中頻雙紅外線測(cè)溫的應(yīng)用

黎桂華

摘要：鍛造生產(chǎn)線的中頻爐測(cè)溫一般采用非接觸式紅外線檢測(cè)，紅外線測(cè)溫儀安裝在中頻爐出口的位置，用于檢測(cè)料坯加熱后的溫度。但因環(huán)境因素和氧化皮的影響，導(dǎo)致中頻在同樣的生產(chǎn)參數(shù)運(yùn)行下檢測(cè)到的溫度前后兩件有20-50度的溫差。

關(guān)鍵詞：中頻設(shè)備；紅外線；PLC；模擬量；HMI

一、概述

桂林福達(dá)鍛造公司的鍛造生產(chǎn)線加熱工序設(shè)備采用的是應(yīng)達(dá)公司的中頻加熱爐，該設(shè)備配套有一個(gè)紅外線測(cè)溫，紅外線測(cè)溫儀安裝在中頻爐出口的位置，用于檢測(cè)料坯加熱后的溫度。紅外線測(cè)溫儀與設(shè)定的工藝溫度進(jìn)行對(duì)比，溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，設(shè)備判定為料坯溫度合格，由機(jī)器人將料坯傳送到下個(gè)工序；而溫度在設(shè)定范圍外，設(shè)備判定料坯溫度不合格，則由機(jī)器人放到指定的存放區(qū)域。鍛造工藝對(duì)于中頻加熱的料坯溫度有嚴(yán)格的控制要求，料溫需在1150-1250度。尤其是非調(diào)質(zhì)鋼，過(guò)溫則可能會(huì)導(dǎo)致鍛件晶粒度不合格，溫度低則會(huì)導(dǎo)致鍛件充不滿(mǎn)。紅外線檢測(cè)采用的是模擬量，單個(gè)紅外線檢測(cè)可能會(huì)存在檢測(cè)誤差，可能會(huì)受到信號(hào)干擾及棒料表面氧化皮的影響，導(dǎo)致溫度檢測(cè)不準(zhǔn)確。紅外線測(cè)溫的準(zhǔn)確性是鍛造生產(chǎn)穩(wěn)定的主要條件。該設(shè)備常因?yàn)檠趸さ挠绊憣?dǎo)致溫度檢測(cè)有誤差，生產(chǎn)不能連續(xù)運(yùn)行，甩料過(guò)多，能耗大。

二、改造方案

為避免鍛造工序受溫度檢測(cè)因數(shù)的影響，經(jīng)過(guò)公司討論決定先用壓縮空氣去除棒料表面檢測(cè)點(diǎn)的氧化皮，再采用雙紅外線測(cè)溫的方案來(lái)提升中頻測(cè)溫的準(zhǔn)確性。中頻出料溫度采取2個(gè)紅外線溫度檢測(cè)，一個(gè)用于控溫，另外一個(gè)用于監(jiān)控溫度，通過(guò)2個(gè)紅外線的溫度對(duì)比，溫度差在一定的范圍內(nèi)可才能判定溫度檢測(cè)正常。改造后的安裝圖如圖一所示：

三、去料坯表面的氧化皮吹氣裝置

采用6mm直徑的銅管作為吹氣的管路接在電磁閥的出口，通過(guò)PLC編程控制電磁閥的通斷，來(lái)達(dá)到壓縮空氣去除高溫料坯表面氧化皮的效果?？刂撇糠秩缦聢D二所示。當(dāng)在運(yùn)行過(guò)程中出料口的檢測(cè)開(kāi)關(guān)（i103.3）檢測(cè)到有料，時(shí)間繼電器T140就會(huì)給出間隔3S鐘200ms的吹氣時(shí)間，直到檢測(cè)開(kāi)關(guān)（i103.3）檢測(cè)不到信號(hào)。

經(jīng)過(guò)運(yùn)行驗(yàn)證，因中頻出口料坯出料的速度比較慢，吹氣的時(shí)間不宜長(zhǎng)，需要采用3S內(nèi)吹氣200ms即可，0.6兆帕的壓縮空氣快速的高溫料坯表面的氧化皮去掉。若在出料過(guò)程一直使用壓縮空氣吹，不但會(huì)導(dǎo)致料坯表面氧化發(fā)黑，而且還會(huì)導(dǎo)致表面溫度減低，反而影響溫度的檢測(cè)的準(zhǔn)確性。圖三是吹氣后的效果圖，壓縮空氣能把棒料表面的氧化皮清理干凈，效果明顯，有利于溫度檢測(cè)。

四、紅外線的選型及安裝要求

中頻設(shè)備出料口采用的是變頻電機(jī)傳動(dòng)，出料速度快。故紅外線溫度計(jì)必須采用響應(yīng)快。根據(jù)工藝要求出料溫度在700-1350度之間，因此原設(shè)備上配備的是德國(guó)IMPAC IS310的紅外線溫度計(jì)，該紅外線溫度計(jì)檢測(cè)范圍650-1800度，發(fā)射率根據(jù)用戶(hù)需求可調(diào)。該紅外線溫度計(jì)4根線，其中2根是24V電源，主要是發(fā)出紅外線用于調(diào)節(jié)檢測(cè)位置；另外2根線是反饋線，輸出4-20ma的電流值。

因中頻出料過(guò)程高溫棒料表面容易氧化，表面的氧化皮對(duì)會(huì)影響棒料發(fā)出的紅外輻射。紅外線的檢測(cè)角度應(yīng)與檢測(cè)面垂直，檢測(cè)距離在合適范圍內(nèi)。故為減少氧化皮對(duì)測(cè)溫的影響紅外線溫度計(jì)必須安裝在出爐口，檢測(cè)線應(yīng)與爐口面小于10mm，且與吹氣去氧化皮的位置一致，同時(shí)為避免2個(gè)紅外線溫度計(jì)間檢測(cè)的位置誤差與時(shí)間差導(dǎo)致的溫度下降，2者必須安裝在同一個(gè)位置。鍛造行業(yè)的高溫狀態(tài)下鐵的發(fā)射率為0.9，故在紅外線溫度計(jì)上設(shè)定0.9的發(fā)射率。通過(guò)以上安裝位置與設(shè)定，確保2個(gè)紅外線溫度計(jì)的檢測(cè)條件一致，檢測(cè)點(diǎn)位于去氧化皮后料坯的表面，否則可能會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)誤差。線路安裝應(yīng)用屏蔽線，并且兩端接地，避免信號(hào)干擾。

五、紅外線溫度計(jì)的運(yùn)算及PLC的控制

紅外線溫度計(jì)輸出的是4-20ma的電流值，需要配置一塊西門(mén)子的模擬量模塊6ES7 331-7KF02-OAB0。該紅外線溫度計(jì)是2線制的傳感器，在西門(mén)子PLC的硬件組態(tài)中需將量程塊設(shè)定為D。紅外線溫度計(jì)1的地址為PIW272，紅外線溫度計(jì)2的地址為PIW280。

紅外線溫度計(jì)輸出的是模擬量的電流值，需要在PLC程序中用數(shù)值轉(zhuǎn)換塊FC120轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)的溫度。轉(zhuǎn)換程序如下：

CALL FC 120

IN ：="紅外線溫度計(jì)1料溫度檢測(cè)PIW"

HI_LIM ：=1.800000e+003

LO_LIM ：=6.500000e+002

BIPOLAR：=FALSE

RET_VAL：=LW10

OUT ：="shared".E35

L "shared".E35

L 0.000000e+000

+R

RND

T DB1.DBW 70

轉(zhuǎn)換后的瞬時(shí)溫度值存放在DB塊中，紅外線溫度計(jì)1的溫度值存放在DB1.DBW 70，紅外線溫度計(jì)2的溫度值存放在DB60.DBW 0。

西門(mén)子PLC的運(yùn)行周期是ms級(jí)的，每根棒料的出料檢測(cè)過(guò)程大約3-5S中，PLC在運(yùn)行過(guò)程中將收集到上千個(gè)溫度值，所以控制程序需要將溫度的峰值記錄作為棒料的溫度值。M26.1作為出料的檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)有料出到出料口時(shí)，進(jìn)行溫度傳輸對(duì)比。紅外線溫度計(jì)1的溫度峰值存放在DB1.DBW84，紅外線溫度計(jì)2的溫度峰值存放在DB60.DBW6。

程序運(yùn)算出溫度峰值作為該件棒料的出料料坯溫度，該溫度用于判定料坯溫度是否合格的標(biāo)準(zhǔn)。工藝要求溫度設(shè)定在HMI面板上設(shè)定，紅外線溫度計(jì)1檢測(cè)的溫度作為是否符合工藝要求的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)先與工藝設(shè)定溫度進(jìn)行對(duì)比，判定是否在工藝范圍內(nèi)。若紅外線溫度計(jì)1的溫度值在工藝范圍內(nèi)，則判定合格后再進(jìn)行第2次的雙紅外線溫度值對(duì)比，對(duì)比結(jié)果作為最后溫度是否合格的最終判定；若紅外線溫度計(jì)1的溫度值不在工藝范圍內(nèi)，直接判定不合格。

紅外線1溫度值與工藝溫度對(duì)比，程序如下：

A "坯料離開(kāi)出料口M"M26.7

= L 13.0

A L 13.0

A（

L DB1.DBW 84

L DB1.DBW 76

>=I

）

A（

L DB1.DBW 84

L DB1.DBW 74

<=I

）

S "HMI溫度正常" M26.2

S M 80.0

R "HMI超溫指示" M26.4

R M 26.0

R "HMI欠溫顯示"M26.6

R M 80.1

R M 80.2

R M 80.6

A L 13.0

JNB _00d

L DB1.DBW 84

T DB1.DBW 8

SET

SAVE

CLR

_00d： A BR

= M 25.1

DB1.DBW 76為工藝溫度下限，DB1.DBW 74為工藝溫度下限，當(dāng)溫度在工藝范圍內(nèi)，輸出"HMI溫度正常" M26.2。否則輸出溫度不合格的信息。溫度不合格的料坯直接由機(jī)器人抓取，存放在指定物料放置區(qū)。第一次對(duì)比溫度合格后將進(jìn)行第2次對(duì)比，只有第2次對(duì)比合格后，棒料才能由機(jī)器人傳送到下一道工序。DB60.DBD90為HMI設(shè)定的2個(gè)紅外線測(cè)溫的溫差，DB60.DBD30是轉(zhuǎn)化為32位的紅外線2溫度值，DB3.DBD16是轉(zhuǎn)化為32位的紅外線1溫度值。如圖四所示：

六、HMI面板的修改

人機(jī)界面又稱(chēng)為人機(jī)接口，簡(jiǎn)稱(chēng)HMI。HMI作為PLC與操作人員交換信息的設(shè)備。主要功能有過(guò)程可視化、操作人員對(duì)過(guò)程控制、顯示報(bào)警、記錄功能，輸出過(guò)程值和報(bào)警記錄。中頻上位機(jī)HMI采用西門(mén)子WinnCC flexible軟件編程。通過(guò)對(duì)HMI程序修改后，HMI上顯示監(jiān)控溫度及料坯溫度。如A線料坯溫度指紅外線溫度計(jì)1的溫度值，A線溫度監(jiān)控顯示指紅外線溫度計(jì)2的溫度值。當(dāng)料坯出了爐口的檢查開(kāi)關(guān)位置后，HMI面板上的溫度就會(huì)顯示更新后的溫度，且溫度后面還顯示料坯溫度是否合格的信息。修改后的效果如圖五：

七、數(shù)據(jù)收集及分析對(duì)比

中頻出口的吹掃氣及雙紅外線溫度計(jì)安裝后進(jìn)行了生產(chǎn)驗(yàn)證，連續(xù)收集了生產(chǎn)過(guò)程中的1300組數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)顯示，本次的雙紅外線溫度檢測(cè)符合國(guó)際客戶(hù)沃爾沃公司的要求，1300組數(shù)據(jù)顯示2個(gè)紅外線溫度計(jì)的溫度差最大為21度，平均溫度差為5.4度，符合設(shè)計(jì)方案的要求。

八、結(jié)語(yǔ)

鍛造生產(chǎn)屬于熱加工，由于熱加工的特殊性，生產(chǎn)過(guò)程中易出現(xiàn)不穩(wěn)定的因素，工件溫度是鍛造的成型和金相組織合格的重要條件。棒料表面去氧化皮后雙紅外線測(cè)溫在中頻設(shè)備上應(yīng)用，確保了溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性，解決了中頻加熱對(duì)鍛造工藝不穩(wěn)定的影響，保障了鍛造工序的生產(chǎn)過(guò)程的受控。在中頻加熱設(shè)備的測(cè)溫系統(tǒng)通過(guò)改造后，測(cè)溫穩(wěn)定，消除了氧化皮的干擾，不僅獲得了高端國(guó)際客戶(hù)的認(rèn)可，同時(shí)也為公司邁向國(guó)際化打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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