（检测技术与自动化装置专业论文）先进控制技术在硬质合金低压烧结炉中的应用研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 工业生产过程作为控制论的重要应用背景领域，以其特有的复杂性推动着控 制论的向前发展。目前，传统的控制方案已经不能满足工业生产的高效益，低能 耗的要求，因此，各种先进控制算法应运而生。模糊控制算法作为先进控制算法 的代表，在其他工业领域已经有不少成功应用的案例。 目前我国是世界上最大的硬质合金消费国，低压真空烧结炉是硬质合金烧结 的关键设备，但生产所需的烧结炉仍主要依赖进口，自主研制低压真空烧结炉及 配套的控制系统无疑具有重要的应用价值。本论文是作者在完成企业横向委托项 目“四川自贡硬质合金有限公司低压烧结炉计算机控制系统设计”基础上写成的， 由于控制对象具有非线性，大时滞，强耦合和时变性的特点，常规的算法不能满 足烧结炉控制要求，必须采用先进控制算法。作者经过近一个月的实验室调试以 及近两个月的现场数据采集、调试、修改，并成功投运，达到企业所要求的目标， 取得了良好的经济效益。 本文以低压烧结炉为具体研究对象，通过目前国内外相关领域的了解和学习， 总结出控制技术在低压烧结炉中应用研究的现状。结合低压烧结炉的工艺生产过 程，分析出低压烧结炉的生产控制要求，并且完成了低压烧结炉控制系统的硬件 设计。 在硬件设计的基础上，本文提出多种控制方案。首先根据现场实验数据辨识 出烧结炉加热起始阶段的数学模型，而现场调试的经验证明了常规p i d 控制无法 满足低压烧结炉的控制要求，并根据调试经验总结出低压烧结炉的控制特点。在 此基础上，确立了模糊p i d 自整定控制方案为最终的控制方案。在生产车间一线 操作者十多年丰富的现场操作经验的基础上，完成了模糊p i d 自整定控制器的设 计及其工程化实现。 选用西门子$ 7 3 0 0p l c 编程实现，完成了低压烧结炉的控制，达到了控制要 求。根据现场调试的经验，本文分析了模糊p i d 自整定控制器在本项目应用中的 几个不足，并对控制器做出了符合烧结炉的几点改进。 关键词：低压烧结炉，模糊p i d 自整定算法，p l c 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a st h ek e yb a c k g r o u n do fc o n t r o lt h e o r y , i n d u s t r ym a n u f a c t u r ep r o c e s sh a sb e e n p r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to f t h ec o n t r o lt h e o r y , b e c a u s eo f i t sc o m p l e x i t y n o w a d a y s ， t h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o lt h e o r yc a n n o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fh i 【g hb e n e f i t , i nt h e i n d u s t r ym a n u f a c t u r ep r o c e s s s ot h em v a n c e dc o n t r o la r i t h m e t i ch a sa p p e a r e d a st h e r e p r e s e n t a t i v eo ft h ea d v a n c e dc o n t r o la r i t h m e t i c ，f u z z yp i dp a r a m e t e rs e l f - t u n i n g c o n t r o la r i t h m e t i ch a sm a n ys u c c e s s f u la p p l i c a t i o n si ni n d u s t r y b u ti ti st h ef i r s t p r o p o s e df o rt h eh i p s i n t e rs t o v e a tp r e s e n t ，o u rc o u n t r yi st h el a r g e s tp r o d u c e ra n dc o n s u m e ri nt h eh o m i n e s s - a l l o ys c o p e s h i p s i n t e rs t o v ei so n eo ft h ek e ye q u i p m e n t si nt h eh o r n i n e s s a l l o y s m a n u f a c t u r e b u tn o w , t h i ss t o v ed e p e n d so ni m p o r t 。h i p - s i n t e rs t o v e ss e l f - d e v e l o p a n dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls y s t e mh a si m p o r t a n ta p p l yv a l u e t h eb a c k g r o u n do f d i s s e r t a t i o ni st h ep r o j e c t “s i c h u a nz i g o n gh o r n i n e s s a l l o yl t d ，c o h i p s i n t e rs t o v e c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ”t h ec o n t r o lo b j e c tm a n i f e s t st h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s n o n l i n e a r , l a r g et i m ed e l a y , t i m e - v a r y i n ga n ds t r o n gr e l e v a n c e ，a n dt h ec o n v e n t i o n a l c o n t r o la r i t h m e t i ci sn o tm u c he f f e c t i v e ，s ot h ea d v a n c e dc o n t r o la r i t h m e t i ca s m e n t i o n e da b o v ei sa d o p t e d i tt a k e st w om o n t h st oc o l l e c td a t e , d e b u gp r o g r a m ， m o d i f yp r o g r a mi nt h ef i e l d ，t h ea d v a n c e dc o n t r o la r i t h m e t i ci sf i n a l l ya p p l i e di n o p e r a t i o n t h ed i s s e r t a t i o nc a r r i e so u ti t ss t u d yo fh i p s i n t e rs t o v e ，b ys t u d y i n go fp r e s e n t r e l a t e dd o m a i n ，i ta n a l y z e st h ea p p l i c a t i o no ft h ec o n t r o lt h e o r yi ni n d u s t r y b a s e do n m a s t e r i n g t h em a n u f a c t u r e p r o c e s so f h i p - s i n t e r , i ta n a l y z e st h ec o n t r o lr e q u i r e m e n to f h i p s i n t e r t h e ni t c o m p l e t e st h ed e s i g no fh a r d w a r eo ft h eh i p - s i n t e rc o m p u t e r c o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，i tb r i n gf o r w a r d sm a n ys c h e m e s ，t h r o u g hp r a c t i c a l e x p e r i e n c e , i ts e tu pt h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h eh i p - s i n t e r , a n di t a t t e s t st h e c o n v e n t i o n a lc o n t r o la r i t h m e t i cc a n n o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f h i p s i n t e r f i n a l ，t h i s d i s s e r t a t i o nd e c i d e st oc h o o s ef u z z yp i dp a r a m e t e rs e l f - t u n i n gc o n t r o la r i t h m e t i ca s t h ec o n t r o ls c h e m e b a s e do nt h ea b u n d a n te x p e r i e n c eo ft h eh i p s i n t e ro p e r a t o r , i t c o m p l e t e st h ed e s i g no f c o n t r o ls y s t e m i t a n a l y z e ss e v e r a l l i m i t a t i o n so ff u z z yp i dp a r a m e t e r s e l f - t u n i n gc o n t r o l a r i t h m e t i ce x p e r i e n t i a l ，a n dp u tf o r w a r ds o m ei m p r o v e m e n t t h e np r o g r a m m e dt h e i i 重庆大学硕十学位论文 英文摘要 c o n t r o l l e rf o rt h eh i p s i n t e rt e m p e r a t u r ec o n t r o lb ys i e m e n s $ 7 3 0 0p l c a c h i e v et h e c o n t r o lr e q u i r e m e n to f t h eh i p - s i n t e r k e y w o r d s ：h i p s i n t e rs t o v e ，f u z z yp i dp a r a m e t e rs e l f - t u n i n gc o n t r o la r i t h m e t i c , p l c i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：绷艰签字日期：，1 年r 月；j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权 重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：岔掌缘液 签字日期：刁年，月号1 日 跏签名：抓钉 签字日期：酶乡月年日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 l 绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 工业控制自动化技术的发展 工业自动化控制技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技 术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、 提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、 硬件和系统三大部分。工业控制自动化技术作为2 0 世纪现代制造领域中最重要的 技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。虽然自动化系统本身并不直接创造 效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。 工业自动化控制系统主要包含三个层次，从下往上依次是基础自动化、过程 自动化和管理自动化，其核心是基础自动化和过程自动化。在传统的工业控制自 动化系统中，基础自动化部分基本被p l c 和d c s 所垄断。 我国工业自动化控制的发展道路，大多是在引进成套设备的同时进行消化吸 收，然后进行二次开发和应用。目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有 了很大的发展，我国工业计算机系统行业已经形成。工业控制自动化技术正在向 智能化、网络化和集成化方向发展。 目前，综合自动化系统仍是工业自动化控制行业的发展方向，过程工业自动 化在9 0 年代以前自动化孤岛模式。进入9 0 年代，国内外企业在国际市场激烈竞 争下，特别地，过程工业还受到环境保护巨大的社会压力。节能降耗，少投入多 产出的高效生产和减少污染的洁净生产成为现代企业的生产模式，企业把提高综 合自动化水平作为挖潜增效、提高竞争能力的重要途径。集常规控制、先进控制、 过程优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的综合自动化成了当前 自动化发展的趋势【i l 。 1 1 2 工业生产过程中的控制算法 工业生产过程作为控制论的重要应用背景领域，以其特有的复杂性推动着控 制论的向前发展，这些复杂性具有如下特点f l j ： 系统的非线性。 对象和环境的不确定性。工业过程的对象一般很难用精确的数学模型描 述，而且随着工况的变化，数学模型也要变化，具有很强的时变性。此外，工业 环境中存在着各种扰动，给过程动态带来很大影响。 实际系统存在各种约束。由于机构、能量、工艺条件以及安全性能方面的 考虑，工业过程中的物理量受到形式多样的约束，使得控制器的控制动作受到限 重庆大学硕士学位论文l 绪论 制。另外，工业过程的现代化过程越来越重视环保、节能，相应地，在实旌控制 策略时应考虑到经济指标。 对控制系统要求的综合性。复杂工业过程的规模日益庞大，生产者已不可 能对全部生产过程参数提出控制要求，转而根据生产要求提出不同指标，并尽可 能综合考虑这些指标的优化，从而构成了在动态不确定性环境下的满意优化问题。 在早期的工业生产中，简单控制由于受到经典控制理论和常规仪表的限制， 难以处理工业过程所存在的复杂性【l 】。尽管在7 0 年代以后，许多生产装置采用了 d c s 系统，但由于当时的理论和技术原因，控制水平仍然停留在单回路p i d 控制、 连锁保护控制等。随着我国经济体制的转变、改革开放的深入，国内的众多工业 生产企业日益感受到国际竞争所带来的压力和挑战。因此，企业提出了高柔性、 高效益的生产要求，上述传统的控制策略已经不能适应新的要求，直到先进控制 理论的出现，才为解决上述问提供了有力手段；现代控制理论和人工智能几十年 的发展为先进控制奠定了应用理论基础，而计算机控制尤其是集散控制系统的普 及与提高，则为先进控制的应用提供了强有力的硬件和软件平台。 传统控制是经典控制和现代控制理论的统称，它们的主要特点是基于模型的 控制。由于被控对象越来越复杂，其复杂性表现为高度的非线性，高噪声干扰、 动态突变性以及分散的传感元件与执行元件，分层和分散的决策机构，多时间尺 度，复杂的信息结构等，这些复杂性都难以用精确的数学模型( 微分方程或差分 方程) 来描述。除了上述复杂性以外，往往还存在某些不确定性，不确定性也难 以用数学方法加以描述。然而，对这样复杂系统的控制性能的要求越来越高，这 样一来，基于精确模型的传统控制就难以解决上述复杂对象的控制问题。在这样 复杂对象的控制问题面前，各种先进的控制算法应运而生。 先进控制算法即各种先进的控制算法，它与传统控制算法相比，最大的优点 在于抛开了控制对象数学模型的束缚。在构思控制算法框图时，不再拘泥于对象 模型。传统控制适于解决线性、时不变等相对简单的控制问题，先进控制算法不 仅能出色的解决这一类控制问题，而且它在处理复杂性不确定性方面的能力远远 高于传统控制，甚至可以说，传统控制在这种高难度，高要求的控制问题面前， 已经丧失了控制能力。目前比较常见的先进控制策略主要有：双重控制及阀位控 制、纯滞后补偿控制、解耦控制、自适应控制、差拍控制、状态反馈控制、多变 量预测控制、推理控制及软测量技术、智能控制等。因此，在工业生产中用先进 控制算法取代常规控制算法成为当今发展潮流。 先进控制的核心内容主要包括以下四部分f 2 】： 数据的采集、处理和软测量技术：利用大量的实时采集的生产过程数据是 先进控制的优势所在；对采集的数据进行滤波处理、误差检测和过程数据有效性检 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 验及数据调理工作，是先进控制应用的重要保障；基于可测量的变量和模型，实时 计算不可测的变量，即软测量技术，是先进控制不可缺少的内容。 多变量动态过程模型辨识技术：获取控制对象的动态数学模型是实施先进 控制的基础。目前以模型为基础的先进控制策略一般都采用工业现场试验的方法 来获取控制模型，当然那些精确并可靠的机理模型和智能模型建立也有望成为有 效的控制模型。 先进控制策略：涉及到的主要控制策略有模型预测控制、推断控制、协调 控制、质量卡边控制、统计过程控制、模糊控制、神经控制、非线性控制和鲁棒 控制。 先进控制的实施：主要包括合理地选择被控的区域；整定常规p i d 控制回路 和先进控制系统；合理限制控制变量的变化量和变化率，以保证控制系统的平稳性 和对不确定因素的鲁棒性；建立友好的先进控制人机界面。 先进控制策略应用于过程控制，必须严格地执行程序流程完成先进控制的工程 化工作。其主要步骤为【2 】：定义目标，将整个企业的目标细化为生产装置的目标、 过程操作单元的目标以及最终主要生产设备的目标：分解目标由上层至最底 层；识别先进控制的适用性：先进控制的效益成本分析，即每个可能的先进 控制算法的效益与可实施该算法的成本进行比较；制定功能标准；先进控制 的实现，先进控制方案确定后，要进行详细的工程设计，包括控制回路连接图、 系统仪表配置一览表、先进控制操作界面等，最终生成工程化和产品化的先进控 制软件；现场调试。 先进控制为本文的中心内容，笔者先对先进控制的发展现状、核心内容及工程 化方法进行简述，并阐明了先进控制的技术优势及所产生的经济效益，为后面的 应用研究做一铺挚。 本课题来源于四川自贡硬质合金有限公司低压烧结炉的研发过程，笔者有幸 亲身经历了控制系统的设计、控制程序的编写以及现场调试过程。烧结炉在控制 角度来讲是一个典型的温度耦合体，具有非线性、大时滞、强耦合、时变性等特 点。因此在此控制对象上实施常规的控制策略是不能达到控制要求的。笔者结合 该厂操作员丰富的现场操作经验，查阅大量文献资料，提出了多种控制方案，最 终找出了一种可行的、最适用于本项目的先进控制策略，结合p l c 可编程控制器， 完成了对低压烧结炉的控制。在项目完成之后，笔者结合这一有限的现场调试经 验，经过后期的文字整理和理论升华，最终形成本论文。 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 2 课题研究的现状及存在的问题。 1 2 1 课题研究的现状 我国的低压烧结炉的研制仍处于发展阶段 3 j ，与国外的相比，还有很大差距。 目前我国生产中使用的低压烧结炉，大多为市场换技术的产物【”。以本文中涉及到 的项目为例，该厂上世纪9 0 年代，从国际知名的加热炉制造商德国a l d 进口一台 当时称得上国际先进水平的低压烧结炉，由于工业自动化技术的不断发展，现在 看来这台烧结炉已经相当落后，主要体现在：采用s 5 系列控制器，其控制性能 不能和s 7 系列相提并论。没有监控界面，操作工不能实时的监控炉内的烧结情 况。温度控制采用模拟p i d 方式，操作工通过手操器对p i d 控制器参数进行设定， 而且控制仪表老化导致控制精度低，并且很难控制高温。每换一种烧结产品， 操作工必须输入该产品的工艺温度曲线。而且，从国# b 6 1 进烧结炉需要大量资金， 该厂的技术人员经过十几年的摸索，掌握了大量的操作经验，结合我国的实际情 况，已经初步具备了独立研发低压烧结炉的能力，然而在控制算法上仍需要改进。 1 2 2 课题研究的意义及存在的问题 本文的研究对象低压烧结炉是生产高性能硬质合金的关键设备之一，经该设 备烧结的硬质合金制品，具有极优良的组织结构，无论是制品的强度，还是产品 的硬度和密度，均有相应的提高，具有性能稳定，生产成本低等优越性。最近几 年，硬质合金市场价格节节上涨，市场对硬质合金提出了更加苛刻的性能要求， 迫使低压烧结炉的控制水平快速发展【4 l 。传统的控制已经不能满足硬质合金的生 产要求，在实际生产中必须采用先进控制算法。 随着硬质合金市场的快速发展，对质量的要求也越来越高，特别是对商品质 的硬质合金产品的需求量将会越来越大。因此，硬质舍金加工业的发展潜力很大， 提高硬质合金品质的重要烧结设备一低压真空烧结炉的自动化水平是发展和改 进的方向之一。以下几个方面是目前存在一些主要问题p j 。 温度控制 在现代工业控制中，纯时滞过程一直被认为是物理系统中最难控制的环节， 由于时滞( 即大滞后) 的影响，反馈信号不能及时地反映输人信号对控制对象的影 响，常产生超调和持续的振荡。研究表明：低压真空烧结炉在是个典型的大滞后 大惯性对象；其次，烧结材料的品种和装炉容量经常改变，相当于对象模型参数 是变化的，组成系统各元件和热电偶、电磁阀等具有一定的非线性，现场干扰大， 所以不易获得该对象的精确数学模型；而且，在烧结过程可分为脱蜡、烧结、热 等静压三个大的阶段，这三个阶段的温区有明显差异的，各温区的热惯性和热电 偶滞后时间相差很大。因此，采用常规单组p i d 参数不可能全面适应上述各种不同 的情况，也不会达到令人满意的温度控制品质。 4 重庆大学硕十学位论文1 绪论 自动化水平 目前国内对低压真空烧结炉自动化控制系统的研究处于起步阶段，技术不够完 善，主要表现在：系统体系尚不成熟，功能不齐全，限制了国内低压真空烧结炉 的自动化水平；烧结过程没有全部实现生产自动化，许多工作还需手动操作完成， 这带来了一些缺点：第一，人为干预太多，致使工艺不稳定，从而影响到产品质 量。第二，控制效果不理想，安全隐患比较大。烧结炉在最后加压烧结阶段，炉 内同时有高温和高压，若出现误操作就会造成比较严重的事故。第三，低压真空 烧结过程时间比较长( 约2 4 ；j 时左右) ，并且操作过程比较繁多，不容易掌握。而且， 企业信息化、工厂无纸化是现代新型生产企业发展方向，对烧结炉生产过程全程 监控、生产记录管理是减少操作人员劳动量和生产成本、提高生产率和实现企业 信息化的重要技术。因此，构建一个高效的自动化控制系统是提高生产效率和产 品质量，改善生产局面的关键。 1 3 本论文的主要内容 利用先进控制算法完成对烧结炉的温度控制是最终的目标。但是，要真正完 成这样一个高精度的系统，对实现的技术和工作量都有很高的要求。希望本文的 研究能给最终的实现寻求一条可行的途径。下面是在研究过程中工作的主要内容： 通过对目前国内外相关领域研究的了解与学习，掌握了大量有关控制算法 在工业控制领域广泛应用的信息以及先进控制的发展和应用情况，并对低压烧结 炉这一目标领域进行了详细的探讨，深入分析了进行本课题研究所具有的重要意 义。 深入现场调研，对低压烧结炉工艺控制进行详尽分析，完成了低压烧结炉 控制系统的硬件设计。在目前烧结炉的控制技术的基础上，提出多种控制方案， 通过比较，最终确立了模糊p i d 自整定算法的控制策略。 在掌握了初步的系统辨识的基础上，通过反复的现场试验，得到烧结炉的 起始段温度响应曲线，并对响应曲线进行分析推敲，利用切线法辨识出烧结炉起 始阶段的数学模型，实验室仿真得到起始段的p i d 参数，在此基础上现场调试整 定。 在烧结炉控制系统硬件结构的基础上，针对烧结炉的控制要求，结合操作 者多年的操作经验，总结出模糊控制规则。完成了模糊p i d 自整定控制器的设计。 在熟悉s 7 3 0 0 p l c 的基础上，结合大量工程化实现技术，将模糊p i d 自整定控制器 进行工程化实现。 现场调试以及经验的总结。在扎实的理论基础上，分析现场调试不理想的 原因，得出解决方案，最后使控制效果达到工艺控制要求。 5 重庆丈学硕士学位论文 i 绪论 因此，本论文的结构安排如下： 第一章：绪论。本章回顾了工业自动化系统的发展以及工业生产中的控制算法 的发展现状，指出在工业生产过程中实施先进控制算法是大势所趋；从而引出本 论文的课题背景，研究意义：并且分析了目前烧结炉控制技术上存在的问题。最 后是本文所做的研究重点和论文的结构安排。 第二章：低压烧结炉的工艺及控制系统硬件设计。本章介绍烧结炉的工艺流程 整理出烧结炉生产过程中的控制要求，分析了烧结炉这一对象在控制角度上的特 殊性。最后完成了烧结炉温度控制的硬件设计。这是本课题中实施先进控制算法 的基础。 第三章：烧结炉温度控制方案。本章首先比较了多种控制方案，最终确立了模 糊p i d 自整定控制算法为本课题中研究的重点。最后提出了整体上的控制方案。 第四章：模糊p i d 自整定控制器的初步设计。本章重点介绍了模糊p i d 自整定 控制的理论基础，提出了进行模糊p i d 自整定控制器设计的步骤，为控制器工程化 实现提供强有力的理论支撑。 第五章：模糊p i d 自整定控制器的详细设计。本章结合s 7 3 0 0 p l c 对控制器进 行工程化实现，通过最终的现场调试结果验证了控制策略的正确性。 第六章：总结与展望。本章对全篇论文的研究进行了总结，阐述了论文研究 方法和研究结果的意义，并证明了这种方法在烧结炉控制中具有推广价值。 6 重庆大学硕士学位论文2 低压真空烧结的t 艺及控制系统硬件设计 2 低压烧结炉的工艺及控制系统硬件设计 为了完成控制任务，首先必须深入现场调研，对硬质合金的工艺流程、工艺 特点有一个深入的了解，在充分吸收消化工艺过程的基础上，才能总结出控制特 点及控制要求，然后设计出控制系统的硬件构成，最终确定控制方案。 2 1 硬质合金烧结成型原理 2 1 1 脱蜡 脱蜡是真空烧结之前所必需的一道工序，其目的在于从压坏中排除作为成形 剂加入的石蜡，以防烧结时因成形剂挥发造成真空系统污染，使真空度不稳定， 并防止合金增碳。此外，脱蜡过程还可使压坯中部分氧化物得到还原，从而使压 坯中氧含量降低，进一步改善合金的性能。脱蜡可以在真空中或氢气或惰性气体 ( 氩气) 保护气氛中进行。在这一阶段中烧结体发生如下变化：第一，成形剂的脱 除。烧结初期随着温度的升高，成形剂逐渐热裂( 如橡胶) 或汽化( 如石蜡 并排除出 烧结体，与此同时，成形剂或多或少会使烧结体增碳；第二，粉末颗粒相互之间 的状态发生变化。在这个温度下，粉末颗粒间的接触应力逐渐消除，粘结金属粉 末开始产生回复和再结晶，颗粒开始表面扩散，压坯强度有所提高【6 】。 2 1 2 真空烧结 硬质合金的烧结过程属于液相烧结。所谓真空烧结，就是在负压的气体介质 中烧结压制的过程。其整个烧结过程大体可分为三大阶段。 第一阶段即低温烧结阶段，通常称谓为预烧结阶段。此阶段的温度区间大约 在8 0 0 1 2 以前，在这个阶段中，随着温度的升高，烧结体内成形剂逐渐被排除， 粉末颗粒表面氧化膜逐渐被还原，粉末颗粒之间的接触应力逐渐消除。起初，当 温度达到约3 0 0 时，粘结金属开始表面扩散，并随着温度的升高而逐渐加速， 从而导致粘结金属粉末颗粒之间的接触区域产生某些“焊接”，而彼此接触的碳 化物颗粒之间亦产生很微弱的连接。 第二阶段即固相烧结阶段。其温度在8 0 0 到共晶温度之间。所谓共晶温度是 指缓慢升温故而知新时，烧结体中开始出现共晶液相的温度，对于w c c o 合金， 在平衡烧结时的共晶温度为了1 3 4 0 。 第三阶段即液相烧结阶段。固相烧结阶段结束后，随着温度的继续升高，粘 结相基体晶格原子的活动能力增大到晶格结合力控制不住的程序，便开始形成液 相。液相烧结阶段的温度在共晶温度到烧结温度之问。在此阶段，烧结体内粘性 流动加强，孔隙被液相填满，收缩过程强烈进行，并在短时间内迅速完成，碳化 7 重庆大学硕士学位论文 2 低压真空烧结的工艺及控制系统硬件设计 物晶粒长大并形成骨架，从而奠定了合金的基本组织结构【6 】。 2 1 3 低压热等静压处理 真空烧结后产品内部会有少量孔隙和缺陷，而热等静压是硬质合金致密化最 先进技术，可以将产品内部的残余孔隙几乎完全消除，密度可同原来的9 9 8 密 度提高到9 9 9 9 9 理论密度，大大提高了制品的性能和寿命。低压热等静压的机 理是：压坯在烧结温度下进行真空烧结一段时间后，接着在同炉中通入高压惰性 气体，并保温保压一定的时问。在加压过程中，烧结体内部粉粒开始进行粒子靠 近及重排，当压力继续升高时，粉末体承受的压应力超过其屈服切应力时，粒子 将以滑移的方式产生塑性变形，在这种切变塑性变形中，一部分粉末原予团被挤 入邻近的孔隙中，便得孔隙不断被挤入物质所充填，孔隙体积逐渐变小，孔隙总 数也大量减少，粉末体的密度显著增大。随着压力增大，粉末粒子发生大量塑性 流动后，粉末体的相对密度迅速接近理论密度值。这时粉末粒子基本连成一片整 体，残留的气孔已不再相互连通，而是弥散颁布在粉末基体之中，好象悬浮在固 体介质内的气泡。这些气开始是以不规则的狭长形态的存在，但在表面张力作用 下，将球化而成圆形。残存气孔在球化过程中其所占体积份额也将不断减小。粒 子间的接触面积增大到如此程度，使得粉体承受的有效压应力不再超过其临界切 应力，这时以大量原子团滑移而产生塑性形迹的机制将不再起主要作用，致密化 过程主要依靠单个原子或空穴的扩散蠕变来完成，因此整个粉末的致密化速率缓 慢下来，最后趋近最大终端密度值p j 。 2 2 低压烧结炉过程的工艺控制 2 2 1 工艺过程 低压真空烧结又称烧结热等静压( s i n t e rh o ti s o s t a t i cp r e s s i n g ) ，是在低于常规 热等静压的压力( 大约6m p a ) 下对工件同时进行热等静压和烧结的工艺。它将产 品的成型剂脱除、烧结和热等静压合并在同一设备中进行，即将工件装入低压真 空烧结炉，在较低温度下低压载气( 如氩气等) 脱蜡后，在1 3 5 0 1 4 5 0 0 c 进行真空 烧结一段时间，接着在同一炉内进行热等静压，采用氩气作为压力介质，压制压 力为6m p a 左右，再保温一定时间，然后进行冷却【7 】。硬质合金在高温时很容易 被氧化，所以在高温阶段必须保证炉内无空气。烧结炉的工艺过程示意图如下所 示： 8 重庆大学硕七学位论文 2 低压真空烧结的丁艺及控制系统硬件设计 图2 1 低压烧结炉工艺过程示意图 f i g2 1t h ep r o c e s so f h d s i n t e r 结合硬质合金成型原理，在本项目中工艺主要分为以下几个步骤： 脱蜡阶段，把合金装入炉体后，为了防止合金在高温时氧化，首先必须把 炉体内部保持真空状态，在真空的前提下，将炉内温度逐步升高，合金成型剂石 蜡随着温度的升高慢慢挥发出来，蜡蒸汽顺着管道进入捕蜡器，捕蜡器中的温度 低于蜡的沸点，蜡蒸汽在此冷却成固态。 真空烧结，脱蜡结束后，温度继续上升至工艺要求。 加压烧结，真空烧结完成后，通入a r 气，使炉内压力达到6 m p a 左右， 保温保压一段时间。 冷却阶段，加压烧结完成后，炉体内自然冷却至5 0 0 以下。 2 2 2 工艺温度曲线 脱蜡温度和升温速度 脱蜡温度是影响脱蜡过程的最主要因素。脱蜡温度就根据石蜡汽化温度不同 有所不同，而石蜡的汽化温度则取决于石蜡的成分。石蜡是一种混合物，它由一 系列的饱和烷烃所构成，这些烷烃中，所含碳原子数，大多数在2 0 至3 0 之间。 9 重庆大学硕+ 学位论文2 低压真空烧结的工艺及控制系统硬件设计 常用石蜡，尤以碳原子数在2 5 左右为主。随着碳原子数由小到大，其熔点和沸点 也随之增高。因此，石蜡没有固定的熔点和沸点。温度升高，不同碳原子数的烷 烃成分将依序陆续转化为蒸汽。在过高的温度( 大约在4 5 0 * ( 2 ) 下，烷烃将会裂解而 沉积碳，尤其是在钴的周围，裂解更为严重。在常压下，石蜡中的各种烷烃的沸 点，均已接近其裂解温度。为了控制硬质合金产品中的碳含量，需要在低于其沸 点的温度下脱除石蜡，例如3 0 0 或更低。 升温速度对脱蜡过程的影响仅次于脱蜡温度的影响。升温速度愈快，石蜡在 可能气化( 或裂化) 的较低的温度下气化( 或裂化) 的相对数量就愈少，因而需要到更 高的温度才能排尽。这样，碳氢化合物气体愈多可供分解的也愈多，使压坯增碳 也愈多；反之，升温速度愈慢，碳氢化合物气体分解愈少，甚至可能不分解。由 此可见，适当的减缓升温速度，可使裂化倾向降低，压坯的增碳也就减小，同时， 在脱蜡过程中，石蜡首先从压坯表面开始挥发，压坯内部的石蜡逐渐向表面扩散， 此过程一直持续到压坯中石蜡脱完为止，如果升温过快，造成压坯内成形剂急剧 变化，或由于真空系统不畅通时，使炉内碳氢化合物气体浓度增高，而且这种气 体则沿着压坯的棱边和薄弱部位涌入压坯中共分解出碳，使粉末颗粒之间的结合 遭到破坏，从而导致压坯出现裂纹和爆裂现象。因此，从各方面来讲，升温速度 不宜过快。 烧结温度和升温速度 烧结温度对烧结过程起着重大的作用，是合金获得所要求性能的重要的条 件。如果烧结温度过高会产生过烧现象，此时碳化物晶粒过分长大，影响产品性 能，严重时甚至会导致液态金属析出，造成废品；如果烧结温度过低，致密化过 程进行 导不充分，烧结体收缩不够，严重时甚至不出现液相( 处于固相烧结阶段) ， 使烧结体不能充分合金化造成欠烧。生产实践表明，对于不同的合金，其烧结温 度偏差波动范围有所差异。 升温速度也是影响合金烧结过程的重要因素之一。在烧结过程中，为了使烧 结体受热均匀，降低其内外温差，以使其收缩均匀，升温速度不宜太快，而且较 慢的升温有利于烧结体内氧化物充分还原，并及时排除。如果升温速度过快，会 造成烧结体受热不均，内外温差过大，制品表面提前烧结，形成致密层，使内部 的气体难以排除，阻碍收缩。当收缩继续进行时( 收缩的驱动力所弓l 起) ，由于气 体压缩而产生圈套的膨胀力而导致烧结鼓泡或开裂。 因此，在整个工艺过程中，影响产品质量的最重要的一个因素就是升温曲线， 在生产过程中产品温度必须严格按照预先工艺设定好的升温曲线升温，否则将严 重影响到产品的质量，甚至导致产品报废，造成巨大的经济损失。而不同的产品 对温度的要求不一样，例如：有些产品在2 0 0 3 5 0 温度之间分5 段脱蜡，有些 1 0 重庆大学硕十学位论文2 低压真空烧结的丁艺及控制系统硬件设计 产品在2 5 0 , - - 4 5 0 c 温度之间分6 段脱蜡。因此，在设计控制系统时必须考虑工艺 温度曲线的设定问题。 下图是某种产品的工艺的升温曲线示意图： 蜊 赠 时间 图2 2 工艺温度曲线 f i g2 2p r o c e s st e m p e r a t u r ea h v e 乇到是升温起始阶段，从冷炉开始往上升温，考虑到此时炉子惯性比较大， 升温速度比较慢，升温到2 0 0 左右，加大升温速度，f 至1 t 7 为脱蜡阶段，此时 石蜡开始挥发成石蜡蒸汽，顺着脱蜡管道进入捕蜡器冷却成固态石蜡。f ，到，f | 到t 5 ，f 6 至i t 7 阶段保温一段时间，使传热更加均匀，有效的保证石蜡挥发完毕。f 7 到。为真空烧结阶段，。到，为加压烧结阶段，烧结完毕，停止升温，自然冷 却至室温。 2 3 被控对象 低压真空烧结炉机械结构由炉体、脱蜡系统、真空系统、电控系统、气控系 统、高压系统、液压系统、冷热水供给系统所组成。炉体部分作为本课题研究的 加热场，其结构如下图所示，由带夹套的耐高温高压的不锈钢外壳、工作内胆( 烧 结料盒) 、石墨加热体、保温层、热电偶、三个电极、带滚轮的导轨组成2 4 1 。 重庆大学硕十学位论文 2 低压真空烧结的丁艺及控制系统硬件设计 1 一带夹套的炉壳；2 一保温层；3 一加热元件；4 一内胆；5 一平衡阀： 6 一排蜡管；7 一冷却器；8 一炉门；9 一抽真空管：1 0 一电极 图2 3 低压真空烧结炉炉体结构 f i 9 2 3t h ef u r n a c es t r u c t u r eo f h i p s i n t e rf u r n a c e 将控制对象简化成图2 5 ，如图所示。 燕电鹤 热电鹤 盏电儡 图2 4 控制对象简化图 f i 9 2 4t h ep r e d i g e s tc h a r to f c o n t r o l l e do b j e c t 1 2 妒体夫垂 破毡 盘结童 重庆大学硕士学位论文2 低压真空烧结的t 艺及控制系统硬件设计 烧结盒的尺寸为1 5 0 0m mx 5 0 0m m 5 6 0t o n i ，为了保证炉内温度的均匀性， 炉体加热体选用三根石墨，分布在炉内的左、底、右侧，设计三个可控硅调压器 改变石墨两端的电压；在炉内安放三支热电偶，分别测量炉体左、底、右三个区 域的温度。在加热体外围放置了一层隔热碳毡，另外，在炉体夹套内通入工业循 环用水对炉壁冷却。 2 4 低压烧结炉控制系统的硬件设计 硬件设计上考虑采用三个回路分别控制三个石墨的电压，因此p l c 中调用三个 单回路完成控制任务，参考集散控制系统拓扑结构9 1 ，下位机s 7 3 0 0 j 恿过 p r o f i b u s d p 现场总线与分布式u o 模块e t 2 0 0 通信以扩展系统容量：工控机、触 摸屏和p l c 之间采用m p i 网络进行通信。其控制系统网络拓朴结构如图3 1 所示 图2 5 控制系统网络拓朴结构图 f i 9 2 5t h en e t w o r ks 仇i c n i f eo f t h ec o n t r o ls y s t e m 每个控制回路的温度计算机控制系统构成图如下【2 3 】： 1 3 重庆大学硕士= 学位论文2 低压真空烧结的t 艺及控制系统硬件设计 石 图2 6 测试法建模系统框图 f i 9 2 6s y s t e mc h a l to f e x p e r i m e n tm o d e l i n g 由于炉内温度最高升至1 6 0 0 c ，热电阻已经不能满足工艺要求，所以选用热电 偶测温，本项目中的热电偶选用德国进口设备，保证了一定的精度。控制器p l c 采 用s i e m e n ss 73 0 0c p u 3 1 5 2 d p 。可控硅调节器输入信号为4 2 0 m a ，输出信号为 线性比例的o v 2 0 v 2 7 1 。 p l c 控制器【1 0 】是这套控制系统的核心，p l c 采集热电偶反馈的温度，然后与设定 的温度比较，根据预先编制好的控制算法进行计算，控制调压器的输出( 4 2 0 m a ) ， 从而控制炉体温度【2 ”。由于机械结构上没有配备的冷却系统，因此在实施控制时， 超调量将是一个很重要的指标，一旦超调，冷却过程只能依靠自然冷却，而实验 经验说明烧结炉的冷却过程十分缓慢，所以在整个工艺过程出现超调情况是绝对 不允许的。 2 5 本章小结 本章得出了烧结炉工艺过程中的控制要求，根据控制要求，初步分析了可行的 控制方案，并且完成了控制系统的硬件设计，为以后进行的研究工作奠定了扎实 的基础。 1 4 重庆大学硕士学位论文3 烧结炉温度控制方案 3 烧结炉温度控制方案 上一章分析了控制对象的特性，提出了控制系统的硬件构成图，并提出了控 制方案的初步构想。本章将比较各种控制方案，选择出合适的控制方案，并提出 控制算法的整体结构框图。 3 1 烧结炉温度控制方案 根据不同的工艺要求，烧结炉的温度一般在5 0 0 1 6 0 0 范围之内，要求烧结炉 加热温度从室温升到规定温度后长期( 几十小时，甚至上百小时，上千小时) 稳定 在规定温度范围内，其温差要求最好不超过2 。这就对自动控制提出了较高的要 求【2 6 1 。随着控制理论和控制技术的发展，目前烧结炉温度有以下几种控制方案1 ： 常规p i d 控制方案，又分为两种。第一种为模拟p i d 控制方案：采用这种方 案，每个炉子要用p i d 仪表构成闭环控制，如果炉子比较多，所需p i d 仪表的数量 也成倍数的增长，相应的成本也将随之增加，并且这种仪表调节不方便，升温过 程缓慢，且难以保证温度控制精度。目前国内的控制有些仍沿用此方法。第二种 为数字p i d 控制方案：使用p i d 算法，具有算法简单、参数调整方便，并有一定的 控制精度的特点，是当前最为普遍采用的控制算法。这种方法也有其局限性：p i d 算法只有在系统模型参数为非时变的情况下才能获得理想的效果，当一个调好参 数的p i d 控制器被应用到模型参数时变的系统时，系统的性能会变差。针对这些