Ι. Ιστορικό Έργου και Προδιαγραφές Εξοπλισμού
Η παρούσα μελέτη περίπτωσης αφορά έναν πλήρως αυτόματο έξυπνο φούρνο νιτρίωσης ιόντων, μοντέλο WDL-IV-75A, που χρησιμοποιεί μια κάθετη δομή μονής θαλάμου μονής θέσης. Ο εξοπλισμός είναι ικανός για νιτρίωση ιόντων και μαλακή νιτρίωση ιόντων χαλύβων κραμάτων, χαλύβων καλουπιών και ανοξείδωτων χαλύβων.
Η ενεργή ζώνη εργασίας του σώματος του φούρνου έχει διάμετρο 600 mm και ύψος 800 mm, με μέγιστη χωρητικότητα φόρτωσης 400 kg. Το κοινό εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας είναι 500 έως 600°C, με μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας που δεν υπερβαίνει τους 650°C. Ο τελικός βαθμός κενού δεν υπερβαίνει τα 6,7 Pa, ο ρυθμός αύξησης πίεσης δεν υπερβαίνει τα 5 Pa/h και ο χρόνος που απαιτείται για την εκκένωση από ατμοσφαιρική πίεση σε τελικό κενό δεν υπερβαίνει τα 30 λεπτά. Η αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας του περιβλήματος του φούρνου δεν υπερβαίνει τους 55°C.
Στην ονομασία του μοντέλου, το IV αντιπροσωπεύει το σύστημα ψηφιακού ελέγχου τέταρτης γενιάς, το 75 αντιπροσωπεύει το μέγιστο μέσο ρεύμα του παλμικού τροφοδοτικού στα 75 αμπέρ και το Α αντιπροσωπεύει τον πλήρως αυτόματο έξυπνο τύπο.
II. Σχέση Αντιστοίχισης Μεταξύ Θαλάμου Μεγάλης Χωρητικότητας και Ισχύος Τροφοδοτικού
Από το μοντέλο 30Α έως το μοντέλο 75Α, το μέγιστο μέσο ρεύμα του παλμικού τροφοδοτικού αυξάνεται κατά 1,5 φορές, ενώ ο ενεργός όγκος του θαλάμου επεκτείνεται από περίπου 28 λίτρα σε περίπου 226 λίτρα, δηλαδή κατά περίπου 8 φορές. Αυτή η μη αναλογική αλλαγή αποκαλύπτει μια σχεδιαστική αρχή του εξοπλισμού νιτρίωσης ιόντων: η επέκταση του όγκου του θαλάμου δεν απαιτεί την αύξηση του ρεύματος του τροφοδοτικού αναλογικά με τον όγκο, επειδή η ισχύς θέρμανσης για νιτρίωση ιόντων εξαρτάται κυρίως από την επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας και την απαιτούμενη πυκνότητα ρεύματος, αντί για τον χωρικό όγκο του θαλάμου.
Το εύρος πυκνότητας ρεύματος ανώμαλης εκκένωσης φωταύγειας που δίνεται στην πρόταση είναι 0,1 έως 5 mA/cm². Με βάση αυτό το εύρος, για έναν συνδυασμό τεμαχίων εργασίας με χωρητικότητα φόρτωσης 400 kg και σχετικά μεγάλη επιφάνεια, το μέγιστο μέσο ρεύμα των 75 Α παρέχει ένα σαφές περιθώριο σχεδιασμού για το ανώτατο όριο της υποστηριζόμενης επιφάνειας τεμαχίων εργασίας. Εν τω μεταξύ, η τάση εξόδου του παλμικού τροφοδοτικού είναι συνεχώς ρυθμιζόμενη από 0 έως 800 V χωρίς απότομη αύξηση πάνω από 200 V, και ο κύκλος λειτουργίας είναι συνεχώς ρυθμιζόμενος εντός του εύρους 10% έως 85%.
III. Λογική Ρύθμισης Κύκλου Λειτουργίας του Παλμικού Τροφοδοτικού
Η εκκένωση αερίου, ως πηγή ισχύος, παρουσιάζει ένα φορτίο με χαρακτηριστικά αρνητικής αντίστασης. Το τεμάχιο εργασίας, λειτουργώντας ως κάθοδος, έχει το σχήμα της επιφάνειάς του και τη μέθοδο στοίβαξης να επηρεάζουν την πυκνότητα ρεύματος της επιφάνειας. Η νιτρίωση ιόντων έχει μια ελάχιστη συνθήκη κατωφλίου: για να ικανοποιηθεί η πυκνότητα ρεύματος που απαιτείται για ομοιόμορφη κάλυψη φωταύγειας, η ισχύς θέρμανσης μπορεί να υπερβεί την ισχύ που απαιτείται για τη διατήρηση της θερμοκρασίας του τεμαχίου εργασίας. Αυτή η αντίφαση είναι ιδιαίτερα εμφανής για τεμάχια εργασίας λεπτού τοιχώματος και ελαφριά.
Μετά την εισαγωγή ενός ρυθμιζόμενου κύκλου λειτουργίας από το παλμικό τροφοδοτικό, η μέση ισχύς θέρμανσης ισούται με την κορυφαία τάση πολλαπλασιαζόμενη επί το ρεύμα, πολλαπλασιαζόμενη στη συνέχεια επί τον κύκλο λειτουργίας. Μειώνοντας τον κύκλο λειτουργίας, η μέση ισχύς θέρμανσης μπορεί να μειωθεί, διατηρώντας επαρκή κορυφαία τάση για τη διατήρηση της κάλυψης φωταύγειας, επιλύοντας έτσι την προαναφερθείσα αντίφαση. Αυτός ο μηχανισμός είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο αυτή η σειρά εξοπλισμού μπορεί να επεξεργάζεται ταυτόχρονα βαριά τεμάχια εργασίας και λεπτά, ελαφριά τεμάχια εργασίας.
Η διαδρομή υλοποίησης για γρήγορη απόσβεση τόξου είναι η εξής: αξιοποιώντας την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής στο κύκλωμα εκκένωσης για γρήγορη ανίχνευση του σήματος τόξου, στη συνέχεια ελέγχοντας άμεσα τον ηλεκτρονικό διακόπτη υψηλής ταχύτητας του κύριου κυκλώματος ρεύματος μέσω ψηφιακών συσκευών λογικής υψηλής ταχύτητας, αποσβένοντας το τόξο εντός 2 μs.
IV. Σχεδιασμός Θερμομόνωσης και Ομοιομορφίας Θερμοκρασίας του Σώματος Φούρνου Μεγάλης Χωρητικότητας
Ο κύλινδρος της κουκούλας υιοθετεί μια δομή διπλού τοιχώματος με ψύξη νερού και σύστημα ψύξης πολλαπλών καναλιών για να διασφαλιστεί η ομοιομορφία της θερμοκρασίας του φούρνου. Η εσωτερική μονωτική επένδυση του κυλίνδρου είναι κατασκευασμένη από ανοξείδωτο χάλυβα, ενώ τα εσωτερικά και εξωτερικά τοιχώματα του κυλίνδρου είναι κατασκευασμένα από χαλύβδινες πλάκες υψηλής ποιότητας.
Το σώμα του φούρνου είναι εξοπλισμένο με δύο στρώματα θερμικών ασπίδων από ανοξείδωτο χάλυβα 304, πάχους 2 mm η καθεμία, και δύο στρώματα θερμικών ασπίδων από ανοξείδωτο χάλυβα 304 είναι επίσης εγκατεστημένα στο άνω μέρος της πλάκας βάσης του φούρνου. Σε σύγκριση με τη διαμόρφωση θερμικής ασπίδας έξι στρωμάτων της προηγούμενης περίπτωσης, αυτό το μοντέλο έχει λιγότερα στρώματα θερμικής ασπίδας. Αυτή η διαφορά προέρχεται από την αλλαγή στην αναλογία όγκου θαλάμου προς επιφάνεια – ένας θάλαμος μεγάλης χωρητικότητας έχει σχετικά μικρότερη επιφάνεια απώλειας θερμότητας, και η αναλογία απώλειας θερμότητας μειώνεται αναλόγως, οπότε ο αριθμός των μονωτικών στρωμάτων μπορεί να μειωθεί κατάλληλα, διασφαλίζοντας μακροχρόνια λειτουργία σε υψηλή θερμοκρασία.
Η πλάκα καθόδου υποστηρίζεται στη βάση του φούρνου από τρία σετ υψηλής ποιότητας χυτού αμιάντου, με ρυθμιζόμενο ύψος. Η πλάκα καθόδου είναι κατασκευασμένη από χαλύβδινη πλάκα πάχους όχι μικρότερου από 30 mm· το πλαίσιο στήριξης του δίσκου υλικού που έρχεται σε επαφή με το τεμάχιο εργασίας είναι επίσης κατασκευασμένο από χάλυβα υψηλής ποιότητας. Η συσκευή σύνδεσης καθόδου είναι σχεδιασμένη ως άκαμπτη σύνδεση για την αποφυγή προβλημάτων υπερθέρμανσης που προκαλούνται από χαλαρές συνδέσεις ταχείας σύνδεσης. Η δομή της καθόδου περιλαμβάνει μόνωση PTFE καθόδου, αμίαντο μόνωσης καθόδου, υποδοχή σύνδεσης αγωγού καθόδου, εξάρτημα σύνδεσης καθόδου και ωτίο καλωδίου σταθερής σύνδεσης με κοχλία M10.
Δύο θερμοζεύγη εισάγονται από την πλάκα βάσης του φούρνου και τοποθετούνται στη μέση της πλάκας καθόδου για να προσομοιώσουν την κεφαλή μέτρησης θερμοκρασίας. Το ένα χρησιμοποιείται για τον έλεγχο θερμοκρασίας από το παλμικό τροφοδοτικό ιοντικής θέρμανσης, και το άλλο συνδέεται με το όργανο συναγερμού για πολυκατευθυντική παρακολούθηση θερμοκρασίας. Τρία παράθυρα παρατήρησης είναι διατεταγμένα στην εξωτερική περιφέρεια του περιβλήματος του φούρνου για πολυκατευθυντική παρατήρηση των συνθηκών εντός του φούρνου.
V. Σύστημα Κενού και Έλεγχος Κλειστού Βρόχου Πίεσης
Το σύστημα κενού χρησιμοποιείται για την προ-εκκένωση του σώματος του φούρνου και για την αντικατάσταση ατμόσφαιρας και την εκκένωση αερίων κατά τη διαδικασία νιτρίωσης. Το σετ αντλιών αποτελείται από μία περιστροφική αντλία πτερυγίων 2X-15, μία ηλεκτρομαγνητική αντλία κενού με βαλβίδα πλήρωσης και μία βαλβίδα πεταλούδας υψηλού κενού. Η περιστροφική αντλία πτερυγίων είναι μονάδα σειράς Guangdong Xunda 2X, ανθεκτική στη διάβρωση από αέρια διεργασίας, ελεγχόμενη από μετατροπέα συχνότητας και εξοπλισμένη με βαλβίδα πεταλούδας υψηλού κενού GI-50 ως κύρια βαλβίδα ελέγχου.
Η αρχή ελέγχου κλειστού βρόχου πίεσης είναι η εξής: ο πομπός πίεσης μετρά την πίεση του φούρνου και εξάγει ένα τυπικό σήμα ρεύματος στον ψηφιακό ελεγκτή. Ο ελεγκτής εκτελεί υπολογισμούς PID με βάση την καθορισμένη τιμή πίεσης και τις τιμές πραγματικού χρόνου που λαμβάνονται, στη συνέχεια εξάγει ένα τυπικό σήμα ρεύματος στον μετατροπέα συχνότητας. Ρυθμίζοντας την ταχύτητα του κινητήρα της αντλίας κενού, ρυθμίζεται η ταχύτητα άντλησης, διατηρώντας έτσι την πίεση του φούρνου σταθερή στην καθορισμένη τιμή διεργασίας. Αυτή η μέθοδος ελέγχου επιτυγχάνει ακρίβεια ελέγχου πίεσης ±1 Pa. Η συνδυασμένη χρήση της αντλίας κενού και του μετατροπέα συχνότητας μειώνει σημαντικά τη μηχανική φθορά του σώματος της αντλίας κατά την εκκίνηση, και η μακροχρόνια λειτουργία χαμηλής ταχύτητας μπορεί να παρατείνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής.
Η μέτρηση κενού χρησιμοποιεί έναν πομπό απόλυτης πίεσης διαφράγματος χωρητικότητας τύπου ZJ-1C, με εύρος 0 έως 1000 Pa, έξοδο 4 έως 20 mA και τροφοδοσία 15 έως 30 VDC. Αυτό το όργανο μέτρησης κενού δεν επηρεάζεται από τον τύπο και τη σύνθεση του μετρούμενου μέσου, και η μετρούμενη τιμή εμφανίζεται από ένα ψηφιακό όργανο ένδειξης και συμμετέχει στον έλεγχο πίεσης του φούρνου.
VI. Συστήματα Διανομής Αερίου και Ψύξης Νερού
Το σύστημα διανομής αερίου χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της εισαγωγής αερίου διεργασίας στον φούρνο. Οι πηγές αερίου περιλαμβάνουν άζωτο, υδρογόνο και άλλα αέρια διεργασίας, που παρέχονται από τον χρήστη. Τα αέρια περνούν από μετρητές μαζικής ροής και στη συνέχεια εισάγονται στο σώμα του φούρνου μέσω μιας ειδικής δεξαμενής ανάμιξης σύμφωνα με τον τύπο διεργασίας. Αυτό το μοντέλο είναι εξοπλισμένο με δύο ειδικούς μετρητές μαζικής ροής, που ελέγχουν ξεχωριστά τη ροή αζώτου και υδρογόνου – αυτή είναι η κύρια διαφορά από τη διαμόρφωση ενός μετρητή ροής του μοντέλου 30Α, που αντιστοιχεί στις υψηλότερες απαιτήσεις για ακρίβεια ρύθμισης της σύνθεσης ατμόσφαιρας σε έναν θάλαμο μεγάλης χωρητικότητας.
Οι μετρητές μαζικής ροής είναι μονάδες ιαπωνικής σειράς HORIBA S500, με χρόνο απόκρισης μικρότερο από 0,3 ±2% δευτερόλεπτα από πλήρως κλειστή κατάσταση έως την επίτευξη του σημείου ρύθμισης όταν αρχίζει ο έλεγχος και όταν αλλάζει το σημείο ρύθμισης κατά τη διάρκεια του ελέγχου. Το εύρος ελέγχου καλύπτει 1 έως 100% της πλήρους κλίμακας, λειτουργώντας από ένα ενιαίο καθολικό τροφοδοτικό DC24V, με το εσωτερικό κύκλωμα τροφοδοσίας απομονωμένο από τα κυκλώματα εισόδου και εξόδου.
Απαιτήσεις ψύξης νερού: θερμοκρασία εισόδου νερού όχι άνω των 31°C, πίεση εισόδου νερού 0,15 έως 0,25 MPa και συνολική παροχή 20 m³/h. Κάθε κλάδος ψύξης νερού είναι εξοπλισμένος με ξεχωριστές βαλβίδες εισόδου και εξόδου. Όλοι οι σωλήνες ψύξης νερού, οι βαλβίδες και τα εξαρτήματα που συνδέονται με τον εξοπλισμό είναι κατασκευασμένα από ανοξείδωτο χάλυβα. Ένα μανόμετρο ηλεκτρικής επαφής είναι εγκατεστημένο στον κύριο σωλήνα εισόδου για συναγερμούς σε περίπτωση ανώμαλης πίεσης εισόδου. Μια εφεδρική βαλβίδα εισόδου νερού είναι εγκατεστημένη στον κύριο σωλήνα εισόδου νερού, συνδεδεμένη με τον σωλήνα ύδρευσης του χρήστη, έτσι ώστε το σώμα του φούρνου να μπορεί να ψύχεται με νερό βρύσης σε περίπτωση απροσδόκητης διακοπής ρεύματος ή διακοπής νερού.
VII. Αρχιτεκτονική Κλειστού Βρόχου Τριών Παραμέτρων του Συστήματος Ελέγχου
Το σύστημα ελέγχου χρησιμοποιεί έναν προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή σειράς FX3G και μια οθόνη αφής Kunlun Tongtai TPC1231Ni ως το κύριο κέντρο ελέγχου. Το PLC έχει χωρητικότητα μνήμης προγράμματος 32K βημάτων, ταχύτητα επεξεργασίας βασικών εντολών 0,21 μs και δύο διεπαφές επικοινωνίας υψηλής ταχύτητας (RS422 και USB). Η οθόνη αφής είναι μια 12-ιντσών TFT LCD με ανάλυση 1920×1080, τετρασύρματη αντίσταση αφής, κύρια συχνότητα 1 GHz και προεγκατεστημένο λογισμικό διαμόρφωσης McgsPro.
Το σύστημα υιοθετεί μια αρχιτεκτονική πλήρως ψηφιακή με κεντρική διαχείριση πολλαπλών εργασιών και κατανεμημένο έλεγχο, ικανή να επιτυγχάνει ταυτόχρονα κλειστό έλεγχο τριών βασικών παραμέτρων στη νιτρίωση ιόντων: ακρίβεια ελέγχου θερμοκρασίας ±1°C, ακρίβεια ελέγχου πίεσης ±1 Pa και ακρίβεια ελέγχου ροής ±0,5%.
Ο έλεγχος θερμοκρασίας χρησιμοποιεί ψηφιακούς ελεγκτές ιαπωνικής σειράς Shimaden SRS13 με ρύθμιση PID, σχηματίζοντας ένα σύστημα ρύθμισης κλειστού βρόχου θερμοκρασίας με το κύκλωμα ελέγχου θερμοκρασίας και το θερμοζεύγος. Ο έλεγχος πίεσης χρησιμοποιεί επίσης ψηφιακούς ελεγκτές Shimaden SRS13, σχηματίζοντας ένα σύστημα ρύθμισης κλειστού βρόχου πίεσης με έναν μετατροπέα συχνότητας και έναν αισθητήρα πίεσης.
Στη λειτουργία αυτόματης λειτουργίας, το σύστημα εκκινεί αυτόματα την αντλία συντήρησης και την αντλία προ-εκκένωσης, ανοίγει τη βαλβίδα διαφράγματος και τη σωληνοειδή βαλβίδα για να δημιουργήσει κενό. Μόλις το κενό φτάσει στην πίεση λειτουργίας για ενεργοποίηση εκκένωσης φωταύγειας, η τάση εκκένωσης φωταύγειας και η θέρμανση με αντίσταση ενεργοποιούνται αυτόματα για να εκτελέσουν την αρχική διαδικασία τόξου και καθαρισμού του τεμαχίου εργασίας. Μετά το τέλος του τόξου, το σύστημα εισέρχεται αυτόματα στο στάδιο θέρμανσης, ρυθμίζοντας αυτόματα τη ροή, την πίεση, την τάση, τον κύκλο λειτουργίας και το ρεύμα σύμφωνα με τα βήματα σχεδιασμού της καμπύλης διεργασίας. Όταν η θερμοκρασία φτάσει στη θερμοκρασία διεργασίας, το σύστημα εισέρχεται στο στάδιο διατήρησης θερμοκρασίας, διατηρώντας σύμφωνα με τον καθορισμένο χρόνο διατήρησης διεργασίας. Μετά την περίοδο διατήρησης, το σύστημα απενεργοποιεί την αντλία κενού και όλες τις βαλβίδες στον αγωγό εξαγωγής. Μόλις η θερμοκρασία του φούρνου πέσει στην καθορισμένη θερμοκρασία, όλοι οι διακόπτες απενεργοποιούνται αυτόματα και το σύστημα εισέρχεται σε κατάσταση διακοπής.