鋁合金淬火爐偶發性故障的分析與處理

馬有明，賈全勝

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621999）

0 引言

鋁合金淬火爐是自動化程度較高的熱處理設備，電氣控制系統由1套西門子S7-200PLC作為控制中心，工業控制計算機、溫控表、溫控儀、觸摸屏、精密傳感器等各自處理相關參數，并把控制信息傳遞給可編程邏輯控制器，與可編程邏輯控制器協同完成加熱、風機控制、臺車進出、升降等動作，從而實現手動淬火及全自動淬火。

設備自投入使用以來多次出現控制系統失靈現象，操作者進行故障復位后設備恢復正常，沒有引起足夠的重視。近期循環風系統變頻器更換后，發生類似控制系統失靈現象的頻率明顯增多，嚴重影響熱處理產品的質量。

1 故障現象

設備在淬火工藝過程中，偶爾出現爐門無法正常開啟、料筐快速下降撞擊水面、料筐下降無快速等故障，按下故障復位鍵后故障消除。

2 故障分析

2.1 淬火工藝控制流程

鋁合金淬火爐可實現自動淬火和手動淬火2種淬火工藝，自動淬火過程只需操作者裝料及設置熱處理工藝要求，由設備自動完成所有工藝步驟。手動淬火則是由操作者控制熱處理工藝，手動完成各工藝過程，部分控制流程見圖1。

圖1 淬火工藝控制流程

2.2 故障現象分析及試驗

根據操作者描述及現場試驗發現，故障集中出現在爐門、料筐的控制上，如圖1虛線框所示，根據順序控制的基本原理及故障的特點，初步判斷故障可能是由一些到位檢測條件沒有滿足造成的。但是在手動模式下單獨試驗每個動作均能正常完成，排除到位檢測傳感器及線路故障，手動反復模擬自動淬火過程，發現只要循環風機系統或臺車系統在運行狀態，爐門及料筐的控制均會偶爾出現異常，到位檢測信號時有時無，風機或臺車停止運行后，故障消失。

2.3 故障原因分析

該淬火爐相對于早期同類設備而言自動化程度較高，包含可編程邏輯控制器、傳感器、變頻器、溫控儀表等，其中變頻器屬于非線性三相橋式整流（6脈沖整流）負載，屬于典型的干擾源，這類器件的設計和配線中都應考慮電磁兼容性，但是通過查閱電氣圖紙和查看電氣控制柜發現，該設備并沒有做相應的電磁兼容設計（圖2），信號線與動力線在同一線槽內布線，這樣變頻器的輻射干擾、傳導干擾及諧波干擾都會影響系統中較為敏感的信號，導致信號及數據異常。因此，懷疑是變頻器的干擾引發傳感器誤動作，從而導致設備故障。

由于現場條件有限，無法用專業設備檢測變頻器的干擾與傳感器誤動作之間的聯系。通過分析電氣原理圖發現，每個到位檢測輸入信號都有對應的到位輸出指示燈，手動限制設備的執行功能，啟動風機變頻器，發現凡是利用傳感器作為到位檢測元件的到位指示燈都在高頻閃亮，而用限位開關作為到位檢測的到位指示燈正常，變頻器停止運行后，各指示燈恢復正常。通過上述試驗，可斷定故障產生的原因是變頻器的干擾。

圖2 部分電氣原理

3 故障應急處理

由于該鋁合金淬火爐承擔的科研生產任務較重，無法長時間停機進行變頻器干擾問題整改，可通過下面的方式解決自動淬火和手擋淬火控制失靈故障。

根據自動淬火工藝流程，調整變頻器參數，使其接收到停止信號后立即結束輸出，以自由方式停車，即可規避變頻器運行時的噪聲對下個工藝動作的干擾。編寫手動淬火操作流程，禁止循環風機及臺車運行時進行其他工藝操作，即可規避變頻器運行時的噪聲干擾對手動操作的影響。

通過上述方式進行故障的應急處理后，控制失靈故障沒有再次出現，設備恢復正常。

4 整改建議

雖然上述方式可以使設備能正常使用，但是變頻器干擾問題沒有從根源上得到解決，存在變頻器燒毀（高次諧波引發的交流電流集膚效應）及干擾其他敏感信號的可能。因此，建議從4個方面進行整改。

（1）增加交流輸入電抗器。可有效抑制脈沖電流對整流橋的影響，提高輸入側功率因數，抑制高次諧波，減少對外輻射和傳導干擾，改善三相輸入交流電源不平衡對系統的影響。

（2）增加輸入濾波器。減少電源端到變頻器的傳導干擾，提高變頻器的抗干擾能力，減少變頻器對的外輻射和傳導干擾。

（3）增加輸出濾波器。減少變頻器對的外輻射和傳導干擾。

（4）清理、規范布線，傳感器換屏蔽線等。

5 結束語

我國熱處理設備、非標設備普遍技術層次較低，電氣設計上存在一定的缺陷，如傳感器線路、動力電源、控制儀表等布線雜亂無章，大功率器件、整流逆變器件等均未做相應的電磁兼容設計，僅停留在功能正常的階段。隨著我所熱加工自動化水平的不斷提高，對各種信號質量及精準度的要求也必然會更高，這時因設備設計缺陷而帶來的問題會更加明顯、更加嚴重。因此，建議相關設備引進時應提出電磁兼容要求，現有存在問題的設備需在維修及保養過程中進行逐步的整改，以提高信號的可靠性，數據的準確性以及元器件的使用壽命。