爐群集中控制系統的構想和設計

文／王冠群·陜西宏遠航空鍛造有限責任公司

熱加工企業會大量使用加熱爐，比如鍛造企業里的鍛造廠房和熱處理廠房均有加熱爐，無論是電爐還是燃氣爐都有控制儀表系統和相關設備，導致原本廠房空間就緊張的情況就越發加重。同時，每個加熱爐的儀表系統都有一套針對加熱爐的控制系統，而且這些儀表種類非常多，不便于觀測和調整。以往行業里就形成了一種“巡視”的做法，但這種情況也難免出現個別加熱爐無法巡視到位的現象而影響了產品的生產。針對這種情況，筆者在2009 年就提出了爐群集中控制系統的設計思路，并通過十余年的工業實踐不斷優化，提出了較完善的解決方案。

目前行業內加熱爐使用情況

目前加熱爐的種類有很多種，每種加熱爐配置的儀表柜和儀表系統又都不盡相同，究其原因就是熱加工企業被動地接受了設備生產企業生產出來的設備，而沒有根據企業需要系統地提出自己的需求。

加熱爐種類

電爐和燃氣爐是熱加工行業里普遍應用的兩種類型的加熱爐。

儀表柜類型

儀表柜用的控制表為西日本橫河UP55A，報警儀表為UM33A；記錄表為日本天野AH 系列(可以自動切換量程)，英國歐陸808 和上海大華。根據每個加熱爐的控制區不同配置不同的儀表柜，儀表柜有不同的結構，多數的儀表柜只能用紙質表盤；帶無紙記錄儀的儀表柜可以自動記錄加熱數據，形成電子表盤，這種儀表柜具備USB 輸出端口。

存在的問題

⑴不同類型的加熱爐配置的儀表控制系統和硬件儀表柜都不相同，多數企業都是“雜牌軍”，企業在實際使用和維護中也產生了不少困難，給設備管理增加了難度。

⑵每個儀表柜占用廠房里一定的場地空間。由于多數儀表柜使用的是可控硅的方式，并通過XYZ 或星形接線的方式來管控各自分區的儀表，通過弱電的方式控制380V 的工業用電。一般一個儀表柜占地面積約0.5m2，如果按照每個加熱爐三區配置的話，儀表柜需占用約1.5m2的面積；大型的加熱爐有五區甚至更多區的控制，在現在寸土寸金的廠房里顯然會占用過大的面積。

⑶廠房里布局多個加熱爐，每個加熱爐都有2～3個儀表柜，不便于對加熱的產品進行管理，之前通過巡視的方式難免有遺漏，甚至造成產品加熱時間過長，加熱溫度超溫等問題，不能第一時間發現該類問題就有可能造成整爐產品報廢。另外一方面，通過巡視的方式可以說費時費力，對企業緊缺的人力資源也是一種浪費。

⑷大量的紙質表盤不利于記錄歸檔和日常操作。而且因加熱時間長，紙質的表盤可能會有半米到1 米的長度，因為溫度梯度的設置還需要來回調整儀表量程，可以說非常麻煩。另外，由于之前的紙質表盤分辨率還達不到最新的標準要求，比如AMS2750G 要求每格的分辨率在0.2°，這些老式的系統越來越不適應企業日益發展的需要。

⑸紙質表盤不利于統計分析。由于現代企業管理的需要，我們經常需要對加熱的數據進行統計分析，但是多數的紙質表盤無法實現這樣的功能，或者無法快速、高效地實現這樣的功能。尤其是無法系統地對某一類產品的加熱溫度、時間等參數信息進行管理，更無法快速地解決現場出現的質量問題，可以說這是信息孤島。

爐群集中控制系統的設計

設計思想和理念

⑴爐群集中控制系統的設計思想是減少主廠房中儀表柜的占地面積，目標是實現儀表柜矮化處理或從地面消失，從而實現廠房面積和空間的有效利用。

⑵應用系統思維的方法，實現加熱數據的電子化記錄。

⑶結合目前的物聯網實現加熱數據的即時傳輸和智能分析。

爐群集中控制系統布局

⑴硬件布局。

現在常用的電加熱爐一般電路元件有8031芯片、8255A 芯片、74LS373 芯片、6116 芯片、2764 芯片、ADC0809 轉換器、溫度檢測元件及變送器等，溫度調節儀是控溫系統的核心部分，采用單片機控制，實現這一功能的主要硬件設備是熱電偶或熱電阻,智能PID 溫控儀，可控硅觸發調功器等。尤其是采用固態繼電器的方式，體積大，成本高，同時需要配置散熱裝置。

按照矮化處理或從地面消失的理念，所有的儀表柜要改變目前使用可控硅固態繼電器的控制方式，否則無法進行矮化處理，更無法從地面消失，從地面消失也不是將儀表柜從主廠房挪到副跨廠房里。將可控硅固態繼電器的硬件方式轉換為工業弱強電模塊化芯片的方式可以從根本上解決這一問題。

⑵軟件系統的布局。

目前單個的儀表系統可以通過溫控系統實現自動控溫和記錄，主要由溫度傳感器、溫度調節儀、執行裝置，但是加熱數據是無法合并和轉移到企業的其他信息系統上，這需要借助軟件系統來實現。軟件系統至少要實現幾大功能模塊，但不限于：加熱數據的自動記錄系統、數據的自動傳輸系統、數據的智能分析和控制系統。

①加熱數據的自動記錄系統：根據工藝的要求結合CAPP 的主要工藝參數，自動匹配零件號進行爐前的加熱數據設置，并通過可視化展現加熱爐負載情況，當然要包含加熱物料的零件號、爐批號、數量、錠節號、加熱爐的編號，以及TUS 信息、儀表工、加熱工、檢驗員的相關信息等內容。加熱參數的設置、加熱過程中和加熱完成后的不同時段，儀表工、加熱工和檢驗員應被授權電子簽章確認。

自動記錄系統要實現的功能主要是分別記錄加熱爐的每個分區溫度和時間；根據加熱的工藝要求和相關標準要求自動勾畫加熱曲線，加熱曲線要有足夠的分辨率；或者同時毫秒級的記錄加熱溫度和時間信息，這些信息可以按照企業的需要實現電子圖表等不同形式的輸出。根據需要可以實現打印功能，曲線實現放大縮小的功能。

在加熱過程中出現因爐絲斷裂等故障導致的爐溫異常情況，要能第一時間進行聲像報警提醒和控制處理，對異常加熱曲線要能自動著色標注，以方便追溯。

系統記錄的內容也包含每個加熱爐的TUS 和SAT 相關信息，合格區大小，測溫時間和測溫操作者等，并在到期之前進行預約提醒功能。

系統數據一旦形成將不能進行修改，這是一個非常重要的功能，防止電子記錄被篡改，否則系統數據將會失真。

⑵數據的自動傳輸系統。

數據自動傳輸系統包含加熱曲線等電子數據自動傳輸到企業ERP 系統，每個加熱爐的加熱物料進度可以實現自動傳輸，對出現的爐溫異常數據能夠根據企業的設置實時傳送到主管技術人員、質量人員的電腦中。加熱數據同時具備即時存檔的功能，按照企業的需求進行編碼歸檔，多數的歸檔信息編碼是按照加熱物料的件號、名稱作為主索引歸檔編碼。如果企業的客戶有需求，企業履行審批手續后，可以通過系統將加熱數據和加熱爐的TUS 信息傳送給顧客。

數據傳輸系統還需開放一定的權限給相關的技術人員、質量人員和管理人員，讓其能夠查詢到現場生產物料加熱數據和已經歸檔的數據信息。

⑶數據的智能分析和控制系統。

對加熱數據的分析要點：根據顧客的需要按材料牌號進行加熱溫度的SPC 控制分析，結合零件的力學性能指標適當地調整溫度。分析的類型不限于：對同一零件不同時期的加熱溫度、時間等進行分析；對同一顧客的不同零件進行分析；對同一材料牌號的不同零件進行分析；對不同加熱爐的功效進行分析等。分析結果形成報告和圖表可供需要的人員使用。

在結合數據記錄功能的基礎上，可以拓展以下功能：如果加熱溫度和時間沒有達到CAPP 參數規定預設數值，加熱爐無法開啟；在達到該參數的預設數值時，則預先聲響提醒并打開爐門，完成本次加熱的操作；在加熱爐出現異常時，可以根據預設的處理流程進行中斷加熱等的智能處理。

應用范例和使用效果

目前該系統已經在相關企業的熱處理和鍛造現場中得到了應用，并取得了一定的效果，矮化或取消了部分控制柜，提高了主廠房的利用率，改變了傳統的巡視管理模式，對接了企業生產管理系統，可視化展現了生產作業的安排，局部實現了電子記錄的歸檔功能。

未來改進

⑴目前的爐群集中控制系統是建立在現有工業企業現狀的基礎上的最佳方式，隨著未來的信息化和數智化的發展，企業可結合AI 的功能應用和拓展。同時，加熱爐的種類將變為適應單件加熱方式的集中電感應爐，隨之傳統的箱式電爐將會被替代。

⑵裝出爐的方式將通過智能機械手替代目前的人工操作，減少人工成本。

⑶廣泛的應用爐群集中控制系統所產生的數據將為企業的管理提升奠定基礎。