热处理生产过程控制系统的开发与应用

热处理生产过程控制系统的开发与应用张立文,赵亮,张全忠,王明伟,裴继斌大连理工大学材料科学与工程系,辽宁大连116024摘要介绍了利用VISUALC610和SQLSERVER2000为软件开发工具、WINDOWS2000ADVANCEDSERVER为软件开发平台开发的一套热处理生产过程控制系统,它包括以下4个模块热处理工艺库管理模块,实现热处理工艺规程的计算机辅助设计,并可对新材料进行数值模拟,从而优化工艺热处理过程控制模块,实现生产过程的高精度控制设备管理模块和系统维护模块,实现设备、仪表、备件等的维修维护记录管理。并且较详细地论述了各模块功能的实现。该系统通过测试运行,达到预先的设计要求。关键词热处理生产过程控制系统中图分类号TH186TG156文献标识码A文章编号02542605120060220075204DEVELOPMENTANDAPPLICATIONOFCONTROLSYSTEMFORHEATTREATMENTPRODUCTIONPROCESSZHANGLI2WEN,ZHAOLIANG,ZHANGQUAN2ZHONG,WANGMING2WEI,PEIJI2BINDEPARTMENTOFMATERIALENGINEERING,DALIANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY,DALIANLIAONING116024,CHINAABSTRACTASETOFCONTROLSYSTEMOFHEATTREATMENTPRODUCTIONPROCESSWHICHBASEDONVISUALC610ANDSQLSERVER2000,ANDWINDOWS2000ADVANCEDSERVERASAPLATFORMFORTHESOFTWAREEXPLORATION,WASPRESENTEDTOCOUNTERTHEPROB2LEMSOCCURINTHEPRODUCTIONOFHEATTREATMENTFACTORY1THISSYSTEMHASFUNCTIONSASFOLLOWED1HEATTREATMENTTECHNOLOGYEXPERTSYSTEM,WHICHREALIZETHECOMPUTERAIDEDDESIGNFORHEATTREATMENTTECHNOLOGYWITHTHEFUNCTIONOFNUMERICALSIMU2LATIONTOOPTIMIZETHETECHNOLOGY1HEATTREATMENTPROCESSCONTROLSYSTEM,REALIZETHEHIGHPRECISIONDURINGTHECOURSEOFHEATTREATMENT1RECORDOFEQUIPMENTANDDEVICEMAINTENANCESYSTEM,REALIZETHEMANAGEMENTFORALLTHERECORDERSOFE2QUIPMENTANDDEVICEANDACCESSORIES1MAJORHARDWARECHARACTERISTICSANDREALIZATIONSTYLEOFEACHMODULEWEREDISCUSSEDINDETAIL1THROUGHOPERATIONTEST,THESYSTEMACHIEVEDTHEDESIGNREQUIREMENTS1KEYWORDSHEATTREATMENTPRODUCTIONPROCESSCONTROLSYSTEM作者简介张立文1962108,男,吉林德惠人,教授,工学博士,博士生导师,主要从事材料固态加工及热处理过程数值模拟及工艺优化研究,发表论文70余篇,获专利两项。联系电话0411284706087E2MAILCOMMATSTUDENT1DLUT1EDU1CN收稿日期2005208206热处理生产过程是零件在热处理各生产工序之间传递过程,是改善金属零件内部组织,提高性能并增加零件附加经济价值的过程。由于其输出结果不能直接检验,往往只能通过对工艺参数的测定来推断,或者在后续的检验中需经代价昂贵的破坏性试验才能认定,因此要保证热处理质量,仅仅依靠生产结束后再进行质量检验的方法是不够的,必须把全面质量管理的思想引入热处理生产过程中。在科技飞速发展的今天,计算机技术的应用已经深入到工厂企业的各个领域,通过计算机进行热处理生产管理能够克服以往工作程序中的许多问题。同时也有助于企业数据信息的集成,促使生产管理工作标准化、规范化、科学化1。目前,热处理车间生产和管理中存在多种问题,包括工艺管理混乱,重复多,制订时随意性大,缺乏最新的资料做指导控温设备落后,精度低,经常出现跑温现象,记录文件命名、管理不科学,导致产品质量的可追溯性差设备维护维修缺少记录,不能使设备一直保持在良好的工作状态中,不能对有可能出现问题的零部件进行及时检修,更换。针对这些问题,作者以生产过程控制为重点,将工艺管理、设备管理、技术资料管理、记录管理的无缝整合为目标,利用计算机开发了一套热处理生产过程控制系统,即把影响热处理质量的设备、工艺、生产等各种因素都控制起来,实现了生产过程的自动化,提高了现代化生产水平。1系统的总体设计热处理炉生产过程控制系统信息量较大、涉及环节多,根据系统功能需求,将生产过程控制系统分成4个主要模块2热处理工艺库管理模块根据待处理工件的基本情况和处理要求,查询数据库中相关知识,进行热处理工艺优化设计,确定工艺规程,生成工艺文件热处理过程控制模块记录热处理过程,生成工艺过程记录文件设备管理模块,对设备的维护维修和备件的使用情况进行记录和管理系统维护57金属热处理2006年第31卷第2期19942006CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET模块本系统实行密码分级管理,避免因为误操作引起生产事故。高级用户可对数据库中的知识、记录进行编辑修改等操作,从而使制订的工艺规程实用性越来越强。整个系统采用模块化设计,系统的实现结构如图1所示。图1热处理生产过程控制系统总体结构图FIG11GENERALSTRUCTUREOFTHECONTROLSYSTEMFORHEATTREATMENTPRODUCTIONPROCESS本系统的核心部分,是热处理过程控制模块,上位机研华IPC2610测量并保存各测控点的实时温度数据,显示工艺设定曲线和控温调节记录曲线,并可进行实时打印。公司管理层可通过数据库服务器了解实时生产进度,并及时调整生产计划。同时数据库服务器与INTERNET连接,使客户在线了解自己的热处理工件的工作进度和处理质量状况,便于沟通和及时处理出现的问题。2系统的软件设计该控制系统在WINDOWS2000ADVANCEDSERVER操作平台上实现,考虑到要与数据库进行连接,这里利用VISUALC610编制前台处理程序,又因为本系统对数据要求较高的安全性可靠性及同时访问的用户不会太多,因此选用技术成熟的SQLSERVER2000数据库网络版作为后台数据库支持。另选用AUTOCAD2000作为辅助工具进行工件的图形记录制作OFFICE2000提供输出打印的模板MSC1MARC2000进行关键件或大型件的数值模拟分析。根据系统的总体设计,下面对4个主要模块具体介绍如下211热处理工艺库管理模块长期以来,工厂里都是由技术员手工制定热处理工艺。这不仅浪费了人力、物力,而且对于缺乏热处理经验的生产者还可能制订出不恰当的热处理方案,从而造成生产上的损失。基于上述原因,有必要将数据库技术和专家系统的思想引入工艺规程的制订中。系统的知识库包括如下几个数据库1常规工艺库一些热处理分厂,常年加工的都是从上游分厂来的,较固定的某些种类的零件,在这种情况下,只要调出曾经使用过,并且质量信息反馈良好的工艺规程,可以直接使用。为此,先将现有工艺规程名称按照一定的命名规则规范化,便于通过几个关键字进行查找,比如能体现炉号、材料牌号、工艺名称等信息要素的命名方法,如“1号炉CRWMN加热2待淬火1CRE”,并对历史记录进行整理,剔除陈旧、重复的之后录入该数据库。作为在制订工艺规程时候,首要查询的数据库。2热处理工艺数据库如果是专业热处理厂,处理的多是外协件,种类比较繁杂,则可通过查询本库,来制订工艺规程。根据来料单上的材料牌号和热处理要求,可计算出保温温度,确定冷却方式和冷却介质根据炉子种类、工件重量、最大截面积、有效厚度、装炉条件等可计算出升温速率、保温时间、最佳冷却速率等。在技术人员调整确认后,即完成工艺规程的制订。3金属材料数据库在制订工艺过程中,技术员有可能碰到国内外牌号的材料,或是想查询某种材料的化学成分、相变临界点、物理性能、力学性能、常规用途、热处理工艺方法等,则可查询本库,它就象电子辞典,可以快捷准确的提供相关信息。对于特殊的情况,如大型工件或形状复杂件,仅仅通过查找各数据库并不能得到合理的工艺规程,或试验性热处理后检验发现存在一些现有工艺规程解决不了的质量问题,则可以启用外挂的大型数值模拟商用软件MSC1MARC2000,进行模拟与优化,确定新的工艺规程,以保证热处理质量。在实际操作过程中,生成工艺规程的推理过程如图2所示。图2工艺规程设计推理过程示意图FIG12DIAGRAMOFREASONINGPROCESSOFTECHNOLOGYDESIGNING计算机根据技术人员输入优先从常规工艺库中查询,如果没有找到匹配项,则查找热处理工艺数据库相67金属热处理2006年第31卷第2期19942006CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET关知识,或利用MSC1MARC2000模拟优化工艺规程,并根据金属材料数据库进行对比适当修改参数,确定工艺规程,生成打印工艺卡片,绘制工艺曲线,从而实现工艺曲线图形化管理。212热处理过程控制模块目前较先进的温度检测与控制系统是以单片机为核心的智能温度控制装置,与手控式和电子式温度控制相比有很多优点,比如高集成度、高可靠性、无超调、高控制精度、编程灵活、通用性好等。该模块把高精度人工智能调节仪表和集散控制的思想应用于热处理炉的温度检测和控制3,从硬件特性和软件设计两个方面来确保热处理过程的准确无误,实现了自动化、实时化和智能化的微机检测与控制。同时将记录文件保存在数据库中,以加强质量跟踪及责任管理。该模块硬件部分由一台服务器、一台上位机、一台打印机、一个RS232/485转换器、多台下位机组成。上位机与下位机以串行通信方式相互传送信息。下位机根据设定的工艺参数及热电偶测量的温度值反馈形成闭环控制,调节热处理炉的输出功率,同时将温度数据传送到上位机,并由上位机批量传送到数据库服务器。1硬件特点上位机采用研华IPC2610型工控机,其特点是具有很强的抗干扰能力,系统可靠性高,带有正压防尘风冷系统,能在恶劣环境中可靠地工作。它还有自恢复功能,当软件故障,CPU陷入死循环或其它原因造成死机时,在5S内即可自行启动。组成配置如下PIII933CPU,256M内存,40G硬盘,15IN彩显。下位机采用宇电808P型AI人工智能工业调节器,其最快响应速度小于011S,测控精度高650以上时控温精度可达012015,它的特点是具有自整定、自适应功能,控制算法选用了无超调、无欠调的专用控温算法和AI人工智能控制算法仪表具有超量限、上限、下限、正偏差或负偏差等多种报警功能仪表具有故障自检功能,根据故障代码,可及时查出故障,修复使用。2上下位机之间的通讯原理为了使上下位机的串行通信数据准确可靠,采用异步串行通讯接口,它具有16位的求和校正码,支持多种波特率。上位机发送的读命令包含起始位、表地址、参数代号、参数值、校验位,通过RS232/485转换器根据地址选通对应的下位机,下位机根据发送的指令进行校验,然后再与命令中的数据校验位进行比较,当校验位相同时,表示握手成功,下位机再根据传送来的指令向上位机发送温度数据,否则发送通信出错信息。这样就保证上下位机通信的严格正确。3生产控制的具体实现采集温度数据过程的流程图如图3所示。上位机对下位机采用分时循环监控的工作方式,利用消息响应机制,尽量缩短采集每台下位机温度数据耗时,以保证数据采集和显示的及时性,避免生产事故,也可根据需要自行设定采集频率。采集来的温度数据以设定时间间隔定时存入各自的温度记录文件,文件名可自己填写,也可采用软件自动命名的方式,其中包含工艺开始时间、炉号、炉名、工件名、工艺名、批次号等重要信息,便于用户在数据库中查找,如“2004年12月13日14时1号炉CRWMN加热2待淬火021DAT”,并以图形方式实时地显示在屏幕上。有多种显示效果供选择,比如图线颜色,宽度,网格,与相应的工艺曲线对比等,并可根据需要实时打印。为加强对事故责任管理,报警记录随温度数据一起存储到文件中,以便日后查阅。图3采集温度数据的流程图FIG13FLOWCHARTOFCOLLECTINGTEMPERATUREDATA该模块根据每台热处理炉控温区的多少配置AI仪表,各区实行单独控制。所有控制都具有手动/自动转换方式,互为备用,互为闭锁。并能在闭环控制中,实现无扰动切换。生产时,根据技术人员之前确定的时间、温度等各个工艺参数,从上位机通过串口一次性写入下位机。生产过程中自动计时,连续控制。为便于管理,上位机采用分页方式管理,每页管理8台下位机,单击进入相应的下位机页面。77金属热处理2006年第31卷第2期19942006CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET图4是某模具钢4在热处理过程中的一个截图。界面最上方是常用按钮,分别是打开工艺曲线、记录保存、开始、结束等。界面主体分两栏,左侧包括11个按钮,用于控制测控过程和意外处理,因为正在热处理过程中,为避免误操作,只有“停止”是可用的。同时提供有大量实时信息,包括热处理名称、炉号、表型、即时温度、执行段号、本段处理剩余时间、输出功率即时值等。右侧折线为之前制订的工艺曲线,与加工中即时温度的记录曲线符合程度很好。图4系统运行主界面FIG14MAININTERFACEOFTHESYSTEMPROCESSING213设备管理模块加工设备的质量控制和计量器具的测量精度控制,是贯彻工艺规程,确保产品质量,稳定生产,提高经济效益不可缺少的重要保证。因此除在投入使用前,进行严格的调试外,还应该根据情况做定期的校核和维修。该模块由3个子模块构成设备档案管理子模块主要实现对设备资产编号、设备名称、生产厂家、出厂编号、设备技术参数、及日期、价值、安装日期、设备的折旧方法等基本信息的管理5。设备维护维修管理子模块根据热处理设备特点,实现对热电偶、AI表等仪器仪表、计量器具以及热处理介质等有计划地进行定检,对检验时间、误差值、校验人等进行记录和管理,提高设备保障能力,加强对热处理生产过程的精确控制,从而稳定提高热处理生产质量。对发生故障的设备编号、故障发生日期、故障原因、维修人员、验收结果等进行记录和管理。为成本核算和统计分析模块统计设备的利用率,故障率和完好率等提供原始资料,也为设备更新、大修、改造提供原始依据。备件管理子模块实现对设备的备件名称、型号、生产厂家,价格、数量、库存量、领用人员等信息进行管理,并可对库存数量设置预警提示。对关键性备件,领用出库时提示进行复检,以免错用不合格的备件而造成质量事故对于非标的自制零件,挂接AUTOCAD2000进行工件造型和图纸管理。214系统维护模块实现用户权限管理和用户名、密码的修改、注册以及数据备份,管理等。将系统分为4级权限进行管理。一级权限为所有能登陆系统的默认级别,可由系统管理员设定其操作权限,默认能以只读方式查询数据库中各相关信息项二级权限为现场操作员掌握,用于热处理生产过程的控制,可进行下位机部分参数的设定,比如保温温度,保温时间,还可以进行实时生产数据监控等操作三级密码为车间技术员掌握,可以更改下位机的一般参数设定,如运行状态定义、参数修改级别定义、报警输出定义,更新知识库等四级密码