自動控制系統網絡在熱處理過程監控上的應用

胡順

中石化四機石油機械有限公司 湖北荊州 434024

1 序言

熱處理自動控制系統在當今石油機械的生產中應用已經非常廣泛，但多數用于加熱爐溫度-時間曲線的實時記錄上，功能單一，人機交互界面差，而且熱處理現場工藝及生產管控的模式依然陳舊，自動化程度低，遠不能滿足當前質量控制的要求。樊東黎教授級高工曾在熱處理技術研討會上對我國熱處理總體發展戰略作出概括，指出熱處理生產技術改造的方向要“少無分散、少無人工”，強調了自動化生產和質量的在線監控以及消除人為因素影響的重要作用[1]；而蔣克全等也從數字化管控的角度做過類似的應用實踐[2]。

結合我公司多年的實際應用，總結出熱處理過程中存在的主要問題如下。

1）生產模式陳舊。生產管理人員要頻繁去生產班組核實才能掌握當前加熱爐動態，既不便于生產管理調度，模式陳舊，又效率低下。下面以我公司管理20臺加熱爐為例，每爐批平均耗時按8h計算，20臺加熱爐24h內需去生產班組約60次，而生產班組距離生產技術辦公室的距離約100m，步行速度按1m/s計算，每天來回奔波在路程上耗費的時間為100s×2次×60臺＝200min。

2）出錯概率大。班組操作、生產管理、成本工時核算及檢驗等人員各自輸入和統計產品熱處理的相關信息，在輸入和傳遞信息時容易出錯、遺漏。據統計，我公司以往每月因上述人為因素造成的信息輸入出錯總次數約在27次。

3）生產過程實時監控不便。雖然生產現場操作人員可以實時掌控生產動態，但生產管理人員、技術人員、檢驗員等不便實時監控現場生產動態和工藝執行的正確性。

4）記錄數據易丟失。生產班組計算機上的熱處理記錄，只能單獨保存在班組計算機上，但現場環境對計算機傷害較大，操作系統和控制軟件易出故障，熱處理記錄信息易丟失。據統計，我公司每半年生產班組主機可能出現1～2次異常，造成的數據丟失量最少在16爐批。

因此，針對以上問題，我們將質量管理的要求與自動控制系統結合起來，構建系統化的網絡，集成多終端監控、多點位記錄、數據自動記錄及數據統計管理等功能于一體，旨在加強熱處理過程中工藝執行的監控力度，同時提高工作效率。

2 自動控制系統網絡的構成

圖1所示為自動控制系統網絡的構成配置，主要將作業現場、生產班組監控室、控制系統機房及生產技術辦公區這四個區域聯合起來，使用工控機通過通信網絡與現場的加熱爐、淬火池、上料臺、操作手等設施進行通信，并將數據保存在服務器的數據庫中。下級控制儀按照上級系統下達的指令，對各執行機構進行控制，同時在其上顯示動態，最終構建成對生產工藝的監控網絡。

圖1 自動控制系統網絡的構成配置

生產班組監控室正對作業現場，且與控制系統機房相鄰，作業現場、生產班組監控室、控制系統機房三者之間使用可視玻璃隔開，便于隨時目視觀察，現場應用效果如圖2所示。

圖2 現場應用效果

各部分主要組成如下。

（1）作業現場 主要包含加熱爐及監控系統、淬火池及配套系統、上料臺、三軸聯動淬火機械手和現場數顯屏幕看板。

（2）生產班組監控室 主要包含班組計算機終端、服務器、數據交換機和UPS電源。

（3）控制系統機房 主要放置加熱爐控制柜、備用圓盤記錄儀、異常報警系統等。

（4）生產技術辦公區域 配備計算機終端，與班組服務器、班組計算機終端的數據同步。

3 自動控制系統網絡的工作方式及特點

自動控制系統網絡旨在對熱處理現場的生產動態、工藝執行情況作出統一的管理和監控，可以統計車間生產產量、電能消耗、員工工時等信息，同時監控車間生產進度、產品檢測等信息，便于生產過程的質量控制。

在作業現場區域，管理和監控的信息主要包括爐內裝載產品，加熱爐狀態是升溫還是保溫，爐溫是否已經均勻，上料臺是否就位，淬火機械手是否存在異常，以及淬火冷卻介質溫度、淬火池冷卻系統是否正常工作等。同時，現場數顯屏幕看板顯示當前爐溫、介質溫度等工藝參數摘要信息，方便作業現場的人員查看。

在控制系統機房，加熱爐控制柜與現場隔離，避免現場環境影響控制元器件，備用的圓盤記錄儀在計算機出現故障時可以記錄熱處理溫度和時間，異常報警系統可在系統出現問題時，通過聲音和報警燈提示工作人員。

在生產班組監控室，服務器儲存記錄作業現場所有關鍵數據，包括產品裝爐時間、出爐時間、產品名稱、產品材料、追溯號、硬度要求、保溫溫度、保溫時間、淬火轉移時間及淬火前后淬火冷卻介質最高溫度等重要工藝參數，同時記錄控制系統機房的相關信息，如記錄工藝過程中報警動作的內容，報警發生、確認、解除時間。服務器儲存的數據通過數據交換機共享給班組計算機終端和生產技術辦工計算機終端。主機電源采用UPS不間斷電源和備用電池，在電源斷電后仍可短時間工作，可保護數據不會丟失。

在生產技術辦公區域，生產管理人員、技術人員等可以通過數據交換機共享的數據，實時監控當前作業現場的生產動態，并檢查工藝參數執行的正確性。同時避免其因他人員去作業現場檢查而干擾操作人員正常工作。

該自動控制系統網絡主要有以下特點。

（1）多終端監控 在進行熱處理生產作業時可以實現多終端監控，現場的工作人員可以通過現場數顯屏幕看板實時監控，生產班組監控室的工作人員可以通過班組計算機終端實時監控，而辦公室的生產管理人員、技術人員可以在生產技術辦公計算機終端上實時監控。

（2）多點位記錄 可以完成5個點位關鍵數據的記錄，包括上料臺狀態數據、加熱爐及監控系統數據、淬火池及配套系統數據、淬火機械手狀態數據以及加熱爐控制系統數據。

（3）數據自動記錄 現場所有的數據都可以實現自動記錄和自動備份，全程無紙化，可最大程度地減少數據手工傳輸時出錯和丟失的概率。

（4）數據統計管理 生產過程中自動記錄的生產、工藝關鍵信息，可以導出為Excel格式的數據表單，十分方便完成產量、能耗、人員工時核算及設備運轉記錄等報表的統計與輸出。

4 應用效果對比

該自動控制系統網絡構建完成后，各方面得到優化改善，其應用前后的效果對比見表1。

從表1可看出，自動控制系統網絡應用后，效果顯著。管理人員每天生產路程耗時比應用前減少了97%，每月數據輸入出錯率減少了81.5%，半年記錄數據丟失量減少了100%，

表1 自動控制系統網絡應用前后效果對比

1）生產模式優化后，效率大幅提高。現在生產管理人員在辦公室聯網計算機終端上就可以查看當前加熱爐的動態，不需要頻繁去生產班組核實。聯網計算機終端距離僅3m，每天查看生產動態在路程上耗費的時間為3s×2次×60臺＝6min，相對于舊模式效率提高97%。

2）出錯概率大幅度減小。新的系統網絡應用后，僅班組操作人員在輸入信息時偶有出錯、遺漏，其他人員反倒經常發現信息錯誤。據統計，每月信息輸入出錯總次數約在5次，相對于舊模式效率提高81.5%。

3）生產過程實時監控極為方便。生產現場和生產班組監控室的工作人員，辦公室的生產管理人員、技術人員都可以在各自崗位對生產過程實時監控。

4）記錄數據丟失現象消除。公司新的自動控制系統網絡運轉半年以來，網絡服務器工作穩定，未出現系統異常和數據丟失現象。

5 結束語

自動控制系統網絡將作業現場、生產班組監控室、控制系統機房及生產技術辦公區這4個區域聯接起來，按照質量管理的要求，構建生產過程中工藝監控網絡。該自動控制系統網絡集多終端監控、多點位記錄、數據自動記錄、數據統計管理等特點于一體，有效地加強了過程監控的力度，在保證生產過程質量的同時，又大幅提高了工作效率。