專利名稱：氣體多元共滲控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型與氮化、氮碳共滲、滲碳與碳氮共滲爐的氣氛與溫度控制系統(tǒng)有關(guān)。
背景技術(shù)：
已有的氮化與氮碳共滲爐的氮化與氮碳共滲氣氛工控機(jī)控制系統(tǒng)，采用的傳感器是氣體成分紅外分析儀或?qū)鋬x，執(zhí)行器是伺服電機(jī)或電磁閥，采出的信號(hào)一般是與單板機(jī)或工控機(jī)連接再轉(zhuǎn)換，存在的問題是對(duì)氮碳共滲等工藝難于有效進(jìn)行氣氛控制儲(chǔ)原因是采用CO2氣體要有碳酸鹽的析出對(duì)傳感器的污染使其失效，同時(shí)存在記錄功能都較差界面不友好等問題。
實(shí)用新型的內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種功能多樣，成本低廉，使用壽命長(zhǎng)，界面友好，可有效實(shí)現(xiàn)氣體多元共滲控制系統(tǒng)。
本實(shí)用新型的另一個(gè)目的是提供一種可脫離工控機(jī)，采用儀表進(jìn)行氣體多元共滲控制系統(tǒng)。
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型氣體多元共滲控制系統(tǒng)，由溫度控制裝置、主加氣體控制裝置和添加劑控制裝置組成。溫度控制裝置有智能表1的輸入與熱電偶2連接，智能表1的輸出與固態(tài)繼電器3連接，固態(tài)繼電器3串連于加熱爐絲與電源之間，智能表1與工控機(jī)4連接。主加氣體控制裝置有氣瓶5通過串連接的電動(dòng)閥6、渦接傳感器7或?qū)鋬x與共滲爐進(jìn)氣管18連接，渦接傳感器7或?qū)鋬x的輸出依次通過積算儀8、執(zhí)行器9和手操器10與電動(dòng)閥6的控制端連接，執(zhí)行器9與工控機(jī)4連接，添加劑控制裝置的添加劑輸送氣泵11通過電動(dòng)閥12與多元共滲劑氣體發(fā)生裝置13的進(jìn)氣管連接，多元共滲劑氣體發(fā)生裝置13的輸氣管一路與共滲爐的進(jìn)氣管18連接，另一路依次通過渦接傳感器14或?qū)鋬x、積算儀15、執(zhí)行器16、手操器17與氣泵11控制端連接，執(zhí)行器16與工控機(jī)4連接，共滲爐的廢氣輸出通過傳感器19，傳感器19的輸出與工控機(jī)4連接。
共滲爐工作室兩側(cè)各有偶數(shù)支電熱幅射管，按工作室前后兩部分組合成兩組，每組按2支電熱幅射管串聯(lián)組合成星形，通過固態(tài)繼電器3與三相380伏電源連接。
智能表1為PID智能調(diào)節(jié)器，固態(tài)繼電器3為SSR，工控機(jī)4為4U研華型工控機(jī)，積算儀為SWP-LK90型，執(zhí)行器為SR93，手操器為SWP-D90型，渦接傳感器為DBLU型，電動(dòng)閥為DY25型，氣泵為AC806。多元共滲劑氣體發(fā)生裝置由罐殼21、罐膽22、密封蓋23、電加熱器24、進(jìn)氣管25、輸氣管29組成，罐殼與罐膽的間隙敷設(shè)電加熱器24，進(jìn)氣管25一端位于罐膽內(nèi)液面以下位置，另一端與進(jìn)氣閥26連接，上部輸氣管與共滲爐相聯(lián)，罐體上的注水口33和排水閥32與罐膽和罐殼的間隙相通。
本實(shí)用新型采用工控機(jī)控制，記錄和工藝存儲(chǔ)功能強(qiáng)，界面友好而造價(jià)低，利用“多元共滲劑氣體發(fā)生裝置”配合數(shù)學(xué)模型解決了傳感器污染問題，實(shí)現(xiàn)了軟氮化、氮化、碳氮共滲、滲碳及氣體多元共滲中的氣氛控制。
本實(shí)用新型具有儀表控制的功能，萬一工控機(jī)出現(xiàn)故障，可在執(zhí)行器儀表設(shè)定窗口上實(shí)現(xiàn)儀表與工控機(jī)的通訊中斷。這樣儀表就與工控機(jī)脫離，利用積算儀、執(zhí)行器與手操器儀表本身的功能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、氣體的控制、保證生產(chǎn)進(jìn)行。在儀表控制的情況下，只能利用儀表本身功能進(jìn)行控制，不能采用工控機(jī)中的軟件模型進(jìn)行計(jì)算、調(diào)節(jié)、模擬與記錄與控制。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)圖。
圖2為電熱幅射管接線圖。
圖3為溫度控制示意圖。
圖4為氣氛控制示意圖。
圖5為多元共滲劑氣體發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的組成如下1、溫度控制系統(tǒng)(由熱電偶、電器控制柜與工控機(jī)控制柜組成)2、主加氣控制系統(tǒng)(由渦接傳感器、氣瓶、氣體控制柜、工控機(jī)控制柜組成)3、添加劑控制系統(tǒng)(由渦接傳感器、氣瓶、添加劑控制柜、多元共滲劑氣體發(fā)生裝置、工控機(jī)控制柜組成)組成部分見圖1。
控制原理說明由熱電偶將溫度信號(hào)輸送給智能表，再由智能表傳給工控機(jī)，根據(jù)工控機(jī)內(nèi)部的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果再輸給智能表，此時(shí)智能表根據(jù)工控機(jī)的信號(hào)控制固態(tài)繼電器的通斷時(shí)間。如果實(shí)際溫度遠(yuǎn)低于要求的溫度值，固態(tài)繼電器通的時(shí)間長(zhǎng)，電源給加熱爐絲通電時(shí)間長(zhǎng)，爐絲發(fā)熱量大，使?fàn)t子快速升溫。如果實(shí)際溫度接近要求的溫度值，固態(tài)繼電器通的時(shí)間短，電源給加熱爐絲通電時(shí)間短，爐絲發(fā)熱量小，使?fàn)t子升溫速度減慢，如果實(shí)際溫度高于要求的溫度值，固態(tài)繼電器處在斷路狀態(tài)，電源不給加熱爐絲通電，爐絲不發(fā)熱，爐子靠散熱降溫?？刂凭瓤梢赃_(dá)到正負(fù)1攝氏度。
主加氣體控制系統(tǒng)說明由氣瓶中輸出氣體(如果進(jìn)行氮化輸出氮?dú)?，如果滲碳或者碳氮共滲可以輸出煤氣、甲烷等氣體)通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥輸出的氣體通過渦街傳感器，渦接傳感器將輸出流量信號(hào)傳給積算儀，由積算儀傳給執(zhí)行器。執(zhí)行器將流量信號(hào)傳給工控機(jī)。同時(shí)爐中廢氣也通過傳感器(傳感器可以是導(dǎo)氫儀、氧探頭或者露點(diǎn)儀，根據(jù)不同工藝而定)將信號(hào)傳給工控機(jī)，工控機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)模型求出氮?jiǎng)?，碳?shì)等數(shù)據(jù)，與執(zhí)行器中主加氣體設(shè)定值進(jìn)行比較。如果達(dá)不到設(shè)定值，則工控機(jī)輸出信號(hào)給執(zhí)行器，執(zhí)行器再傳給手操器。手操器指揮電動(dòng)閥，控制電動(dòng)閥的開度變化實(shí)現(xiàn)氣體控制的目的。
添加劑控制系統(tǒng)說明采用ZL95241793.6專利的技術(shù)方案，將待滲入的元素轉(zhuǎn)化為氣體，由空氣泵產(chǎn)生的空氣將滲入元素的氣體帶到爐子內(nèi)部，由渦接傳感器測(cè)出流量信號(hào)并傳給積算儀，由積算儀傳給執(zhí)行器，執(zhí)行器將流量信號(hào)傳給工控機(jī)。同時(shí)爐中廢氣也通過傳感器(傳感器可以是導(dǎo)氫儀，氧探頭或者露點(diǎn)儀，根據(jù)不同工藝而定)將信號(hào)傳給工控機(jī)。工控機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)模型求出要求滲入的其他元素的含量。通過與執(zhí)行器中氣體設(shè)定值進(jìn)行比較。與主加氣體控制系統(tǒng)控制原理完全類似的控制方式通過控制電動(dòng)閥的開度變化實(shí)現(xiàn)氣體控制比較。與主加氣體控制系統(tǒng)控制原理完全類似的控制方式通過控制電動(dòng)閥的開度變化實(shí)現(xiàn)氣體控制的目的。
溫度控制系統(tǒng)加熱爐溫形成本控制系統(tǒng)的目的之一是控制加熱爐爐溫，工作室爐溫形成采用12支電熱幅管組合的108千瓦電功率通電形成。工作室內(nèi)通過電風(fēng)扇攪動(dòng)氣流，使之傳熱過程主要為對(duì)流傳熱，次為傳導(dǎo)及幅射傳熱。12支電熱幅射管分立在工作室內(nèi)兩側(cè)，按工作室前后兩部分組成兩組，每組按2支串聯(lián)組合成星形，與三相380伏電源連接，星點(diǎn)接零線。示意如圖2。
爐溫控制設(shè)計(jì)
(1)采用K型熱電偶2支，分別插于箱式多用爐的工作室前后兩段的中心。以便傳出爐內(nèi)溫度信息，實(shí)現(xiàn)爐工作室兩段控溫，達(dá)到爐工作室內(nèi)溫度均勻目的。
(2)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，溫度控制設(shè)計(jì)見圖3示意圖，這種設(shè)計(jì)屬于系統(tǒng)分層控制，主從機(jī)控制模式說明如下智能儀表將熱電偶發(fā)來的信息經(jīng)整理、放大，PID運(yùn)算，D/A、A/D轉(zhuǎn)換后與工控機(jī)通訊，并提供給工控機(jī)決斷，智能儀表接到工控機(jī)決斷命令立即下達(dá)執(zhí)行器動(dòng)作。這里的執(zhí)行器是固態(tài)繼電器(SSR)。固態(tài)繼電器的通斷即可使電熱幅射管電通斷。智能儀表的通斷、PID參量選擇、自整定、自動(dòng)、手動(dòng)等幾乎全部動(dòng)作受工控機(jī)的約束，工控機(jī)在此得到實(shí)質(zhì)性溫度控制權(quán)。
溫度控制系統(tǒng)的制作選用工控機(jī)做為主機(jī)與PID智能調(diào)節(jié)器進(jìn)行通訊。PID智能調(diào)節(jié)器采用日本制造儀表，該儀表性能穩(wěn)定、可靠、控制精確。
選擇大功率固態(tài)繼電器(SSR)作為執(zhí)行器，固態(tài)繼電器除具有可控硅的開關(guān)功能之外，還有自保護(hù)功能。屬于無觸點(diǎn)、體積小、無噪音類繼電器，性能穩(wěn)定可靠。大功率固態(tài)繼電器屬于90年代產(chǎn)品。本控制系統(tǒng)選擇了6支固態(tài)繼電器，每支承極限電流200安(A)，每支負(fù)責(zé)2支電熱幅射管的負(fù)載。
氣氛控制氣氛形成過程低溫氣體多元共滲采用氨(NH3)氣、氮(N2)氣、以及添加劑作為原料。通過流量控制系統(tǒng)以全氣體方式進(jìn)行爐內(nèi)形成多元共滲氣氛。添加劑山專利ZL95241793.6技術(shù)提供。
氣氛測(cè)量氣氛傳感器用導(dǎo)氫儀，氧探頭或者露點(diǎn)儀，它將氣氛信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。通過信號(hào)即可分析出爐氣中的H2含量或者是氧含量，通過建立模型可以在工控機(jī)內(nèi)反映出爐氣中氮?jiǎng)?、氨分解率、碳?shì)以及殘氨含量，N2等含量。
氣氛控制設(shè)計(jì)傳感器將爐內(nèi)樣氣信息感應(yīng)為電信號(hào)傳給工控機(jī)，同時(shí)渦街傳感器將流量信號(hào)也傳送給智能表及工控機(jī)，經(jīng)信號(hào)放大、A/D/、D/A處理，將信號(hào)與工控機(jī)通訊，經(jīng)工控機(jī)按模型運(yùn)算，反映氣氛的真實(shí)情況(如氮?jiǎng)荨狈纸饴?、NH3、N2等在氣氛中含量等)，并經(jīng)優(yōu)化獲得最佳工藝參量，決策發(fā)出指令，通過智能儀表控制電動(dòng)閥從而控制流量，調(diào)節(jié)路爐內(nèi)氣氛的成分。
氣氛控制系統(tǒng)制作在氣氛控制系統(tǒng)安裝制作過程中重要的有如下幾點(diǎn)(1)本控制系統(tǒng)在制作過程中引用了專利ZL95241793.6號(hào)技術(shù)，配合數(shù)學(xué)模型及軟件技術(shù)從根本上解決氮碳共滲及多元共滲過程中氣氛難以控制問題，保證了氣氛得到實(shí)質(zhì)性控制，確保了工藝持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行。
(2)氣氛的控制是采用流量信號(hào)與爐內(nèi)氣體信號(hào)并利用數(shù)學(xué)模型同時(shí)進(jìn)行控制。
(3)采用主從控制方式合理進(jìn)行智能調(diào)節(jié)器的選擇，智能調(diào)節(jié)器不僅起一個(gè)呈上啟下的功能，更重要的還有信息處理功能，與工控機(jī)通信的功能，也就是說它是多種功能器的組合。
工控機(jī)工控機(jī)在本控制系統(tǒng)中要完成如下功能與智能儀表及傳感器通訊，目的在于接受信息，并利用軟件模型對(duì)信息決策，將決策結(jié)果下達(dá)指令給智能儀表，通過智能儀表向執(zhí)行器固態(tài)繼電器等發(fā)布執(zhí)行命令。根據(jù)建立的數(shù)字模式運(yùn)算出氣氛中的參量，如氮?jiǎng)?、氨分解率，以及氣氛中的NH3、N2、H2等含量。
制作最優(yōu)化低溫氣體多元共滲工藝參量設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出最佳的工藝曲線。
強(qiáng)的儲(chǔ)存功能，儲(chǔ)存工藝過程工藝參數(shù)，工藝曲線，標(biāo)準(zhǔn)全相組織等。
與顯示器、打印機(jī)、鼠標(biāo)等的通信功能，以便建立友好界面、打印報(bào)表。
電、氣控制集中在一個(gè)控制柜內(nèi)，為管理及控制方便。即把電方面的主電源元件(如固態(tài)繼電器)、控制電源元件(如交流接觸器、繼電器、智能儀表)，以及氣氛方面氣壓穩(wěn)定器，添加氣發(fā)生器、電磁閥、流量計(jì)等均置于一個(gè)柜體。其中為了運(yùn)行安全，避免互相干擾，維修方便，又將主電路及元件同控制電路及元分割在控制柜的兩部分；氣路及元件(含添加劑發(fā)生器)獨(dú)立在柜內(nèi)一部，以防NH3之類腐蝕性氣體泄漏對(duì)電器元件腐蝕。
操作健(如按鈕)、顯示件(如轉(zhuǎn)子流量計(jì)、壓力計(jì)、壓力表、泡泡瓶、電流、電壓、溫度顯示器等)全部集于控制柜的一張面板上，集中操作。
多元共滲劑氣體發(fā)生裝置主要由罐殼21，罐膽22，密封蓋23，電加熱器24，進(jìn)氣管25，進(jìn)氣閥26，密封圈27，螺栓28，輸氣管29，加熱保溫層30，電源插座31，排水閥32，注水口33，螺栓34組成，將自來水經(jīng)注水口33注入罐殼21與罐膽22的間隙，接通電源插座31，電加熱器24開始加熱自來水，將需要滲的液態(tài)元素注入發(fā)生器內(nèi)膽22，擰緊密封蓋23的螺栓28，壓緊密封圈27完成密封功能，當(dāng)水溫升至一定溫度使膽內(nèi)的液態(tài)元素逐漸形成氣體，再調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥26，通入流量約0.2M3/h左右的載氣，經(jīng)進(jìn)氣管25一端進(jìn)入膽內(nèi)液面下在膽內(nèi)混合后經(jīng)輸氣管29進(jìn)入共滲爐，為了避免進(jìn)入共滲爐的氣體在通過輸氣管29時(shí)遇冷液化，在輸氣管29的外壁設(shè)置了加熱保溫層30，使共滲元素在氣體狀態(tài)下進(jìn)入共滲爐。工作完畢后打開排水閥32，排空剩余液體。
權(quán)利要求1.氣體多元共滲控制系統(tǒng)，由主加氣體控制裝置和添加劑控制裝置組成，主加氣體控制裝置有氣瓶(5)通過串連接的電動(dòng)閥(6)、渦接傳感器(7)與共滲爐進(jìn)氣管(18)連接，渦接傳感器(7)的輸出信號(hào)依次通過積算儀(8)、執(zhí)行器(9)和手操器(10)與電動(dòng)閥(6)的控制端連接，執(zhí)行器(9)與工控機(jī)(4)連接，添加劑控制裝置的添加劑輸送氣泵(11)通過電動(dòng)閥(12)與多元共滲劑氣體發(fā)生裝置(13)的進(jìn)氣管連接，多元共滲劑氣體發(fā)生裝置(13)的輸氣管一路與共滲爐的進(jìn)氣管(18)連接，另一路依次通過渦接傳感器(14)、積算儀(15)、執(zhí)行器(16)、手操器(17)與氣泵(11)控制端連接，執(zhí)行器(16)與工控機(jī)(4)連接，共滲爐的廢氣輸出通過傳感器(19)，傳感器(19)的輸出與工控機(jī)(4)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還有溫度控制裝置，溫度控制裝置有智能表(1)的輸入與熱電偶(2)連接，智能表(1)的輸出與固態(tài)繼電器(3)連接，固態(tài)繼電器(3)串連于加熱爐絲與電源之間，智能表(1)與工控機(jī)(4)連接，在共滲爐工作室兩側(cè)各有偶數(shù)支電熱幅射管，按工作室前后兩部分組合成兩組，每組按2支電熱幅射管串聯(lián)組合成星形，通過固態(tài)繼電器(3)與三相380伏電源連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于傳感器9智能表(1)為SR93型PID智能調(diào)節(jié)器，固態(tài)繼電器(3)為SSR，工控機(jī)(4)為4U研華型工控機(jī)，積算儀為SWP-LK90型，執(zhí)行器為SR93，手操器為SWP-D90型，渦接傳感器為DBLU型，電動(dòng)閥為DY25型，氣泵為AC806，多元共滲劑氣體發(fā)生裝置由罐殼(21)、罐膽(22)、密封蓋(23)、電加熱器(24)、進(jìn)氣管(25)、輸氣管(29)組成，罐殼與罐膽的間隙敷設(shè)電加熱器(24)，進(jìn)氣管(25)一端位于罐膽內(nèi)液面以下位置，另一端與進(jìn)氣閥(26)連接，上部輸氣管與共滲爐相聯(lián)，罐體上的注水口(33)和排水閥(32)與罐膽和罐殼的間隙相通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于工控機(jī)、顯示器與打印機(jī)相連，并且工控機(jī)與智能儀表通訊連接。
專利摘要本實(shí)用新型為氣體多元共滲控制系統(tǒng)，適用于氮化、氮碳共滲、滲碳、碳氮共滲及多元共滲等工藝的氣氛與溫度的控制。它由主加氣體控制裝置和添加劑控制裝置及溫度控制裝置組成。同時(shí)爐內(nèi)氣氛通過傳感器(19)信號(hào)與工控機(jī)連接。添加劑控制裝置的添加劑輸送氣泵(11)通過電動(dòng)閥(12)與多元共滲劑氣體發(fā)生裝置(13)的進(jìn)氣管連接，多元共滲劑氣體發(fā)生裝置(13)的輸氣管一路與共滲爐的進(jìn)氣管(18)連接，另一路依次通過渦接傳感器(14)、積算儀(15)、執(zhí)行器(16)、手操器(17)與氣泵(11)控制端連接，執(zhí)行器(16)與工控機(jī)(4)連接，共滲爐的廢氣輸出通過傳感器(19)，傳感器(19)的輸出與工控機(jī)(4)連接。溫度控制裝置包含智能表(1)的輸入與熱電偶(2)連接，智能表(1)的輸出與固態(tài)繼電器(3)連接，固態(tài)繼電器(3)串連于加熱爐絲與電源之間，智能表(1)與工控機(jī)(4)連接。
文檔編號(hào)C23C8/00GK2729089SQ200420060529
公開日2005年9月28日 申請(qǐng)日期2004年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月2日
發(fā)明者楊川, 吳大興, 高國慶, 崔國棟 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院