多数小型企业使用的低成本炉。

2。规格（详细）

2.1热处理背景

热处理的目的是使金属冶金结构和性能变化。热处理可能会影响大多数金属和合金的性能，但是铁合金（主要是钢）的性能变化最为严重。温度是热处理过程中的关键变量之一。了解材料的成分，大小和最终性能可能会创造一个最佳的加热周期，并通过优化能源消耗的热处理获得最佳结果。温度的正确时间控制可以减少工件的几何变形。一般而言，低温和有限的热量暴露时间会导致不完整的材料转化。另一方面，高温和长期暴露会导致晶粒异常生长，从而导致材料质量低。在低成本的电炉中，传热主要是通过辐射（从炉子到工件）和传导（从工件的表面到炉芯）进行的。在这种情况下，传热率遵循傅立叶法律：

Q是热流，K是导热率，而the是温度梯度。

加热加热炉中的工件时，与炉中的温度相比，负载温度会缓慢升高。这个过程称为热滞后。因此，有必要考虑在热处理过程中停滞的时间。速度和最大加热速率取决于材料的导热率以及工件的大小和形状。最近，对不同钢铁工件和商业软件的一些研究和使用模拟了许多热处理过程。这些分析说明了处理步骤之间的关系。因此，加热曲线必须考虑工件的化学成分和大小。

钢加热的基本计时环由三个连续零件组成。第一阶段是炉子温度从室温到预热或目标温度的阶段。第二阶段是恒温的时期，因此整个工件的温度变为均匀，包括其核心，即热量滞后时间。第三个是在恒温下促进整体组织变化所需的时间。

2.2控制系统背景

用于过程控制的反馈系统非常简单，其重要性与在广泛学科中应用此类系统有关。基本上，反馈系统将反馈信号用作输入，将其与所需值进行比较，并将信号作为输出发送到系统以最小化误差。控制系统的开发可以分为三个部分：确定要控制的目标和变量以定义用于衡量性能的规格（测量）；系统定义，建模和控制系统设计；集成系统的仿真和分析。建模系统通常是开发控制系统中最重要的阶段，因为数学模型可以代表动态系统并根据输入做出不同的响应。这不仅可以实现这些系统的自动化，而且可以优化系统。

线性和时间简单（LIT）动态系统可以用传输函数表示。在控制理论中，传输函数通常用于描述组件或系统的输入和输出关系，可以用微分方程来描述。在LIT系统的传输函数中，G（S）是输出变量与输入变量的Laplas变换的Laplas变换的比率。在具有阻力电源的电炉中，该系统通常表示为第一阶系统，有时延迟t，如下所示：

k是增益，是一个恒定的时间，t是延迟或停滞时间。

PID控制器通常由KP，Ti和TD参数表示，它们是比例增益，点和差异时间。

点和差分时间也称为重置和速率（速率）。 PID输出可以定义为

其中，MV是控制变量，E（t）是期望和测量单元之间的错误。

比例动作定义了控制器的输出与误差的比例。速度函数或微分控制器增加了系统的速度，从而降低了过度调整。综合效果可以减少稳定的州错误。对于像炉这样的热系统，Hao和其他人计算了体积加热周期：

其中，SH代表加热周期，αPID代表PID温度控制子例程的系数，PF表示加热炉的功率，VH表示加热炉的体积。

但是，最重要的方面是设置控制器参数。 PID控制器的设置可以减少对静态状态的瞬态响应的时间。比例，全面和衍生的效应基于当前（p），过去（i）和未来（d）。

Ziegler和Nichols描述了用于调整控制器的第一个分析程序。随后，研究了许多其他方法来计算整个稳定的PID控制器参数。

尽管很难在非线性系统中使用PID控制，但它仍然是一个重要的工具，因为它易于处理。根据霍姆伯格和魏斯的说法，对表面硬化材料的PID控制可以确定工件的硬度和深度（在对系统和应用要求的限制范围内）。此外，赵和其他人已经表明，通过使用驱动器有效控制热处理的加热曲线，可以改善低碳钢的机械性能。贝尔曼（Bellmann）和其他人使用PID算法来控制电感炉的模拟，而测试材料的正确结晶是关键任务。拉林（Larin）和其他人还使用这些控制技术来分析不同加热系统中材料的特性，获得了令人满意的结果，并指出了某些材料的最佳曲线。

Zambaldi等。比较了由焊接铁，开口/关和PID组成的热系统中的两种对照技术。他们还分析了这两种技术的成本收益。作者得出的结论是，开放/控制控制的实施比PID控制更简单，更经济，但是有必要在系统中产生滞后以最大程度地减少最小化过程的波动，但这并不总是可能。此外，打开/关闭控制无法保证准确的控制，它将显示出与设定点有关的较大偏差（偏移），这将导致实践中的能源消耗更大。因此，PID控制的优点是它可以调节系统的临时响应和稳定的性能，并缩短系统的稳定时间。 Zambaldi和其他人得出的结论是，由于电子组件的成本降低和计算机系统的改进，与打开/级别的控制相比，PID控制的成本差异已降低，这产生了大于开放/关系。通过节能进一步证明了优势。

3。材料和方法

3.1开放许可微型处理器设备

该项目使用Arduino平台作为主控制器。 Arduino是具有开源硬件和软件的微处理器平台技术。最近，使用Arduino越来越多的项目，因为与其他类似平台相比，它的成本较低。 Arduino的优势很容易使用；那些既不是工程师也不是计算机科学家的人可以迅速学习基本知识并创建自己的项目。基本上，Arduino由带有输入和输出引脚的微控制器组成。所有数字和仿真引脚具有多个函数。引脚可以输入或输出；有些可用于模拟阅读和数字输入。在当前的研究中，Arduino引脚用于将脉冲宽度调制（PWM）信号发送到固体中继，并从安装在炉中的热电偶传感器中获取温度读数。屏蔽板是一个包含其他设备（LCD显示器，以太网模块）的电路板，并连接到微处理器以包含其他功能。在这项研究中，LCD屏幕用作人机界面，并实现了炉子温度的监测。

编写程序时，程序员会选择微处理器的功能。该程序使用称为集成开发环境（IDE）的图形界面以C语言开发。 IDE程序非常简单，可以通过轻松到Obtain数据库进行扩展。

提供PWM信号可能是控制系统中微处理器的最重要特征，并用于通过数字信号获得仿真结果。数字控制用于生成方波或打开/关闭信号。因此，该技术涉及操纵信号占用比，以将信息或控制电源从一个电路传输到另一个电路。因此，您可以获得以0 v和5 V之间特定频率振荡的数字信号。占空比是保持在5V的信号的时间比。该资源可用于限制电路的功率。在电炉中，PWM数字输出可以连接到固体 - 州继电器（SSR）的控制输入，以控制提供给电气炉电阻器的电源。

3.2系统建模

为了开发原型以验证系统，我们使用了800 W和127 V AC电源的加热炉。加热室的加热尺寸为80×80×100毫米，加热能力高达1200°C。

因为控制LIT系统的第一步是通过传输功能（G（s））识别系统，因此我们将数据采集系统连接到炉子热力木偶，并使用1 Hz的采样率，精度为0.5° C.在将最大功率施加到炉子电阻上时收集炉子温度。达到稳定状态温度后，完成数据收集。使用MATLAB工具箱标识来处理记录值以获得系统的传输功能（第4章图3）。

3.3原型确认

为了验证系统，炉子中安装了k型盔甲（图1），并将其连接到12个位置的霉菌号转换器（A/D）。 Arduino沟通。基于加热周期，一个嵌入式系统程序可以控制炉中的温度。通过在主程序中实现的PID算法程序执行误差校正，并提供了数字输出信号（PWM）来控制实体继电器（SSR）。最后，该系统允许我们将电源更改为炉子电阻并控制其温度。具有6个按钮的LCD屏幕连接到微控制器作为人机接口。在需要时，使用个人计算机修改微型控制器程序或添加新的加热曲线。

3.4使用开发的原型进行热处理实验

实验是用D2和D6材料进行的。美国铁和钢协会 - 艾西 - sae是识别各种钢及其合金的最常用的钢级标尺。 D系列是一种冷加工钢，具有深硬的硬化，其中含有10％至13％的铬。这种材料非常耐磨，其机械性能对热处理非常敏感。它被广泛用于生产切割刀片，刨刀和工业工具。

对于实验，我们首先淬火然后恢复。硬化的目的是硬化物质并增加耐药性，并将奥氏体组织转化为马氏体。硬化后有必要使用点火处理，以获取较少脆弱的材料，并尝试减少硬化期间获得的内部张力。

六个D2样品由圆形横截面（直径13毫米，高度为10 mm）。也将六个D6样品分为圆形截面（直径为26 mm，高度为10毫米）。所有D2和D6样品均已淬火和回收。根据供应商指南，对于一半的样品，固定控制系统用于热处理。对于另一半，相同的热处理采用传统方法（受控温度控制），由经验丰富的专业人员执行。在这种情况下，根据过去的经验，通过观察工件的颜色随温度升高而变化来推断目标温度。

使用建议的系统，硬化D6样品的加热周期编程如图2所示。将样品预热至550°C，并在此温度保持30分钟。随后将温度提高到960°C，并将其再次保持30分钟。最后，将样品从炉子中取出，然后在油中冷却。 D2样品的加热周期类似于D6样品，但最终温度设置为1030°C。在恢复的情况下，加热炉手动关闭。当温度达到300°C时，将控制器编程30分钟。对于工件的热量，降低温度梯度以及最小化学零件中的几何变形和几何变形和表面裂纹，必须使用恒定温度阶段（以加热周期中的平均热阶段表示）。

4。结果和讨论

在系统建模过程中，数据收集系统收集了炉子的温度样本，并且炉加热操作由100％功率（输入等效于单位响应）执行，以获取图3所示的数据。简而言之，数据收集时间为5591 s，采样率为1 Hz，精度为0.5°C（图3）。

考虑到驾驶期的相对简单和准确性，加热炉加热曲线的传输功能（识别模型）被描述为：

其中，增益（k）是稳定状态和初始温度之间的差异，输入范围为1069.9°C。恒定时间为765.6 s是稳定温度降低63.2％的时间， 0.2 s是一个延迟（t）。

基于传输函数（公式5），我们使用Zieglernichols [11]方法来设置PID参数。通过模拟MATLABTM-SIMULINK应用中不同比率的增加，获得了临界增益值（即对恒定振幅的定期时间响应）。当临界增益k = 11.26时，会发生这种稳定性，从而导致临界周期pcr = 0.4 s（图4）。

在获得临界增长和临界周期值后，我们应用了PID系数（表1）时应用了Ziegler-Nichols方法。结果表明，该加热控制器不需要差异效果。因此，控制系统被认为是PI类型。

PI程序以C语言实施并加热了每种材料。为了验证此过程，根据数学函数制备加热曲线。所采用的曲线基于公式（6），间隔值为0至1413 s：

在时间（s）中，f（t）是温度（℃）。

预热后的平均热阶段（恒温阶段）为30分钟，并硬化以达到材料的热均匀性（图2）。选择公式（6）的另一个标准是，其产生的加热速率很少低于炉加热曲线的最大速率。因此，它允许系统对干扰的响应更快，例如未经授权在加热过程中打开炉子，这可能会导致炉内的温度突然下降。

它还选择（6）以证明将任何数学功能的加热曲线应用于系统的能力。商业控制器仅限于斜率和平均热量阶段的线性功能编程。任何功能曲线的使用都可以找到每种材料的最佳加热曲线。此过程不仅必须考虑每个工件材料的形状和导电性的大小和导热率。因此，炉子可以以与材料相同的速度将热量传递给材料，也就是说，材料可以通过传导吸收热量，直到它达到其核心。

表2显示了经验丰富的专业人员使用传统方法处理的样品的平均硬度。其中，淬火和点火温度正在视觉上检查。表3显示了用PI控制器处理的样品的平均硬度值。所有值均使用校准硬度仪表获得。与传统方法相比，尽管结果没有显着差异，但PI控制器样品的硬度值更接近预期值。

为了比较传统方法和PI控制系统中D6样品的节能效应，采用了Fluke430II型电能质量分析仪。结果表明，与PI控制系统相比，节能约为6％（表4）。

传统方法的能耗是通过三个实验的平均值计算的。这些值的最大偏差为5％。对于D2样品的实验，由于最终目标温度较高（1030°C）而增加能耗才能增加能耗。在这种情况下，我们还发现了大约6％的节能控制系统。能源消耗的这种变化取决于使用传统方法进行热处理的专业人员。在我们的实验中，由于传统的热处理方法是由经验丰富的专业人员执行的，因此机械性能的结果是一致的。

为了确认所建议的系统是低成本，我们将系统与类似的商业控制器进行比较。典型的商业控制器由单个电路控制器（PID反馈控制）组成，该控制器接收加热信号（测量温度），并根据所需的加热曲线（通常由固定值或斜率组成）提供了使用它的输出信号控制SSR。在单个循环设备中，通常使用按钮设置PID参数，而LCD显示器用于交互。建议该系统比商用PID控制器便宜约42％（表5）。商业控制器和提出的系统之间的主要区别在于，它可以使用开源代码系统将代码写入任何数学功能，而商业控制器只能遵循线性函数，例如义务。

图5显示了D6样品的黄金相分析。推荐的系统用于热处理。该图像显示了材料和热处理类型的兼容晶粒的大小和均匀性。图6显示了使用传统方法对D6样品的黄金相分析。尽管图像之间没有显着差异，但是图6中显示的谷物的大小略大于图5，并且白晶粒的存在增加。因此，时间和温度不足以正确更改结构。在分析之前，将样品抛光并用5％硝酸盐制备。

5。结论

本文提出了一种用于经济和实用钢热处理炉的自动控制系统。基于开源技术（硬件和软件），可以使用一个简单的计算机系统，可以嵌入或未安装。在我们的实验中，将D2和D6钢的圆形部分淬灭并在电炉中发射。将加热炉控制的结果与PI控制而非PI控制进行比较，它证明了实现低成本自动加热炉控制系统的技术可行性。

与拟议的PI控制器相比，专家（视觉和主观）实施的热处理（视觉和主观）（根据供应商的说明）。不出所料，这两种方法的硬度结果相似，并且提出的控制系统的性能稍好一些。

采用拟议的系统，该过程中的能耗差异约为6％。该值代表执行时PI控制器的经济优势。

尽管市场上有控制器，但其成本通常很高，因此它们不适合小型企业。该方法可以在工业炉上实施，成本比工业模型控制器低42％。业务模型控制器的另一个缺点是，很难使系统适应现有的熔炉，这需要经验丰富的专业人员。此外，操作员需要了解每个温度范围和不同炉加热速率的编程，因为商业控制器在加热过程中使用了编程斜率，并且在恒温期间使用平均热阶段。在这种情况下，加热曲线是线性函数。斜率或角度系数从初始时间到最后一次进行编程，这取决于操作员的知识和经验，这可能导致错误增加。该系统不受线性函数的限制，并且可以对任何功能进行编程。

本文介绍了通过开源软件和硬件在钢热处理中的新应用程序，并进一步分析了它。例如，在进行热处理之前，可以模拟工件的数学模型以获得优化的加热周期。可以提出其他物质热处理的新算法，并且易于安装在系统上；系统可以接收PID参数自动设置算法。因此，用户可以直接从供应商网站“下载”热处理过程的算法和更新，以便严格遵守既定规格，或者可以将热处理管理系统和组装数据库组件连接到历史和热处理操作，从而显着提高性能和多功能性。

稍微参考

（原始来源：“应用热工程”））））