Ι. Ιστορικό Έργου και Προδιαγραφές Εξοπλισμού

Αυτή η μελέτη περίπτωσης αφορά έναν πλήρως αυτόματο έξυπνο φούρνο νίτρωσης ιόντων, μοντέλο WDL-IV-30A, που χρησιμοποιεί μια κάθετη δομή μονής γυάλινης καμπάνας μονής θέσης. Ο εξοπλισμός είναι ικανός για νίτρωση ιόντων και μαλακή νίτρωση ιόντων κραμάτων τιτανίου, χαλύβων κραμάτων, χαλύβων καλουπιών και ανοξείδωτων χαλύβων.

Η ενεργή ζώνη εργασίας του σώματος του φούρνου έχει διάμετρο 300 mm και ύψος 400 mm, με μέγιστη χωρητικότητα φόρτωσης 100 kg. Το κοινό εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας είναι 500 έως 600°C, με μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας 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 άντληση από την ατμοσφαιρική πίεση έως τον 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 30 αντιπροσωπεύει το μέγιστο μέσο ρεύμα του παλμικού τροφοδοτικού στα 30 αμπέρ, και το Α αντιπροσωπεύει τον πλήρως αυτόματο έξυπνο τύπο.

II. Φυσικοί Περιορισμοί της Διαδικασίας Νίτρωσης Ιόντων

Η νίτρωση ιόντων διεξάγεται σε περιβάλλον εκκένωσης αερίου χαμηλής πίεσης και η καμπύλη χαρακτηριστικών τάσης-ρεύματος είναι μη γραμμική. Η νίτρωση ιόντων μεταλλικών υλικών λειτουργεί γενικά στο τμήμα "ανώμαλης εκκένωσης" της καμπύλης χαρακτηριστικών τάσης-ρεύματος, και το ανώτερο σημείο G αυτού του τμήματος είναι ένα επικίνδυνο σημείο καμπής. Η εκκένωση αερίου, ως πηγή ενέργειας, παρουσιάζει φορτίο με χαρακτηριστικά αρνητικής αντίστασης. Το προς κατεργασία αντικείμενο, λειτουργώντας ως κάθοδος, έχει το σχήμα της επιφάνειάς του και το περιβάλλον του (στοίβαξη προς κατεργασία αντικειμένων) να επηρεάζουν την πυκνότητα επιφανειακού ρεύματος.

Αυτά τα φυσικά χαρακτηριστικά καθορίζουν ότι το τροφοδοτικό ιόντων πρέπει να ξεπεράσει τρεις τεχνικές δυσκολίες. Η πρώτη είναι η εκκένωση τόξου: όταν η επιφάνεια του προς κατεργασία αντικειμένου δεν είναι καθαρή, μπορεί εύκολα να σχηματιστεί ένα μη αγώγιμο φιλμ λαδιού. Όταν η φόρτιση συσσωρεύεται στην επιφάνεια σε κάποιο βαθμό, διασπάται και σχηματίζει μια στιγμιαία εκκένωση υψηλού ρεύματος, παράγοντας σπινθήρες υψηλής ενέργειας. Εάν δεν διακοπεί γρήγορα, αυτό θα προκαλέσει διακοπή ρεύματος και ζημιά στο προς κατεργασία αντικείμενο. Η δεύτερη είναι το φαινόμενο κοίλης καθόδου: όταν τα προς κατεργασία αντικείμενα έχουν οπές ή σχισμές, κενά μεταξύ των προς κατεργασία αντικειμένων, ή ανώμαλες καμπύλες, συμβαίνει μια κρίσιμη κατάσταση επικάλυψης εκκένωσης φωταύγειας σε ορισμένες πιέσεις αερίου. Αυτό εκδηλώνεται ως άνιση φωτεινότητα εκκένωσης φωταύγειας στην επιφάνεια του προς κατεργασία αντικειμένου, που αντιστοιχεί σε άνιση πυκνότητα επιφανειακού ρεύματος, προκαλώντας άνιση κατανομή θερμοκρασίας. Η τρίτη είναι η σχέση σύζευξης μεταξύ πυκνότητας ρεύματος και πίεσης αερίου: η πίεση αερίου επηρεάζει το πάχος της φωταύγειας, το οποίο με τη σειρά του επηρεάζει την πυκνότητα ρεύματος – υψηλότερη πίεση παράγει λεπτότερη φωταύγεια, επωφελής για την ομοιομορφία της θερμοκρασίας. Ωστόσο, όταν η πίεση είναι αρκετά υψηλή ώστε να καλύπτει ομοιόμορφα όλες τις επιφάνειες αυλακώσεων και οπών, το ρεύμα θα υπερβεί κατά πολύ την ισχύ που απαιτείται για τη μόνωση του προς κατεργασία αντικειμένου.

III. Λογική Τεχνικής Απόκρισης του Παλμικού Τροφοδοτικού

Το παλμικό τροφοδοτικό που έχει διαμορφωθεί για αυτόν τον εξοπλισμό έχει συχνότητα εξόδου 20.000 Hz, κυματομορφή εξόδου τετραγωνικού κύματος, τάση εξόδου συνεχώς ρυθμιζόμενη από 0 έως 900 V χωρίς ξαφνική αύξηση πάνω από 200 V, κύκλο λειτουργίας συνεχώς ρυθμιζόμενο εντός του εύρους 10% έως 85%, μέγιστο παλμικό μέσο ρεύμα εξόδου 30 A, και χρόνο απόσβεσης τόξου όχι μεγαλύτερο από 2 μs.

Ο κύκλος λειτουργίας ορίζεται ως ο λόγος του χρόνου ενεργοποίησης προς την περίοδο παλμού. Η μέση ισχύς θέρμανσης ισούται με την κορυφαία τάση πολλαπλασιαζόμενη επί το ρεύμα, πολλαπλασιαζόμενη στη συνέχεια επί τον κύκλο λειτουργίας. Η εισαγωγή ενός ρυθμιζόμενου κύκλου λειτουργίας στο παλμικό τροφοδοτικό επιλύει αποτελεσματικά την αντίφαση μεταξύ της μέσης ισχύος θέρμανσης και των οριακών συνθηκών που απαιτούνται για την επεξεργασία του προς κατεργασία αντικειμένου – η ουσία αυτής της αντίφασης είναι ότι, για να ικανοποιηθεί η πυκνότητα ρεύματος που απαιτείται για την ομοιόμορφη κάλυψη φωταύγειας, η ισχύς θέρμανσης μπορεί να υπερβεί την ισχύ που απαιτείται για τη διατήρηση της θερμοκρασίας του προς κατεργασία αντικειμένου, και η ρύθμιση του κύκλου λειτουργίας επιτρέπει την αποσύζευξη αυτών των δύο.

Η γρήγορη απόσβεση τόξου επιτυγχάνεται με τη χρήση της αρχής της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής στο κύκλωμα εκκένωσης για την ταχεία ανίχνευση του σήματος τόξου (με σχεδόν μηδενική καθυστέρηση), στη συνέχεια ελέγχοντας άμεσα τον διακόπτη υψηλής ταχύτητας ηλεκτρονικών του κύριου κυκλώματος ρεύματος μέσω συσκευών ψηφιακής λογικής υψηλής ταχύτητας, σβήνοντας το τόξο εντός 2 μs.

Η εφαρμογή του παλμικού τροφοδοτικού αποφέρει επίσης διάφορα αποτελέσματα διεργασίας: ο απόλυτος χρόνος απενεργοποίησης του παλμού είναι σχετικά μικρός, και μετά την απενεργοποίηση, η συγκέντρωση των φορτισμένων σωματιδίων δεν πέφτει αμέσως στο μηδέν αλλά μειώνεται αργά. Πριν μειωθεί σημαντικά, φτάνει ο επόμενος παλμός, με αποτέλεσμα υψηλότερη μέση συγκέντρωση ηλεκτρονίων και αυξημένο ρυθμό ιονισμού. Το φαινόμενο κοίλης καθόδου καταστέλλεται αποτελεσματικά. Και επειδή το παλμικό τροφοδοτικό διευρύνει το εύρος ρύθμισης των παραμέτρων διεργασίας νίτρωσης, με κάθε παράμετρο ανεξάρτητα ρυθμιζόμενη, μπορεί να βελτιώσει την ομοιομορφία της κάλυψης φωταύγειας σε προς κατεργασία αντικείμενα με πολύπλοκα σχήματα επιφάνειας, βελτιώνοντας έτσι την ποιότητα του στρώματος διείσδυσης και την επιφανειακή ομαλότητα.

IV. Σύστημα Ελέγχου Κλειστού Βρόχου Τριών Παραμέτρων

Το σύστημα ελέγχου χρησιμοποιεί έναν προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή και οθόνη αφής ως το κύριο κέντρο ελέγχου. Ο PLC είναι μια μονάδα σειράς FX3G με 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 έγχρωμη οθόνη TFT LCD 12 ιντσών με ανάλυση 1920×1080, τετρασύρματη αντίσταση αφής, κύρια συχνότητα 1 GHz, και προεγκατεστημένο λογισμικό διαμόρφωσης McgsPro.

Το σύστημα υιοθετεί μια πλήρως ψηφιακή αρχιτεκτονική πολλαπλών εργασιών κεντρικής διαχείρισης και κατανεμημένου ελέγχου, ικανή να επιτυγχάνει ταυτόχρονα έλεγχο κλειστού βρόχου τριών βασικών παραμέτρων στη νίτρωση 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 τον θερμοζεύγτη. Ο έλεγχος πίεσης χρησιμοποιεί επίσης ψηφιακούς ελεγκτές Shimaden SRS13, σχηματίζοντας ένα σύστημα ρύθμισης κλειστού βρόχου πίεσης με μετατροπέα συχνότητας και αισθητήρα πίεσης. Ο έλεγχος ροής διαμορφώνεται με έναν αποκλειστικό μετρητή μαζικής ροής για τον έλεγχο της ροής αερίου.

Η διαδρομή υλοποίησης 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 βάσει της καθορισμένης τιμής πίεσης και των τιμών που λαμβάνονται σε πραγματικό χρόνο, και στη συνέχεια εξάγει ένα τυπικό σήμα ρεύματος στον μετατροπέα συχνότητας. Ρυθμίζοντας την ταχύτητα του κινητήρα της αντλίας κενού, προσαρμόζεται η ταχύτητα άντλησης, διατηρώντας έτσι την πίεση του φούρνου σταθερή στην καθορισμένη τιμή διεργασίας. Αυτή η μέθοδος ελέγχου επιτυγχάνει ακρίβεια ±1 Pa, ενώ 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.

Ο έλεγχος ροής χρησιμοποιεί μετρητές μαζικής ροής ιαπωνικής σειράς HORIBA S500, με χρόνο απόκρισης μικρότερο από 0,3 ±2% δευτερόλεπτα από την πλήρως κλειστή κατάσταση έως την επίτευξη του σημείου ρύθμισης όταν ξεκινά 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.

V. Δομικά Χαρακτηριστικά Συστήματος Σώματος Φούρνου

Το σώμα του φούρνου υιοθετεί μια κάθετη δομή γυάλινης καμπάνας, που αποτελείται από δύο μέρη: την καμπάνα και τη βάση. Ο κύλινδρος της καμπάνας υιοθετεί μια δομή διπλού τοιχώματος με ψύξη νερού και σύστημα ψύξης νερού πολλαπλών καναλιών για να διασφαλίσει την ομοιομορφία της θερμοκρασίας του φούρνου. Έξι στρώματα θερμικών ασπίδων από ανοξείδωτο χάλυβα 310S είναι εγκατεστημένα μέσα στον κύλινδρο, και δύο στρώματα θερμικών ασπίδων από ανοξείδωτο χάλυβα είναι εγκατεστημένα στο άνω μέρος της βάσης του φούρνου, επιτρέποντας μακροχρόνια λειτουργία σε υψηλή θερμοκρασία και σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας. Ένα στρώμα βαμβακιού μόνωσης από πυριτικό αργίλιο με πάχος 20 mm προστίθεται μέσα στο στρώμα μόνωσης κοντά στο τοίχωμα του φούρνου.

Η πλάκα καθόδου υποστηρίζεται στη βάση του φούρνου από τρία σετ υψηλής ποιότητας χυτού αμιάντου, με ρυθμιζόμενο ύψος. Η πλάκα καθόδου είναι κατασκευασμένη από πλάκα ανοξείδωτου χάλυβα 310S με πάχος όχι μικρότερο από 30 mm. Το πλαίσιο στήριξης του δίσκου υλικού που έρχεται σε επαφή με το προς κατεργασία αντικείμενο είναι επίσης κατασκευασμένο από ανοξείδωτο χάλυβα 310S. Η συσκευή σύνδεσης καθόδου έχει σχεδιαστεί ως άκαμπτη σύνδεση για την αποφυγή προβλημάτων υπερθέρμανσης που προκαλούνται από χαλαρές συνδέσεις γρήγορης σύνδεσης.

Δύο θερμοζεύγη εισάγονται από την κάτω πλάκα 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. Το κέντρο της βάσης διαθέτει θύρα εξαγωγής κενού και είσοδο καθόδου, συνδεδεμένα με φλάντζες, σωλήνα από ανοξείδωτο χάλυβα με παχύ τοίχωμα και φυσούνες από ανοξείδωτο χάλυβα, με στεγανοποίηση που παρέχεται από δακτυλίους στεγανοποίησης από φθοροελαστικό ανθεκτικό σε υψηλές θερμοκρασίες.

VI. Συστήματα Κενού και Αερίου

Το σύστημα κενού χρησιμοποιείται για την προ-άντληση του σώματος του φούρνου και για την αντικατάσταση ατμόσφαιρας και την εκκένωση αερίων κατά τη διαδικασία νίτρωσης. Το σύστημα είναι εξοπλισμένο με μία περιστροφική αντλία πτερυγίων 2X15 ως μονάδα κενού. Το σετ αντλίας περιλαμβάνει 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 μέτρηση κενού χρησιμοποιεί έναν πομπό απόλυτης πίεσης με διαφράγιο χωρητικότητας τύπου ZJ-1C. Αυτό το όργανο μέτρησης κενού δεν επηρεάζεται από τον τύπο και τη σύνθεση του μετρούμενου μέσου, παρέχοντας ακριβή και αξιόπιστη μέτρηση, με την μετρούμενη τιμή να εμφανίζεται από ένα ψηφιακό όργανο ένδειξης και να συμμετέχει στον έλεγχο πίεσης του φούρνου.

Το σύστημα διανομής αερίου χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της εισαγωγής αερίου διεργασίας στον φούρνο, αποτελούμενο από πηγή αερίου, μετρητή ροής και αντίστοιχες σωληνώσεις. Τα αέρια διεργασίας (όπως αμμωνία) παρέχονται από τον χρήστη, περνούν από έναν μετρητή μαζικής ροής και στη συνέχεια εισάγονται στο σώμα του φούρνου μέσω μιας αποκλειστικής δεξαμενής ανάμιξης σύμφωνα με τον τύπο διεργασίας. Οι σωληνώσεις αερίου είναι κατασκευασμένες από ανοξείδωτο χάλυβα, με κάθε γραμμή αερίου να είναι εξοπλισμένη με βαλβίδα μείωσης πίεσης, χειροκίνητη βαλβίδα διακοπής, φίλτρο, μανόμετρο και ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα.

VII. Σύστημα Ψύξης Νερού

Το σύστημα ψύξης νερού υιοθετεί μια μέθοδο κυκλικής ψύξης, με την πηγή νερού να παρέχεται από τον πύργο ψύξης και την αντλία νερού (ευθύνη του αγοραστή). Απαιτήσεις ψύξης νερού: θερμοκρασία νερού εισόδου όχι μεγαλύτερη από 31°C, πίεση νερού εισόδου 0,15 έως 0,25 MPa, και συνολική παροχή 20 m³/h. Κάθε κλάδος ψύξης νερού είναι εξοπλισμένος με ξεχωριστές βαλβίδες εισόδου και εξόδου για ατομική ρύθμιση ροής. Όλες οι σωληνώσεις ψύξης νερού, βαλβίδες και εξαρτήματα που συνδέονται με τον εξοπλισμό είναι κατασκευασμένα από ανοξείδωτο χάλυβα.

Ένα ηλεκτρικό μανόμετρο επαφής είναι εγκατεστημένο στον κύριο σωλήνα εισόδου για συναγερμούς σε περίπτωση ανώμαλης πίεσης εισόδου, και το σύστημα ελέγχου θα λάβει αντίστοιχες προστατευτικές ενέργειες. Μια εφεδρική βαλβίδα εισόδου νερού είναι εγκατεστημένη στον κύριο σωλήνα εισόδου νερού, συνδεδεμένη με τον σωλήνα ύδρευσης του χρήστη – σε περίπτωση απροσδόκητης διακοπής ρεύματος ή διακοπής νερού, το σώμα του φούρνου μπορεί να ψυχθεί με νερό βρύσης.

VIII. Λογική Ασφάλειας Αλληλοσύνδεσης και Συναγερμού

Το σύστημα διαθέτει λειτουργίες συναγερμού για υπερθέρμανση, υπερπίεση, βλάβη θερμοζεύγους, έλλειψη νερού και απώλεια φάσης, με ηχητικούς και οπτικούς συναγερμούς και συναγερμούς διεπαφής ελέγχου, λαμβάνοντας αντίστοιχες προστατευτικές ενέργειες όπως απαγόρευση ενεργοποίησης, απαγόρευση θέρμανσης, διακοπή ή επαναφορά θέρμανσης ανάλογα με τα συγκεκριμένα προβλήματα.

Το σύστημα ελέγχου μπορεί να πραγματοποιήσει αυτοδιάγνωση βλαβών του εξοπλισμού, προτρέποντας τους χρήστες να ελέγξουν και να επισκευάσουν τα αντίστοιχα σημεία βλάβης. Όταν συμβεί βλάβη, το σύστημα κλείνει αυτόματα όλες τις βαλβίδες. Το σύστημα κενού διαθέτει λειτουργίες διαδοχικής εκκίνησης και διακοπής, εξοπλισμένο με έναν πλήρη μηχανισμό αλληλοσύνδεσης και αμοιβαίας αλληλοσύνδεσης, με όλες τις βαλβίδες να είναι τύπου κλεισίματος με απώλεια τροφοδοσίας.