CN111536803B - 精准控制的精密真空气氛热处理炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精准控制的精密真空气氛热处理炉包括真空系统与PLC控制单元；所述的真空系统包括真空室(1)与真空机组(15)，所述的PLC控制单元包括PLC中央处理器、温控模块、真空检测模块、流量检测模块、输入输出模块、A/D转换模块、D/A转换模块与人机交互模块；所述的PLC中央处理器通过各模块检测系统参数；再结合人机交互模块设定的控制参数，通过输入输出模块控制各控制阀与真空机组(15)，通过D/A转换模块控制排气流量调节阀(17)的工作，实现精准控制真空系统。实现了真空室气氛压力的精准控制，可有效解决材料进行气氛热处理时，压力波动大，进而影响材料质量的问题。

Description

精准控制的精密真空气氛热处理炉

技术领域

本发明涉及材料测试与机械结构技术领域，尤其涉及一种精准控制的精密真空气氛热处理炉

背景技术

随着工业化发展，在材料制造领域，很多时候需要对材料进行在一定的气氛压力和温度环境下的处理，也就是在特定温度环境下进行精密气氛处理。

处理过程中，伴随着温度的变化，气氛(氢气、氮气、氨气等)参与物料反应而使材料产生吸气、脱 气反应，真空室内的气氛压力会出现很大的波动，而很多材料在热处理过程中会要求对气氛压力精准控制，小范围恒定，才能满足工艺处理的要求。

这就要求解决材料气氛热处理过程中遇到的气氛压力波动大，进而影响材料的处理质量问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种精准控制的精密真空气氛热处理炉，实现气氛压力精准控制，小范围恒定，解决材料气氛热处理过程中遇到的气氛压力波动大，进而影响材料的处理质量问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种精准控制的精密真空气氛热处理炉，包括真空系统与PLC控制单元；

所述的真空系统包括真空室1与真空机组15，真空机组15依次通过第一真空阀13与真空蝶阀9构成的主排气管路连接真空室1的进气接口；真空蝶阀9与真空室1间的管路设有真空计探头7与压力变送器6；所述的真空蝶阀9与真空室1连接的接口支路还通过第二真空阀12与排气流量调节阀17构成的辅助排气管路与真空机组15连接；所述的连接真空室1的进气接口还通过支路连接三个进气管路；

所述的PLC控制单元包括PLC中央处理器、温控模块、真空检测模块、流量检测模块、输入输出模块、A/D转换模块、D/A转换模块与人机交互模块；所述的PLC中央处理器通过温控模块检测系统温度参数、通过真空检测模块检测真空计探头7的真空参数、通过A/D转换模块检测压力变送器6的压力参数，通过流量检测模块检测排气流量调节阀17 的流量参数、通过输入输出模块接收管路上的各阀门的开关位置信号以及真空机组15的运行状态信号；再结合人机交互模块设定的控制参数，通过输入输出模块控制各控制阀与真空机组15，通过D/A转换模块控制排气流量调节阀17的工作，实现精准控制真空系统。

所述的进气管路包括分别并联连接于真空室1的进气接口的第一进气管路、第二进气管路与第三进气管路；

所述的第一进气管路包括第三真空阀8与进气流量调节阀3，第三真空阀8一端连接真空室1的进气接口，另一端连接进气流量调节阀3一端，进气流量调节阀3另一端连接气源，进气流量调节阀3另一端管路还设有压力表2；

所述的第二进气管路包括第四真空阀10，第四真空阀10一端连接真空室1的进气接口，另一端连接气源；

所述的第三进气管路包括第五真空阀11，第五真空阀11一端连接真空室1的进气接口，另一端连接气源。

所述的PLC控制单元的控制过程包括：

通过人机交互模块设置控制参数，控制参数包括真空室1内的各阶段气氛压力设置值、各阶段真空度设置值、各阶段温度设置值、各阶段处理时间；

启动真空泵组15，开启辅助排气管路上第二真空阀12，保持排气流量调节阀17全开状态，真空室1辅助排气管路接通，开始抽预真空，当真空计探头7检测真空度到达抽预真空阶段真空度设置值时，控制关闭第二真空阀12，开启第一真空阀13与真空蝶阀9，主排气管路接通，压力变送器6实时监测真空室1内压力值反馈给PLC中央处理器，压力值到达工作阶段气氛压力设置值后，依次关闭真空蝶阀9，第二真空阀12，关闭真空泵组15 的高真空机组；

所述的PLC控制单元控制对真空室1加热，加热到设定条件后，通过第一进气管路向真空室1内通入工艺气体，进行工艺处理，PLC中央处理器通过A/D转换模块对压力变送器6采集的真空室1气氛压力进行转换、经PID计算，将控制量操作值信号通过D/A转换模块发送给流量调节阀3，实时调节进气流量调节阀3的开度大小，以控制进气量的大小，进而精准控制真空室内的压力；当真空室1内压力升高，超过设定的排气气氛压力设置值时，开启辅助排气管路上第二真空阀12，通过A/D与D/A转换模块调节排气流量调节阀 17，根据压力变送器6实测值与工作阶段气氛压力设置值偏差动态调整排气流量调节阀17 开度大小，实现控制排气，进而实现精准控制真空室1内气氛压力；

当气氛处理时间达到工艺要求，需要抽真空时，开启辅助排气管路上第二真空阀12，保持排气流量调节阀17全开状态，开始预排气过程，当真空计探头7检测真空度到达预排气阶段真空度设置值时，控制自动关闭二真空阀12，启动真空泵组15高真空机组，开启第一真空阀13与真空蝶阀9，实现快速抽真空过程；压力变送器6实时监测真空室1内压力值反馈给PLC中央处理器，压力值到达工作阶段气氛压力设置值后，依次关闭真空蝶阀9，第二真空阀12，关闭真空泵组15的高真空机组与低真空机组，停止加热，完成全过程。

所述的工艺处理过程中，如需其他气体的介入，可通过第二或第三进气管路充入。

所述的真空室1的进气接口还连接安全阀4，当真空室1内的压力超过设定的警戒气氛压力设置值，开启安全阀4释放真空室内的压力。

所述的真空室1还连接有放气阀5。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种精准控制的精密真空气氛热处理炉，实现了气氛压力精准控制，小范围恒定。解决了材料气氛热处理过程中遇到的气氛压力波动大，进而影响材料的处理质量问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的精准控制的精密真空气氛热处理炉结构示意图；

图2为本发明实施例提供的精准控制的精密真空气氛热处理炉控制系统框图；

图3为本发明实施例提供的精准控制的精密真空气氛热处理炉PLC控制单元控制原理图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

实施例一

如图1所示，一种精准控制的精密真空气氛热处理炉，包括真空系统与PLC控制单元；所述的真空系统包括真空室1与真空机组15。真空室1气氛适用氮气、氢气等所有非腐蚀性气体。排气管路包括主排气管路与辅助排气管路，主排气管路包括第一真空阀13 与真空蝶阀9，辅助排气管路包括第二真空阀12与排气流量调节阀17，排气流量调节阀17 与真空机组15间设置真空表16，显示真空机组15的真空度。所述的辅助排气管路是在压力需要精确控制时或需要预排气情况下使用。所述的主排气管路，是在系统需要快速排气或快速抽真空时使用。

真空机组15可由机械泵、罗茨泵、扩散泵组成，可根据需要进行合理的组合。具体的真空机组15包括高真空机组与低真空机组，高真空机组采用扩散泵或分子泵，提供系统的高真空；低真空机组采用旋片式机械真空泵或柱塞式真空泵+罗茨真空泵，提供系统的低真空；高真空机组与低真空机组间通过第六真空阀14连通。真空机组15依次通过第一真空阀13与真空蝶阀9构成的主排气管路连接真空室1的进气接口；真空蝶阀9与真空室 1间的管路设有真空计探头7与压力变送器6，真空计探头7通过电阻规与电离规用于测量高低真空；所述的真空蝶阀9与真空室1连接的接口支路还通过第二真空阀12与排气流量调节阀17构成的辅助排气管路与真空机组15连接；所述的连接真空室1的进气接口还通过支路连接三个进气管路；

所述的进气管路包括分别并联连接于真空室1的进气接口的第一进气管路、第二进气管路与第三进气管路；

所述的第一进气管路包括第三真空阀8与进气流量调节阀3，第三真空阀8一端连接真空室1的进气接口，另一端连接进气流量调节阀3一端，进气流量调节阀3另一端连接气源，进气流量调节阀3另一端管路还设有指针式真空压力表2，用于测量低真空与正压；

所述的第二进气管路包括第四真空阀10，第四真空阀10一端连接真空室1的进气接口，另一端连接气源；

所述的第三进气管路包括第五真空阀11，第五真空阀11一端连接真空室1的进气接口，另一端连接气源。

所述的真空室1的进气接口还连接安全阀4，当真空室1内的压力超过设定的警戒气氛压力设置值，开启安全阀4释放真空室内的压力。

如图2与图3所示，所述的PLC控制单元包括PLC中央处理器(CPU模块)、温控模块、真空检测模块、流量检测模块、输入输出模块、A/D转换模块、D/A转换模块与人机交互模块；PLC意思是可编程逻辑控制器。所述的PLC中央处理器通过温控模块检测系统温度参数、通过真空检测模块检测真空计探头7的真空参数、通过A/D转换模块检测压力变送器6的压力参数，通过流量检测模块检测排气流量调节阀17的流量参数、通过输入输出模块接收管路上的各阀门的开关位置信号以及真空机组15的运行状态信号；再结合人机交互模块设定的控制参数，通过输入输出模块控制各控制阀与真空机组15，通过D/A转换模块控制排气流量调节阀17的工作，实现精准控制真空系统。

A/D转换模块指的是模拟量--数字量转换器采用三菱Q系列Q68AD模块；D/A转换模块指的是数字量-模拟量转换器，采用三菱Q系列Q68DA模块。

温控模块采用三菱Q系列PLC的Q64TTCN温度模块与测温热电偶连接，测温热电偶设于真空室1中，测温热电偶温度信号反馈给温度模块，通过PLC中央处理器对真空室1 进行加热与温度控制。具体的将加热量操作值传给可控硅调功器控制加热元件的电流，进而精确控制真空室1加热温度。

所述的输入输出模块的输入模块连接并接收管路上的各阀门的开关位置信号以及真空机组15的运行状态信号，输入输出模块的输出模块，通过中间继电器或接触器与各阀门与机械泵以及真空机组15相连，控制这些执行部件的动作。

所述的输入输出模块的输入模块还连接设有报警模块，连接真空室1中的水压传感器、温度传感器、气压传感器、可燃气体报警器等，当出现断水、断电、供气管路超压、泄露等情况时，报警系统会通过声光形式进行报警。

人机交互模块可以采用人机交互触摸屏，可以方便地输入所要控制的控制参数，包括设定各阶段气氛压力设置值、各阶段真空度设置值、各阶段温度设置值、各阶段处理时间。各阶段处理时间包括各阶段温度保持时间与各阶段压力保持时间。具体的，可以通过设定温度曲线来设置各阶段温度设置值与各阶段温度保持时间。可以通过、压力控制精度(范围)、进气时刻与气氛压力设置值等来设置各阶段气氛压力设置值与各阶段压力保持时间。

所述的PLC控制单元的控制过程包括：

首先，通过人机交互模块设置控制参数，控制参数包括真空室1内的各阶段气氛压力设置值、各阶段真空度设置值、各阶段温度设置值、各阶段处理时间。各设置值用SV表示。

各阶段气氛压力设置值包括：工作阶段气氛压力设置值、排气气氛压力设置值与警戒气氛压力设置值。

各阶段真空度设置值包括：抽预真空阶段真空度设置值与预排气阶段真空度设置值。

其次，启动真空泵组15，开启辅助排气管路上第二真空阀12，保持排气流量调节阀17全开状态，真空室1辅助排气管路接通，开始抽预真空，当真空计探头7检测真空度到达抽预真空阶段真空度设置值SV时，控制关闭第二真空阀12，开启第一真空阀13与真空蝶阀9，主排气管路接通，压力变送器6实时监测真空室1内压力值反馈给PLC中央处理器，压力值到达工作阶段气氛压力设置值SV后，依次关闭真空蝶阀9，第二真空阀12，关闭真空泵组15的高真空机组，低真空机组继续工作。

再次，所述的PLC控制单元控制对真空室1加热，加热到设定条件后，可通过第一进气管路向真空室1内通入工艺气体，进行工艺处理，PLC中央处理器通过A/D转换模块对压力变送器6采集的真空室1气氛压力进行转换，得到测定值PV、经PID计算，输出的PID 控制指令转换为进气操作值MV，再将控制量进气操作值MV信号通过D/A转换模块发送给流量调节阀3，实时调节进气流量调节阀3的开度大小，以控制进气量的大小，进而精准控制真空室内的压力；当真空室1内压力升高，测定值PV超过设定的排气气氛压力设置值 SV时，开启辅助排气管路上第二真空阀12，输出排气操作值MV，通过D/A转换模块调节排气流量调节阀17，根据压力变送器6实测值与工作阶段气氛压力设置值SV偏差动态调整排气流量调节阀17开度大小，实现控制排气，进而实现精准控制真空室1内气氛压力。具体的排气流量调节阀17与进气流量调节阀3的开度是由A/D转换模块根据压力变送器6反馈的压力信号，经过PID算法动态控制的，进而实时精确控制真空室内的压力。PID算法是指比例-积分-微分算法。

最后，当气氛处理时间达到工艺要求，需要抽真空时，开启辅助排气管路上第二真空阀12，保持排气流量调节阀17全开状态，开始预排气过程，当真空计探头7检测真空度到达预排气阶段真空度设置值时，控制自动关闭二真空阀12，启动真空泵组15高真空机组，开启第一真空阀13与真空蝶阀9，实现快速抽真空过程；压力变送器6实时监测真空室1内压力值反馈给PLC中央处理器，压力值到达工作阶段气氛压力设置值后，依次关闭真空蝶阀9，第二真空阀12，关闭真空泵组15的高真空机组与低真空机组，停止加热。完成全过程。

所述的真空室1的进气接口还连接气动放气阀5，用于正压主动安全保护和真空室1放空时，与大气接通。用于安全保护作用时，即当真空室1内为正压时，实际压力超过设定安全值，PLC控制单元接到压力变送器6传送的压力信号后，发出指令开启气动放气阀5，使超压气体排出，达到安全压力后，自动关闭。以确保安全。用于接通大气时，即欲使真空室1内压力与大气相通平衡时，可手动模式下，输入排气操作值MV通过面板开关开启关闭气动放气阀5。自动模式与手动模式可以互相切换。

所述的工艺处理过程中，如需其他气体的介入，可通过第二或第三进气管路充入，若也需对进气进行精准控制，可参照第一进气管路配置，在进气管路上加装流量调节阀同时在PLC控制单元程序中增加控制来实现。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种精准控制的精密真空气氛热处理炉，其特征在于：包括真空系统与PLC控制单元；

所述的真空系统包括真空室（1）与真空机组（15），真空机组（15）依次通过第一真空阀（13）与真空蝶阀（9）构成的主排气管路连接真空室（1）的进气接口；真空蝶阀（9）与真空室（1）间的管路设有真空计探头（7）与压力变送器（6）；所述的真空蝶阀（9）与真空室（1）连接的接口支路还通过第二真空阀（12）与排气流量调节阀（17）构成的辅助排气管路与真空机组（15）连接；所述的连接真空室（1）的进气接口还通过支路连接三个进气管路；

所述的PLC控制单元包括PLC中央处理器、温控模块、真空检测模块、流量检测模块、输入输出模块、A/D转换模块、D/A转换模块与人机交互模块；所述的PLC中央处理器通过温控模块检测系统温度参数、通过真空检测模块检测真空计探头（7）的真空参数、通过A/D转换模块检测压力变送器（6）的压力参数，通过流量检测模块检测排气流量调节阀（17）的流量参数、通过输入输出模块接收管路上的各阀门的开关位置信号以及真空机组（15）的运行状态信号；再结合人机交互模块设定的控制参数，通过输入输出模块控制各控制阀与真空机组（15），通过D/A转换模块控制排气流量调节阀（17）的工作，实现精准控制真空系统；

所述的进气管路包括分别并联连接于真空室（1）的进气接口的第一进气管路、第二进气管路与第三进气管路；

所述的第一进气管路包括第三真空阀（8）与进气流量调节阀（3），第三真空阀（8）一端连接真空室（1）的进气接口，另一端连接进气流量调节阀（3）一端，进气流量调节阀（3）另一端连接气源，进气流量调节阀（3）另一端管路还设有压力表（2）；

所述的第二进气管路包括第四真空阀（10），第四真空阀（10）一端连接真空室（1）的进气接口，另一端连接气源；

所述的第三进气管路包括第五真空阀（11），第五真空阀（11）一端连接真空室（1）的进气接口，另一端连接气源；

所述的PLC控制单元的控制过程包括：

通过人机交互模块设置控制参数，控制参数包括真空室（1）内的各阶段气氛压力设置值、各阶段真空度设置值、各阶段温度设置值、各阶段处理时间；

启动真空机组（15），开启辅助排气管路上第二真空阀（12），保持排气流量调节阀（17）全开状态，真空室（1）辅助排气管路接通，开始抽预真空，当真空计探头（7）检测真空度到达抽预真空阶段真空度设置值时，控制关闭第二真空阀（12），开启第一真空阀（13）与真空蝶阀（9），主排气管路接通，压力变送器（6）实时监测真空室（1）内压力值反馈给PLC中央处理器，压力值到达工作阶段气氛压力设置值后，依次关闭真空蝶阀（9），第二真空阀（12），关闭真空机组（15）的高真空机组；

所述的PLC控制单元控制对真空室（1）加热，加热到设定条件后，通过第一进气管路向真空室（1）内通入工艺气体，进行工艺处理，PLC中央处理器通过A/D转换模块对压力变送器（6）采集的真空室（1）气氛压力进行转换、经PID计算，将控制量操作值信号通过D/A转换模块发送给进气流量调节阀（3），实时调节进气流量调节阀（3）的开度大小，以控制进气量的大小，进而精准控制真空室内的压力；当真空室（1）内压力升高，超过设定的排气气氛压力设置值时，开启辅助排气管路上第二真空阀（12），通过A/D与D/A转换模块调节排气流量调节阀（17），根据压力变送器（6）实测值与工作阶段气氛压力设置值偏差动态调整排气流量调节阀（17）开度大小，实现控制排气，进而实现精准控制真空室（1）内气氛压力；

当气氛处理时间达到工艺要求，需要抽真空时，开启辅助排气管路上第二真空阀（12），保持排气流量调节阀（17）全开状态，开始预排气过程，当真空计探头（7）检测真空度到达预排气阶段真空度设置值时，控制自动关闭第二真空阀（12），启动真空机组（15）高真空机组，开启第一真空阀（13）与真空蝶阀（9），实现快速抽真空过程；压力变送器（6）实时监测真空室（1）内压力值反馈给PLC中央处理器，压力值到达工作阶段气氛压力设置值后，依次关闭真空蝶阀（9），第二真空阀（12），关闭真空机组（15）的高真空机组与低真空机组，停止加热，完成全过程。

2.根据权利要求1所述的精准控制的精密真空气氛热处理炉，其特征在于，所述的工艺处理过程中，如需其他气体的介入，可通过第二或第三进气管路充入。

3.根据权利要求1所述的精准控制的精密真空气氛热处理炉，其特征在于，所述的真空室（1）的进气接口还连接安全阀（4），当真空室（1）内的压力超过设定的警戒气氛压力设置值，开启安全阀（4）释放真空室内的压力。

4.根据权利要求1所述的精准控制的精密真空气氛热处理炉，其特征在于，所述的真空室（1）还连接有放气阀（5）。

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