CN1904784A - 热处理无线虚拟仪表集中控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种热处理技术领域的热处理无线虚拟仪表集中控制系统。包括：虚拟仪表主计算机、主机无线通讯器、一组下位无线通讯器、一组模/数转换器、一组输入/数字转换器、一组数/模转换器、一组数字/输出转换器，虚拟仪表主计算机与主无线通讯器连接，主无线通讯器与下位无线通讯器进行数字量通讯，下位无线通讯器与模/数转换器或输入/数字转换器或数/模转换器或数字/输出转换器连接，本发明充分发挥虚拟仪器技术灵活性好、适应性强的优势，达到功能强、可适应不同用户、可靠性高、安装方便、成本低的特点和要求。

Description

热处理无线虚拟仪表集中控制系统

技术领域

本发明涉及的是一种热处理技术领域的系统，具体涉及一种热处理无线虚拟仪表集中控制系统。

技术背景

热处理生产过程控制包括温度控制、气体压力控制、气体成分控制和机械运动的控制，温度的精确控制是实现热处理质量控制首先必须解决的问题。气体压力控制分为气体总压力的控制和炉气中某种气体分压力的控制，前者用于各种真空热处理设备和高压气淬设备，后者广泛应用于各种气体化学热处理的控制，因为炉气中的气体成分以及碳或氮的活度与气体分压有关。

现代制造业对零件的使用性能和可靠性的要求愈来愈高，因此除了正确控制气相碳势或氮势之外还要求控制工件表面碳或氮浓度以及渗层中浓度分布曲线，这就需要应用描述渗层浓度分布的数学模型。随着真空热处理技术的发展，除了需要正确控制真空加热炉的温度之外，还要控制真空度，根据低于大气压力范围的真空度传感器的测量值反馈控制真空系统，包括真空泵及真空管道中的阀门等。对于高压气淬设备则应根据压力传感器的测量值反馈控制高压气体的压力阀、减压阀以及增压泵或抽气泵。此外，现代化的大规模生产要求机械化、自动化操作，所以在热处理控制技术中常常还涉及机械运动的控制。鉴于以上所述的热处理生产过程的复杂性和多样性，上世纪八十年代以来热处理计算机控制技术发展迅速，目前常用的有以单片机为核心的商品化的温度控制智能仪表，智能碳势控制仪等智能化仪表，也有用工业控制计算机作为上位机、以智能化仪表和可编程控制器为下位机的集散式或称分布式控制系统，由于商品化的智能仪表的功能是出厂时设定的，因而还难以完全适应热处理过程控制的复杂性和多样化的要求。

经对现有技术文献的检索发现：“基于虚拟仪器技术的热处理过程监控系统设计”(段晓杰、王宝珠、潘洪刚，金属热处理，第30卷(2005)增刊，P.175-178)报道了一种基于虚拟仪器技术的热处理过程监控系统，该过程监控系统的硬件由各类传感器、信号处理器、带有模拟量输出功能的高速数据采集卡、高端配置的计算机作为监控主机和故障实时打印机构成。连续炉上的热电偶、压力开关、流量监视器、液位开关、行程开关等传感器都连接到数据采集卡的模拟输入通道，用来监测各种参数，温度控制器、气氛控制仪、指示灯、声光报警等执行机构都连接到数据采集卡的输出通道，由监控计算机输出信号进行控制。装LabVIEW软件的计算机作为监控主机，可控制和修改各种工艺参数，选择主机内予设的任何一套工艺方案运行、监控生产线的运行状态、查看生产线实时故障报警、各部分工艺完成情况，记录各工艺参数运行曲线、各故障报警时间记录，并可随时进行打印。生产线的运行情况、报警指示都能通过主机屏幕上的连续炉模拟监控面板显示，气氛控制仪可在设定的参数范围内自动控制，并能对气体进行自动调节，保持实际氮势在设定范围内；温度控制仪按设定的PID曲线控制加热器，将各控制区的温度控制在设定范围内。

在检索中又发现：《热处理炉温智能测控专家系统的设计与实现》(腾召胜，郑舜生，童调生，金属热处理学报，Vol，20，No.3(1999年9月)P.25-29)报道了一种根据疏失误差情况判定失效测量通道和非失效测量通道的热处理炉温度控制技术，该项技术需要对每一个测温区设有八个热电偶，设某一温区的多次独立温度测量得到按从小到大的顺序排列的测量列：

T₁，T₂，……，T₈，

定义中位数为： $T_m=\frac{T_4+T_5}{2}$

上四分位数F_U为区间[T_m，T₈]的中位数，下四分位数F_L为区间[T_L，T_m]的中位数，四分位数的离散度为：dF＝F_U-F_L

认定与中位数距离大于dF的数据为离异数据，即无效数据的判断区间为：

|T_i-T_m|≥dF

区间[F_L-dF，F_U+dF]N内的数据被认为是有效一致性测量数据，计算机将对一致性测量数据进行数据融合处理，可获得比算术平均值算法更准确的测量结果。

现有技术的不足之处如下：

1、现有技术中监控主机与各类传感器、监视器和开关之间、监控主机与温度控制器、气氛控制仪以及监控主机与各种执行器之间都是用导线连接的，难以充分发挥虚拟仪器技术灵活性的优势。车间设备的布置的灵活性也受到一定限制。安装施工时挖沟和布线的工作量很大，而且热处理车间是一种强电磁场环境，控制系统的导线的抗电磁干扰的要求很高，现有技术中用导线传输信号的方法，常常成为影响控制的可靠性的因素之一。现有技术不具备对温度传感器(热电偶或电热阻)的老化和失效进行自动监控的功能。热电偶或电热阻长期在高温状态下工作会逐渐老化，热电偶冷端的电热势(或电热阻的电阻值)随使用时间的增长而逐渐改变，而且在使用过程中也会出现因某些偶然的因素导致热电势(或电阻)的改变，当热电势(或电阻)的漂移超过规定的允许值时，该温度传感器即告失效，必须及时更换。由于现有技术中不具备对温度传感器是否失效进行在线连续监测的功能，因此在温度控制可靠性方面留下隐患。

现有技术《热处理炉温智能测控专家系统的设计与实现》中的方法虽然可以提高测量的精确度，但是该法需要在每一个控温区安装8支热电偶，计算机和每一个热电偶都要用导线连接，其缺点在于：增加了设备安装的难度和成本，而且导线愈多受电磁干扰的可能性愈大。更值得注意的是，该文献虽然声称可以“对已确定的失效通道，分析导致失效的原因，显示和保存故障记录”。然而按照该文提出的算法，在任何时刻都会有至少一支热电偶的测量值落入“无效数据的判断区间”内。以致于无论8支热电偶是质量如何，在任一时刻都会产生无效数据，以致任何时刻都有至少一个通道被判定为失效通道，所以该项技术事实上并不具备判断热电偶是否失效的功能，更不可能分析导致失效的原因。由此可见该项技术同样不具备对温度传感器是否失效进行在线监测的功能。

2、需要定期用标准热电偶对温度进行检测，并根据检验的结果对测温电热偶或控温热电偶进行修正，在现有技术中不具备将标准热电偶(或标准热电阻)直接与监控计算机或温度控制仪连接，并自动对温度测量值进行修正的功能。用人工的方法进行炉温校验和读数修正有可能引入人为因素造成的差错。

3、上述对比文件的监控系统中仍然需要有温度控制仪和气氛控制仪，仍然没有完全摆脱对传统的仪表的依赖。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，本发明提出一种热处理无线虚拟仪表集中控制系统，使其充分发挥虚拟仪器技术灵活性好、适应性强的优势，达到功能强、可适应不同用户、可靠性高、安装方便、成本低的特点和要求。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：虚拟仪表主计算机、主机无线通讯器、一组下位无线通讯器、一组模/数转换器(亦称A/D转换器，或A/D)、一组输入/数字转换器(亦称I/D转换器，或I/D)、一组数/模转换器(亦称D/A转换器，或D/A)、一组数字/输出转换器(亦称D/O转换器，或D/O)，虚拟仪表主计算机与主无线通讯器连接，主无线通讯器与下位无线通讯器进行数字量通讯，下位无线通讯器与模/数转换器或输入/数字转换器连接，来自外部设备的热电偶或热电阻或传感器或开关量讯号源或PLC的模拟量或开关量讯号被转换成数字量之后由下位无线通讯器发送到主无线通讯器，并传送到虚拟仪表主计算机，构成无线输入线路。下位无线通讯器与数/模转换器或数字/输出转换器连接，虚拟仪表主计算机用数字量发出的调节指令由主无线通讯器发送到下位无线通讯器，经过数/模转换器转换成模拟量或经过数字/输出转换器转换为开关量，驱动外部设备的调节器或执行器或执行元件或PLC，构成无线输出线路。

其中虚拟仪表主计算机顶层是虚拟上位机，中间层是虚拟控制柜，底层是虚拟仪表，各个虚拟控制柜在虚拟上位机的支撑和监控之下运行，虚拟仪表主计算机将虚拟上位机、虚拟控制柜和虚拟仪表全部集成在一台工业控制机中，底层中每一个虚拟仪表与所选定的无线输入线路和无线输出线路连接在一起，构成一个无线控制回路，每一个虚拟仪表分别在所归属的虚拟控制柜支撑和监控下按工艺设定的程序运行，所有虚拟控制柜在顶层的虚拟上位机的支撑和监控下运行。用计算机内部数据传递的方式连接成一个三层结构的分布式计算机控制系统。每个虚拟仪表分别在所从属的虚拟控制柜的支撑和监控下运行，通过计算机内部的数据共享和数据传递、按树状结构的方式实现三层之间的连接，虚拟仪表主计算机与各个虚拟控制柜进行连接，每个虚拟控制柜与归属于它的各个虚拟仪表进行连接，而各个虚拟控制柜之间不能通讯，各个虚拟仪表之间也不能相互通讯，虚拟仪表不能与虚拟上位机直接通讯。三层之间的相互关系和运行方式与一般常用的分布式(集散式)计算机控制系统相同，本发明将三层的功能全部集成在一台工业控制机中，通过计算机内部的数据共享和数据传递实现三层之间的连接，而不需要像现有的分布式控制系统那样籍助于导线进行数字通讯。

以下对本发明的技术方案进一步详细说明：

虚拟仪表主计算机是多层结构，各层的特征如下：

1.顶层：

①定义热处理虚拟仪表集中控制系统的名称，例如“××热处理无线虚拟仪表集中控制系统”、“×××生产线热处理无线虚拟仪表集中控制系统”等等。

②设定本系统中各个虚拟控制柜，由用户输入各虚拟控制柜的名称及其所控制的设备的名称。

③在显示屏上设置各个虚拟控制柜的“进入运行”和“退出运行”的虚拟按钮。

④对各个设备的虚拟控制柜的运行进行监控和管理。

⑤备有热处理工艺库和数据库供中间层调用。

⑥标度变换数据库：存贮热电偶的标度变换数据即热电势与温度关系的数据，以及本系统中各种传感器的标度变换数据、即被测的物理量与传感器发出的模拟量或数字量之间的转换关系，供中间层及下层调用。

⑦工艺记录数据库：存贮生产过程中各种参数的记录数据，可供查询和打印。

⑧设有无线控制回路库：存贮已被定义的无线控制回路的名称及其中的虚拟仪表的名称、功能和运行程序，供中层和下层调用。

此外，虚拟上位机还可以具备通常集散式(分布式)计算机系统的上位机的其他功能，例如接入互联网或企业的内部局域网，生产管理、专家系统以及工艺过程计算机模拟和工艺优化等功能。

2.中间层：

①设定本虚拟控制柜所控制的“无线控制回路”，由用户从无线控制回路库中选用本虚拟控制柜所需的“无线控制回路”。

②在屏幕上显示被控设备的图形，包括该设备的传感器、开关量讯号源、PLC和各种执行器(例如电传动或气动或液压传动机构、各类电动机、加热功率调节器、开关、继电器、泵、阀、流量调节器、功率调节器、频率调节器、速度调节器等)配置的图形。

③在屏幕上设置虚拟控制柜面板，在其上包括用于显示被控设备中各种参数的测量值和设定值的虚拟表头；用于显示记录曲线的虚拟记录仪；显示各种执行元件或执行机构动作的文字说明或图形或虚拟指示灯；每一个无线控制回路进入运行或退出运行的虚拟按钮。

④从顶层调用标度变换数据或在屏幕提示下由用户输入传感器、执行器或调节器的标度转换数据，并存贮在标度变换数据文件中供下层的虚拟仪表调用。

⑤由用户输入被控设备的操作程序和热处理工艺参数的设定值，存贮于工艺设定数据库，供下层的虚拟仪表调用。

⑥自定义无线控制回路：除了本系统已存贮的无线控制回路可供用户选用之外，虚拟控制柜具有自定义无线控制回路的功能，(i)用户通过无线控制回路自定义界面输入无线控制回路的名称；(ii)自定义该回路中虚拟仪表的名称及功能，写入该虚拟仪表的程序；(iii)输入传感器的类型及其标度变换数据(iv)输入执行器或执行元件或调节器的名称，执行器或执行元件或调节器的标度变换数据，即虚拟仪表的输出讯号与执行器或调节器的开度之间的转换关系；(v)在屏幕上设置显示测量值和设定值的虚拟表头以及虚拟记录仪；(vi)将自定义的虚拟仪表及其相关的无线控制回路置于本虚拟控制柜的控制下投入运行。

⑦按工艺设定程序监控本虚拟控制柜所属的各虚拟仪表运行。

⑧将运行过程中的各种工艺参数的记录数据输到顶层虚拟上位机的工艺记录数据库。

在虚拟仪表主计算机的运算速度足够大的情况下，中间层的虚拟控制柜还可具有采用热处理生产过程在线模拟技术和在线优化工艺参数的功能。

3.底层：

读取无线输入线路输入的数字量，调用标度变换数据，将输入的数字量转换成被测参数的测定值，从工艺设定数据库调用操作程序和工艺参数设定值。将测定值与工艺设定值进行比较，作出调节决策，计算出调节值，将调节值输出至无线输出线路，实现无线控制回路的闭环反馈控制。

虚拟仪表可以根据不同情况分别采用单路输入单路输出或多路输入单路道输出或单路输入多路道输出或多路输入多路输出等不同方案。

所述的虚拟仪表主计算机，其底层的每一个虚拟仪表和由它控制的无线输入线路及无线输出线路组成无线控制回路，其工作方式为：由虚拟仪表主计算机内的虚拟仪表将输入/输出通道接收到的数字量转换成被测量参数的采样值(物理量或布尔变量)，再将采样值与工艺设定值进行比较，作出调节决策，计算出调节值，将调节值经由输入/输出通道输出至主无线通讯器，由后者用数字量无线通讯方式发至下位无线通讯器，数/模转换器或数字/输出转换器将下位无线通讯器收到的数字量转换为模拟量或开关量的调节信号，反馈至外部设备从而实现闭环反馈控制。虚拟仪表主计算机内各个虚拟仪表分别在所归属的一个虚拟控制柜的支撑和监控下运行，各个虚拟控制柜在顶层的虚拟上位机的支撑和监控下运行，成为一个完整的热处理无线虚拟仪表集中控制系统。

所述的无线输入线路，可以为以下4种无线输入线路的一种：

①来自外部设备的热电偶无线输入线路；外部设备中的热电偶产生的电动势经由模/数转换器至下位无线通讯器至主无线通讯器至虚拟仪表主计算机。

②来自外部设备的传感器无线输入线路：外部设备中各个传感器的讯号经由模/数转换器至下位无线通讯器至主无线通讯器至虚拟仪表主计算机。

③来自外部设备的开关量讯号源无线输入线路：外部设备中各个开关量讯号经由输入/数字转换器至下位无线通讯器至主无线通讯器至虚拟仪表主计算机。

④来自外部设备的PLC无线输入线路：外部设备中各个PLC发出的讯号经由模/数转换器或输入/数字转换器至下位无线通讯器至主无线通讯器至虚拟仪表主计算机。

所述的无线输出线路，可以为以下4种无线输出线路的一种：

①通向外部设备加热功率调节器的无线输出线路：虚拟仪表主计算机输出的指令经由主无线通讯器至下位无线通讯器至数/模转换器或数字/输出转换器至外部设备中的加热功率调节器。

②通向外部设备PLC的无线输出线路：虚拟仪表主计算机输出的指令经由主无线通讯器至下位无线通讯器至数/模转换器或数字/输出转换器至外部设备中的PLC。

③通向执行器或执行元件的无线输出线路：虚拟仪表主计算机输出的调节值信号经过主无线通讯器至下位无线通讯器至数/模转换器或数字/输出转换器至外部设备中的执行器或执行元件。由用户根据不同设备的特点选择不同的执行元件或执行器，例如，电传动机构、液压传动机构、各类电动机、泵、阀、流量调节器、压力调节器、功率调节器、频率调节器、速度调节器、继电器、开关等。

④开关量无线输出线路：由虚拟仪表主计算机输出的开关量讯号经由主无线通讯器至下位无线通讯器至数字/输出转换器输出至外部设备中的开关量执行元件。

所述的PLC无线输入线路，其可以和一组等效的来自开关量讯号源的无线输入线路相互置换。

所述的PLC的无线输出线路，其可以和一组等效的开关量无线通出线路或一组等效的通向执行器的无线输出线路互换。

被控对象中的每一支热电偶、每一个传感器、每一个开关量讯号源、每台PLC、每一个加热功率调节器、每一个执行器、每一个开关量执行元件都分别连接在一条各自独立的无线输入线路或无线输出线路上，每一条无线输入线路或无线输出线路可以单独用一个下位无线通讯器，也可以由多条无线输入线路或无线输出线路合用一个下位无线通讯器。

所述的底层，包含温度控制虚拟仪表，热电偶或热电阻温度传感器的无线输入线路、温度控制虚拟仪表和通向加热功率调节器的无线输出线路组成温度无线控制回路。在同一测量点上可配置单支或二支或三支热电偶，分别构成一个单支或双支或三支热电偶无线控制回路，该回路中的温度控制虚拟仪表对各支热电偶的测量值进行比较，如果差值在允许范围内，则以各支热电偶测量值的平均值作为该测量点在该时刻的温度测量值，当各支之间的差值超过规定值时，即发出报警讯号。在每一个温度无线控制回路中还预留一条无线通讯输入线路，以备在校温时输入标准热电偶的讯号，由温度控制虚拟仪表自动计算出温度的校正值。并在温度控制过程中自动修正温度测量值。

其中温度控制虚拟仪表的工作原理如下：从输入通道读取温度传感器的采样值(数字量)，经过数据转换得出温度的实时测量值T(物理量)，从工艺设定数据库调用温度设定值T_D，将T与T_D进行比较，按照一定的控制算法(例如PID算法、模糊控制算法等)作出调节决策，计算出功率的调节值，调节值以数字量讯号输出，由主无线通讯器发送至与功率调节执行器相连的下位无线通讯器，实现温度的闭环控制。与此同时将T值输送到显示模块，在屏幕的虚拟表头上用数字显示当前温度测量值，在虚拟记录仪上显示温度变化曲线。温度控制虚拟仪表还根据温度实测值作出热处理设备运行状况判断，若出现异常，在屏幕上显示报警信息，并通过输出通道发出声光报警指令。

在对温度控制的精度和可靠性的要求较高的情况下，本发明设置了双支或三支热电偶温度无线控制回路，其特点是用双支热电偶或三支热电偶对同一个测温点进行温度测量。即用四孔芯棒或六孔芯棒将二支或三支热电偶安装在同一个热电偶套管内，各支热电偶所产生的热电势分别通过模/数转换器、下位无线通讯器、主无线通讯器输入温度控制虚拟仪表中，构成一个双支热电偶或三支热电偶的温度无线通讯输入线路，温度控制虚拟仪表对各支热电偶的测量值进行比较，作出采样值可信度判断，规定一个差值的允许范围ΔT_允，如果各支热电偶的差值在规定的允许范围内，即：

对于双支热电偶，|T₁-T₂|≤ΔT_允。

对于三支热电偶，|T₁-T₂|≤ΔT_允及|T₂-T₃|≤ΔT_允及|T₁-T₃|≤ΔT_允。

可判定该测温点的温度采样值的精度满足要求。以各热电偶的平均值 $T=\frac{T_1+T_2}{2}$ 或 $T=\frac{T_1+T_2+T_3}{3}$ 作为该测量点在该时刻的温度值量值。如果同一测温点上各支热电偶之间的差值超过允许值，即发出报警信号，以便操作人员及时更换新的热电偶，从而保证温度测量与控制的精度和可靠性。

温度控制虚拟仪表可以具有自动选择单支或双支或三支热电偶温度控制算法的功能，实施方式如下：温度控制虚拟仪表采集同一测温点上三个热电偶接线端的电阻值讯号，若其中有二支热电偶的接线端的电阻为开路电阻，则按单支热电偶算法对该测温点进行控制，若有一支热电偶的接线端的电阻为开路电阻，则按双支热电偶算法对该测温点进行控制，如果三支热电偶的接线端的电阻都不是开路电阻，则按三支热电偶算法对该测温点进行控制。

温度控制虚拟仪表还具有自动计算和存贮标准热电偶的采样值与测温热电偶采样值之差值，自动对温度测量值进行修正的功能。

在温度控制虚拟仪表自动记存每一支测温热电偶采样值与标准热电偶的采样值之间的差值，并自动对这一差值随着时间而变化的趋势作出测温热电偶是否失效的判断，当这一差值逐渐接近允许值时就在屏幕上显示该热电偶即将失效的提示，当测温热电偶的采样值与标准热电偶采样值之差超过允许值时即发出该热电偶失效的报警讯号，从而实现了对测温热电偶的有效性进行监控。这种监控方法可以和双支或三支热电偶测温的方法相结合，进一步提高监测的可靠性。

除了温度无线控制回路之外，还可同时选用下列无线控制回路中的一种或几种：炉内气体成分无线控制回路、碳势无线控制回路、氮势无线控制回路、真空系统无线控制回路、机械运动无线控制回路、炉气压力无线控制回路、PLC无线控制回路、真空渗碳无线控制回路：

①炉内气氛无线控制回路：来自炉气分析传感器的无线输入线路、气氛控制虚拟仪表以及通向气体流量调节器或PLC的无线输出线路组成炉内气氛无线控制回路。

气体分析传感器的模拟量讯号，经模/数转换器转换成数字量讯号，由下位无线通讯器发到主无线通讯器并输入到虚拟仪表主计算机，由气氛控制虚拟仪表读取输入的数字量，经标度变换得出气体成分的物理量测量值，将测量值与设定工艺进行比较，作出调节决策，计算出通入炉内的气体的调节值。将调节值用数字量输出到主无线通讯器，用无线通讯方式发送到下位无线通讯器，经过数/模转换器或数字/输出转换器转换成模拟量或开关量讯号，驱动气体流量调节单元实现炉内气氛的调节控制。

②碳势无线控制回路：来自渗碳炉炉气分析传感器的无线输入线路、碳势控制虚拟仪表以及通向炉气调节器的无线输出线路组成碳势无线控制回路。

渗碳炉炉气分析传感器(氧探头或红外仪或电阻法碳势测定仪)所产生的模拟量讯号，经模/数转换器转换为数字量讯号，由下位无线通讯器发送到主无线通讯器并输入虚拟仪表主计算机，由碳势控制虚拟仪表作出调节决策，得出渗碳介质加入量的调节值，用数字量将调节值输出，由主无线通讯器发送到下位无线通讯器，经过数模转换器或数字输出转换器后将调节量讯号输出到炉气调节器，实现炉气碳势的闭环控制。

在碳势无线控制回路中气体分压(即气体成分)传感器的具体配置可以根据用户对碳势控制精度的要求进行选择：

(1)当碳势控制精度要求不高时，可采用单因素碳势控制，配置氧探头或CO₂红外仪为传感器；(2)当碳势控制要求较高时，用双因素碳势控制，配置氧探头与CO红外仪或CO₂与CO红外仪；(3)当碳势控制要求很高时，用多因素碳势控制，配置氧探头和CO、CH₄红外仪或CO₂、CO、CH₄红外仪或氧探头和CO、CO₂、CH₄红外仪。

碳势控制虚拟仪表的功能如下：

A、气体分压(气体成分)的数据采集，从输入通道读取气体渗碳炉炉气分析传感器的采样值，经过标度变换，得出炉气分压的实时测量值，由用户设定传感器的种类，可单独采集P_O2或P_CO2的实测值，也可同时采取P_O2+P_CO或P_O2+P_CO2或P_O2+P_CO+P_CH4或P_CO2+P_CO+P_CH4或P_O2+P_CO2+P_CO+P_CH4。

B、碳势计算：按温度和气体分压测量值由碳势计算公式计算出气相碳势实时测量值Cg(测)。

C、碳势调节控制：将Cg(测)与该时刻设定值Cg(设)进行比较，作出调节决策及报警判断，用数字量将调节值输出至通向炉气调节器的无线输出线路。

D、屏幕显示：用虚拟表头显示碳势测量值和碳势设定值，用虚拟记录仪显示工艺记录曲线。

③氮势无线控制回路：来自渗氮炉炉气分析传感器的无线输入线路、氮势控制虚拟仪表以及通向气体流量调节器的无线输出线路组成氮势无线控制回路。

渗氮炉炉气分压(炉气成分)传感器(氢分析仪或氨红外仪或氨分解率测试仪或商品化的氢探头)所产生的讯号经过模/数转换器变成数字量讯号，由下位无线通讯器发送到主无线通讯器并输入虚拟仪表主计算机，由氮势控制虚拟仪表计算出炉气成分和氮势实测值，将氮势实测值与设定的工艺作比较，按氮势控制模型作出调节决策，计算出通入炉内的气体流量的调节值，用数字量将气体流量调节值输出，由主无线通讯器发送至下位无线通讯器，经过数/模转换器或数字/输出转换器将气体流量调节讯号输出到气体流量调节器，实现炉气氮势闭环控制。

④真空系统无线控制回路：来自炉内压力传感器(真空度传感器或称真空压力计)的无线输入线路、真空系统控制虚拟仪表以及通向真空系统执行元件或PLC的无线通讯输出线路组成真空系统无线控制回路。

真空压力计的采样值经模数转换成数字量，通过无线输入线路至虚拟仪表主计算机，PLC读取的真空系统中各部件的运行状况也通过无线输入线路传送到虚拟仪表主计算机。真空系统控制虚拟仪表采集每一时刻的真空压力实测值并与设定工艺进行比较，作出调节决策，发出调节指令，由无线输出线路传递至商品化的PLC，由PLC对通用的真空系统进行顺序控制。另一种方式是在真空系统控制虚拟仪表中设定的真空系统操作程序，由计算机直接将操作指令由主无线通讯器发送至下位无线通讯器，经由数/模转换器或数字/输出转换器控制真空系统的执行元件，包括真空泵、真空阀门和供气阀门，实现真空度的闭环控制。

将真空度(压力)的实测值显示在屏幕上的真空度虚拟表头和虚拟记录仪中，根据炉压变化判断真空热处理炉运行是否正常，遇有异常情况，屏幕显示异常情况报警信息。

⑤机械运动无线控制回路：来自位置或运动速度传感器的无线输入线路、机械运动控制虚拟仪表以及通向执行器或通向PLC的无线输出线路组成机械运动无线控制回路。

机械运动控制虚拟仪表的功能如下：

机械运动的控制有二种方式，其一是通过PLC无线控制回路，由PLC实现机械动作的程序控制，当需要开始执行某一组顺序动作时由机械运动控制虚拟仪表向PLC发出该组动作“开始”指令，由PLC控制各个执行机构按预设顺序进行该组动作的机械运动控制，在预定的动作完成之后，将“完成”讯号发送至虚拟仪表主计算机、机械运动控制虚拟仪表还具有运行状况判断以及由屏幕显示报警信息或由输出通道发出声、光报警指令的功能。

机械动作的第二种方式是在机械运动控制虚拟仪表中设置“虚拟程序逻辑控制子模块”替代PLC的可编程控制，用无线通讯的方式控制各个执行元器件的机械动作，来自各个执行元器件的工作状态和各运动部件的运动状态讯号(例如触点开关、限位开关的信息、光电测速器和光电位置测量器的讯号等)由无线输入线路输入虚拟仪表主计算机，经过讯号处理转换成机械运动状态的数据，由机械运动控制虚拟仪表根据当前的状态和预设的工艺要求作出控制决策，并将控制指令由无线输出线路发送至执行元器件，实现机械运动部件的程序控制，与此同时，在屏幕上用图形和文字显示设备的运行情况，机械运动控制虚拟仪表还具有判别设备运行是否正常，在屏幕上显示报警信息以及由输出通道发送声、光报警讯号等功能。

机械运动控制虚拟仪表的输出量可以采用直接发送至单个执行器或单个执行元器件，也可以采用发送至商品化的PLC再由PLC控制一组执行器或执行元器件进行程序控制，这二种方式也可以混合使用，执行器可以是电动元件、气动元件、液压元件、变频器、电动机、电磁开关、继电器、泵、阀门等。

⑥气体压力无线控制回路：来自压力传感器的无线输入线路、气体压力控制虚拟仪表以及通向压力调节系统或PLC的无线输出线路构成气体压力无线控制回路。

用压力传感器测量炉(或密封容器)内的压力，传感器的模拟量经过模/数转换器转换成数字量，经由无线输入线路输入到虚拟仪表主计算机，气体压力控制虚拟仪表将压力的实测值与工艺设定值进行比较，作出调节决策，用数字量输出流量调节值或压气机功率调节值或进气阀门和排气阀门阀位调节值，由主无线通讯器发送至下位无线通讯器，经过数/模转换器或数字/输出转换器后控制气泵、风机、进气阀和排气阀、压力调节等执行元器件的动作，实现气体压力的闭环控制，或由下位无线通讯器将控制指令传递给商品化的PLC，由PLC控制执行元件的动作。

⑦PLC无线控制回路：来自PLC的无线输入线路、程序逻辑控制虚拟仪表以及通向PLC的无线输出线路构成PLC无线控制回路。

在程序逻辑控制虚拟仪表内存贮生产过程的操作程序，当需要执行某一组操作程序时，逻辑程序控制虚拟仪表通过无线输出线路向PLC发出“开始执行”的指令，PLC完成该组操作程序的控制后，由PLC通过无线输入线路发回“完成”讯号，例如贯通式推杆炉的推盘动作就是一个操作组合，包括：出料炉门开启、出炉推料机油缸顶出、出炉推料机油缸退回、出料炉门关闭、炉内料盘推料机油缸顶出、炉内料盘推料机油缸退回、进料炉门开启、进炉推料机油缸顶出、进炉推料机油缸退回、进料炉门关闭按顺序完成的成套动作，逻辑程控虚拟仪表根据生产程序，向PLC发出开始执行推料盘操作的指令，由PLC完成上述操作组合控制，然后向逻辑程控虚拟仪表发回“完成”讯号。

以上各种无线控制回路可以按需选择，灵活组成不同的热处理无线虚拟仪表集中控制系统。例如：

当需要实现全车间的加热设备的温度集中控制时，虚拟上位机将热处理虚拟控制系统定义为多台加热炉热处理无线虚拟仪表集中控制系统，在中间层设置数量与被控设备数相同的多个加热设备虚拟控制柜，每一个加热设备虚拟控制柜所控制的温度无线控制回路的数量与该设备的温度控制区段的数量相同，可以实现热处理车间加热设备的集中控制。

在热处理车间包括气体渗碳炉的情况下，则在虚拟仪表主计算机的中间层中包含气体渗碳炉虚拟控制柜。它所控制的回路包括温度无线控制回路以及碳势无线控制回路。来自炉气成分传感器的无线输入线路、碳势控制虚拟仪表以及通向渗碳介质加入量调节器的无线输出线路组成碳势无线控制回路。

对于密封多用炉生产线的控制：虚拟上位机将热处理虚拟仪表集中控制系统定义为密封多用炉生产线热处理无线虚拟仪表集中控制系统，在其中间层包含密封多用炉虚拟控制柜、回火炉虚拟控制柜、清洗机虚拟控制柜以及密封多用炉生产线机械运动虚拟控制柜，其中密封多用炉虚拟控制柜所控制的回路有：碳势无线控制回路、炉温温度无线控制回路、淬火油温度无线控制回路。

密封多用炉生产线机械运动虚拟控制柜所控制的无线控制回路有：升降台无线控制回路、送料小车的推拉料无线控制回路、送料小车移动无线控制回路、密封箱式炉内、外炉门启闭无线控制回路、密封箱式炉进出炉无线控制回路、炉气搅拌风扇无线控制回路、淬火升降台无线控制回路、清洗机工件进出无线控制回路、回火炉工件进出无线控制回路。也可以由PLC无线控制回路根据密封多用炉生产线机械运动虚拟控制柜的指令对机械动作进行程序控制。

对于真空加热高压气淬设备的控制：虚拟上位机将热处理虚拟仪表集中控制系统定义为真空加热高压气淬热处理无线虚拟仪表集中控制系统，在其中间层包含有：1.真空炉虚拟控制柜，所控制的回路包括真空系统无线控制回路和炉温无线控制回路。2.高压气淬虚拟控制柜，所控制的回路包括气体压力无线控制回路和风机无线控制回路，炉门启闭无线控制回路。

对于真空加热油淬炉机组的控制：虚拟上位机将热处理无线虚拟仪表集中控制系统定义为真空加热油淬热处理无线虚拟仪表集中控制系统，在其中间层包含有：1.真空炉虚拟控制柜，所控制的回路包括真空系统无线控制回路和炉温无线控制回路。2.油淬虚拟控制柜，所控制的回路包括炉门启闭无线控制回路，工件移动无线控制回路、淬火油循环与搅拌系统的无线控制回路以及工件进油和出油升降机构无线控制回路。

对于推杆式热处理生产线的控制：虚拟上位机将热处理无线虚拟仪表集中控制系统定义为推杆炉生产线热处理无线虚拟仪表集中控制系统，在中间层包含有：1.推杆式热处理生产线机械运动虚拟控制柜，所控制的控制回路包括推料机无线控制回路，炉门升降、淬火台升降无线控制回路。2.渗碳炉虚拟控制柜，所控制的控制回路包括各区段的温度无线控制回路，各区段碳势控制回路。3.清洗机虚拟控制柜，所控制的控制回路包括温度无线控制回路，喷淋系统无线控制回路。4.回火炉虚拟控制柜，所控制的控制回路包括回火炉各区段的温度无线控制回路。

对于网带炉热处理生产线：虚拟上位机将热处理无线虚拟仪表集中控制系统定义为网带炉生产线热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其中间层包含有1.网带式渗碳淬火炉虚拟控制柜，所控制的控制回路有：各区段温度无线控制回路，各区段碳势无线控制回路，渗碳淬火炉网带速度无线控制回路。2.淬火槽虚拟控制柜，所控制的控制回路包括网带速度无线控制回路，淬火剂温度无线控制回路。3.清洗机虚拟控制柜，所控制的控制回路包括清洗剂加热温度无线控制回路，清洗机网带速度无线控制回路。4.回火炉虚拟控制柜，所控制的控制回路包括，回火炉温度无线控制回路，回火炉网带速度无线控制回路。

本发明总体的工作过程和工作原理如下：

由系统底层的虚拟仪表及其所控制的无线输入线路和无线输出线路所构成的无线控制回路。各自独立地完全反馈控制，成为控制系统中的一个基本的单元，它们之间不会发生相互干扰，因此具有很高的可靠性和灵活性。各个无线控制回路分别在所归属的虚拟控制柜的管理和监控下运行，虚拟控制柜的功能以及每一个虚拟仪表的功能都由用户根据对一个特定的热处理设备控制的需要进行设定，各个无线控制回路是独立运行的又是相互协调的，在虚拟控制柜的管理和监控下完成一个特定设备的控制，系统中的每一个虚拟控制柜都是独立运行的，相互之间不会发生干扰，具有高度的可靠性和灵活性，而所有的虚拟控制柜都在虚拟上位机管理和监控下相互协调地运行，能够根据生产任务的需要实现多台设备，包括各种复杂的大型热处理设备控制，以及复杂的工艺过程的控制，组成一个功能强大的集中控制系统，保证热处理生产协调一致地正常运行。此外在虚拟上位机中还可以设置数据库，工艺库和计算机模拟模块，使之扩展成高度智能化的热处理控制系统。总之，本发明能很好地体现集中与分散的统一，功能强大与灵活性、可靠性的统一。

与现有技术相比较，本发明的优点在于：

①由于采用无线输入方式，可以很方便地采集同一测温点上双支或三支热电偶的信号，根据同一测温度点上双支或三支热电偶的采样值的偏差，实时监测热电偶是否失效，提高了温度控制精度和可靠性。避免了传统技术中难以及时发现热电偶失效的缺点。在校温时通过预留的标准热电偶无线通讯输入通道，输入标准热电偶的采样值，自动实现测温热电偶的校正，避免了传统技术中由人工进行热电偶校正而可能出现的人为差错。本发明存贮各个测温热电偶采样值之差值，根据这一差值的变化趋势对热电偶是否失效进行判断，进一步提高了对热电偶失效监测的可靠性。

②在传统的热处理控制技术中控制系统与传感器和执行器之间需要导线连接，当改变控制系统的功能或选择不同的传感器与执行器的组合时，常常需要改变热处理车间中通讯导线的布置，重新设计制造控制柜，以致灵活性和适应性受到制约，本发明用无线输入线路和无线输出线路可以灵活地组成不同的热处理虚拟仪表控制系统，从而可以充分发挥虚拟仪器技术的优越性，可以适用于不同类型的热处理车间并输灵活应对车间扩建或改造的需要。本发明将虚拟上位机，虚拟控制柜和虚拟仪表所组成的完整的三级分布式控制系统集成在同一台计算机中，其功能可以根据用户的需要灵活设定，因此和现有的热处理控制系统相比，本发明具有更好的灵活性、适应性，其适用范围包括热处理车间加热设备的集中控制，气体渗碳控制、气体渗氮的控制、真空热处理控制、高压气淬控制、热处理车间中各种机械运动控制、密封多用炉生产线、推杆炉生产线、网带炉生产线等不同生产线的控制、而且本发明可以由用户自行定义控制回路的功能，自行选择虚拟仪表控制系统中的控制回路的配置，因此有良好的可扩展性。

③本发明具有抗干扰性强的优点并且降低基建和设备安装成本。

附图说明

图1热处理无线虚拟仪表集中控制系统的组成与结构示意图

图2热处理无线虚拟仪表集中控制系统工作过程示意图

图3齿轮渗碳热处理无线虚拟仪表集中控制系统的配置及其与外部设备的连接

图4齿轮渗碳热处理无线虚拟仪表集中控制系统的结构及输入输出线路的连接

图5真空热处理柔性生产线热处理无线虚拟仪表集中控制系统中虚拟仪表主计算机的结构

图6真空热处理柔性生产线热处理无线虚拟仪表集中控制系统所连接的无线输入无线输出线路和无线控制回路

图7密封多用炉生产线示意图

图8密封多用炉生产线无线虚拟仪表集中控制系统的虚拟仪表主计算机结构图

图9密封多用炉生产线无线虚拟仪表集中控制系统的各个无线控制回路

具体实施方式

本实施例的热处理无线虚拟仪表集中控制系统的组成与结构、热处理无线虚拟仪表集中控制系统工作过程、齿轮渗碳热处理无线虚拟仪表集中控制系统的配置及其与外部设备的连接，如图1、2、3所示，所述的虚拟仪表主计算机可选用商品化的台式计算机或工作站或笔记本电脑或手提计算机或工业控制计算机或PCL触摸屏或掌上电脑等任何一种商品化的计算机，其技术指标的要求是CPU的功能优于奔II，主频优于266MHz，内存等于或大于256M。主无线通讯器和下位无线通讯器为商品化的符合RS232/RS485或RS232/RS422标准的无线数字传输模块。模/数转换器为符合RS232/RS485或RS232/RS422标准模/数转换器模块，数/模转换器可选用符合RS232/RS485或RS232/RS422标准数/模转换器模块，输入/数字转换器和数字/输出转换器均为符合RS232/RS485或RS232/RS422标准的商品化产品。其中模/数转换器，数/模转换器，输入/数字转换器，数字/输出转换器以及无线数传模块可选购标准的商品化产品。

实施例1：热处理无线虚拟仪表控制系统在汽车齿轮厂中的应用

汽车齿轮厂的热处理车间有一台井式气体渗碳炉，一台机械化淬火槽以及一台回火炉。井式炉用氧探头测量炉内p_o2，在氧探头内同时安装有一支炉温监测热电偶(1^#热电偶)。滴入甲醇和异丙醇作为渗碳剂，在通入渗碳剂的管道上设置电磁阀。井式气体渗碳炉分上、下二个控温区，其中二组电加热发热体分别由1^#和2^#可控硅调功器调节加热功率。2^#、3^#热电偶是用于上区测温的一组双支热电偶。4^#、5^#热电偶是用于下区测温的一组双支热电偶。回火炉为一个加热区。6^#、7^#热电偶是用于测量回火炉温度的一组双支热电偶。3^#可控硅调功器是用于调节回火炉加热功率的可控硅调功器。

气体渗碳炉的上区和下区，以及回火炉都设有标准热电偶孔。当需要较温时，将标准热电偶插入。机械化淬火槽有一台升降机，由电动机驱动工作台升降，工作台有二个工位，分别设置最高点限位开关和最低点降限位开关，可以发出反映工作台的工位的讯号，1^#和2^#继电器分别是启动开关和换向开关继电器。

齿轮渗碳热处理虚拟仪表控制系统的配置：如图3所示，以工业PC机为虚拟仪表主计算机(下文简称主机)、CPU为奔II、主频266MHz、内存128M主无线通讯器和下位无线通讯为均选用市售PC-201/S4325-4型微功率无线数传模块，工作电压5V，最低速率1200bps，模/数转换器为12位模/数转换器，数/模转换器为12位，4-20μA数/模转换器，输入数字转换器和数字输出转换均为12位，8点。图3中用虚线表示的元件或设备为本系统的外围设备。

氧探头、1^#模/数转换器、1^#下位无线通讯器、主无线通讯器、主机，构成氧探头无线输入线路。

1^#热电偶、2^#模/数转换器、1^#下位无线通讯器、主无线通讯器、主机，构成渗碳炉炉温监测热电偶无线输入线路。2^#和3^#热电偶、分别经3^#和4^#模/数转换器、1^#下位无线通讯器、主无线通讯器、工控机，构成渗碳上区测温双支热电偶无线输入线路。4^#和5^#热电偶、分别经5^#和6^#模/数转换器、1^#下位无线通讯器、主无线通讯器、主机，构成渗碳炉下区测温双支热电偶无线输入线路。

标准热电偶、11^#模/数转换器、8^#无线通讯器、主无线通讯器、主机，构成标准热电偶无线输入线路。

主机、主无线通讯器、3^#无线通讯器、1^#数字/输出转换器、电磁阀，构成渗碳剂电磁阀无线输出线路。

主机、主无线通讯器、2^#无线通讯器、1^#数/模转换器、1^#调功器，构成气体渗碳炉上区调功器无线输出线路。

主机、主无线通讯器、2^#无线通讯器、2^#数/模转换器、2^#调功器，构成气体渗碳炉下区调功器无线输出线路。

6^#和7^#热电偶、分别经7^#和8^#数/模转换器、4^#无线通讯器、主无线通讯器、主机，构成回火炉双支热电偶无线输入线路。

主机、主无线通讯器、5^#无线通讯器、3^#数/模转换器、3^#调功器，构成回火炉调功器无线输出线路。

上区限位开关和下位限位开关、分别经1^#输入/数字转换器和2^#输入/数字转换器、6^#无线通讯器、主无线通讯器、主机，构成淬火槽升降区上区限位开关和下位限位开关无线输入回路。

主机、主无线通讯器、6^#无线通讯器、2^#数字/输出转换器、1^#继电器，构成电机换向无线输出线路。

主机、主无线通讯器、6^#无线通讯器、3^#数字/输出转换器、2^#继电器，构成电机启动无线输出线路。

转速传感器、9^#模/数转换器、7^#无线通讯器、主无线通讯器、主机，构成淬火槽搅拌器转速无线输入线路。

搅拌器电动机功率传感器、10^#数/模转换器、7^#无线通讯器、主无线通讯器、主机，构成淬火槽搅拌器转速无线输入线路。

主机、主无线通讯器、7^#无线通讯器、4^#数字/输出转换器、搅拌器电机继电器，构成搅拌器启动/停止无线输出线路。

主机、主无线通讯器、7^#无线通讯器、4^#数/模转换器、变频器，构成搅拌器调速变频器无线输出线路。

齿轮渗碳车间虚拟仪表集中控制系统的结构及其与相应的输入输出线路的连接如图4所示。

其中井式气体渗碳炉虚拟控制柜所控制回路有：碳势无线控制回路、，上区和下区温度无线控制回路。回火炉虚拟控制柜所控制的回路有：回火炉温度无线控制回路。机械运动虚拟控制柜所控制的回路有：淬火升降机无线控制回路和淬火槽搅拌无线控制回路。

齿轮渗碳热处理虚拟仪表集中控制系统是可扩展的。当需要增加渗碳炉或回火炉或淬火槽的数量时，可通过增加中间层的虚拟控制柜的数量和相应的下层虚拟仪表的数量即可增加被控的设备的数量。

实施例2：真空热处理柔性生产线虚拟仪表集中控制系统

系统的功能定义：

真空热处理柔性生产线由左右移动的真空炉、高压气淬室、油淬室所组成，真空炉有三个工作位置，中间是工件装炉工位，左边是与油淬室对接的工位，右边是与气淬室对接的工位，真空炉要求实现温度控制，真空度(压力)控制。其工作过程如下，工件装炉，关上炉门，开启真空泵，将真空炉的炉压保持在1.3Pa以下。通电升温，使炉温达到设定的加热温度，一般在930℃-1100℃(视不同工件而异，在工艺文件中设定)。用热电偶测定炉温，用可控硅调功器调节加热功率，温度控制精度为±5℃，炉温升至设定温度之后。开始计算保温时间，预先由用户设定保温期的时间并记存在工艺文件中。在保温期结束后，将炉温降至出炉温度，真空泵停止抽气、打开氮气阀通入氮气，使炉压恢复至1atm。并将真空炉移动至与油淬室或气淬室对接的位置上，对接机构的动作完成后，打开真空炉的炉门，传动机构将工件由真空炉移动到淬火室。随后关上淬火室的密封门。

当需要气淬时，工件进入高压气淬室后关闭其密封门，启动搅拌风扇，同时通入高压气体(氮气或氦气)至规定的压力(6-20bar之间，压力值在工艺文件中设定)，进行淬火冷却，当达到规定的冷却时间之后，关闭高压气体进气阀，打开排气阀，使淬火室内气体回复到常压，打开淬火室的门，取出工件，完成全部热处理操作。

需要油淬的工件，则在工件进油淬室之后，关闭油淬室的门，淬火升降台下降至浸油工位，使工件在油中淬火冷却，达到工艺设定的时间之后，升降台上升至上限位置，打开淬火室门，取出工件。

真空热处理柔性生产线无线虚拟仪表集中控制系统中虚拟仪表主计算机的结构如图5所示，真空热处理柔性生产线热处理无线虚拟仪表集中控制系统所连接的无线输入无线输出线路和无线控制回路如图6所示：

硬件及无线通讯控制回路的配置如下：

虚拟仪表主计算机：选用奔IV工业控制机，运算速度2.4G，内存1G，主无线通讯器和下位无线通讯器均为RS232/RS485工作电压5V，最低速率2400bps数字无线通讯模块。模/数转换器选用16位模/数转换器，数/模转换器选用16位数/模转换器，输入/数字转换器选用12位8点输入数字转换器，数字/输出转换器选用12位8点数字输出转换器。

本系统中的各个无线控制回路的组成如图6所示。

1^#PLC是128点可编程控制器，对真空系统进行程序控制。

2^#PLC是128点可编程控制器，实现①打开气冷室门②打开炉门③将工件从真空渗碳炉传移到高压气淬室④合上高压气淬室密封门⑤冷却风扇启动⑥打开进气阀⑦冷却风扇停止⑧关闭进气阀⑨打开排气阀⑩气体回收泵启动气体回收泵停止开启气冷室门送出工件等系列动作的顺序控制。

3^#PLC是128点可编程控制器，实现①打开油冷室门②打开真空炉门③将工件从真空炉传移到油冷室工作台上④关闭油冷室门⑤升降台下升⑥升降台上升⑦打开油冷室门⑧将工件送出油冷室等一系列机械动作的程序控制。

实施例3、密封多用炉生产线热处理无线虚拟仪表集中控制系统

密封多用炉由装料升降台送料小车、密封多用炉、清洗机和回火炉所组成，如图7所示，其中送料车能左右移动，在小车上有推料机构将工件推入各设备中或将工件从各设备中拉到送料车上，密封多用炉由前室和工作室组成，前室有外炉门、前室的下方为淬火油槽，淬火升降机构的上工位与送料小车及工作炉的承载平面处在同一水平上，淬火升降机的下工位则使工件浸没在淬火油中。淬火油槽设置电动搅拌器，前室与工作炉之间有一个中间门，在前室中还有工件运动驱动机构，能将工件送入工作炉或从工作炉送回前室。工作炉用电加热，用可控硅调节加热功率。用双支热电偶测量工作炉温度，备有热电偶插入孔，在校温时插入标准热电偶。用氧探头测量P_O2，用红外仪测量P_CO，工作炉中设置搅拌风扇。清洗机内有用交流接触器控制的清洗液加热器。用热电阻测量清洗液温度。有一个水泵将清洗液从喷管喷向工件。回火炉用电加热，用可控硅调节器调节加热功率。用双支热电偶测量回火炉温度。并可定时插入标准偶校正炉温。回火炉设置炉门，炉内有搅拌风机。

密封多用炉生产线热处理无线虚拟仪表集中控制系统的虚拟仪表主计算机多层结构如图8所示。

硬件及无线控制回路的配置：

虚拟仪表主计算机：奔IV工控机，时频1.6G，内存512M，主无线通讯器和下位无线通讯器均为RS232/RS485/RS422、工作电压5V、最低速率2400bps的数字无线通讯模块，模/数转换器选用16位模数转换器，数/模转换器选用16位数字输入转换器，输入/数字转换器选用12位8点输入数字转换器，数字/输出转换器选用12位8点数字输出转换器，PLC选用256点可编程控制器。

无线控制回路有：多用炉温度无线控制回路、碳势无线控制回路、氮势无线控制回路、清洗液温度无线控制回路、回火炉温度无线控制回路、密封箱式炉生产线机械运动无线控制回路。各个无线控制回路的结构如图9所示。

其中密封多用炉生产线机械运动PLC回路的功能如下：

当开始装炉时，由PLC控制虚拟仪表向PLC发出启动装炉程序指令，由PLC执行以下动作的程序控制，①升降台提升到上工位②装料车运动到与工作台对接位置③将工件由工作台转移到装料车④装料车移动到密封多用炉对接位置⑤多用炉前门上升⑥工件由装料车移到前室⑦多用炉前门下降⑧中间炉门上升⑨工件由前室推入工作炉⑩中间门下降PLC向PLC控制虚拟仪表模块发出装料完成信号。

当工件出炉淬火时由PLC控制虚拟仪表向PLC发出启动出炉淬火程序指令，由PLC执行以下动作的程序控制，①中间炉门上升②工件由工作炉拉出至前室③中间门下降④前室淬火升降台下降⑤经过预先设定的淬火冷却时间后淬火升降台上升⑥装料车移动到密封多用炉对接位置⑦前室门上升⑧工件从前室转移到装料车⑨前室门关闭⑩PLC向PLC控制虚拟仪表发出出炉淬火完成信号。

对于清洗操作：由PLC控制虚拟仪表向PLC控制发出启动清洗程序指令，由PLC执行以下动作的程序控制：①装料车移动到与清洗机对接位置②工件由装料车转移到清洗机内③启动清洗液泵(对工件进行喷淋)④达到预设的清洗时间之后停止清洗液泵⑤将工件由清洗机转移装料车⑥向PLC控制虚拟仪表发出清洗操作完成讯号。

对于回火炉进炉操作：PLC控制虚拟仪表向PLC发出启动回火操作指令，由PLC执行以下动作的程序控制：①装料车移动到与回火炉对接位置②回火炉炉门上升③工件由装料车转移到回火炉内④回火炉炉门下降⑤启动搅拌风机⑥向PLC控制控制虚拟仪表发出回火进炉操作完成讯号。

对于回火炉出炉操作：PLC控制虚拟仪表向PLC发出启动回火炉出炉操作程序指令，由PLC执行以下动作的程序控制：①装料车移动到与回火炉对接位置②停止搅拌风机③回火炉炉门上升④将工件由回火炉转移到装料车⑤回火炉炉门下降⑥向PLC控制虚拟仪表发出回火出炉操作完成讯号。

Claims (19)

1、一种热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征在于，包括：虚拟仪表主计算机、主机无线通讯器、一组下位无线通讯器、一组模/数转换器、一组输入/数字转换器、一组数/模转换器、一组数字/输出转换器，虚拟仪表主计算机与主无线通讯器连接，主无线通讯器与下位无线通讯器进行数字量通讯，下位无线通讯器与模/数转换器或输入/数字转换器连接，来自外部设备的热电偶或热电阻或传感器或开关量讯号源或PLC的模拟量或开关量讯号被转换成数字量之后由下位无线通讯器发送到主无线通讯器，并传送到虚拟仪表主计算机，构成无线输入线路；下位无线通讯器与数/模转换器或数字/输出转换器连接，虚拟仪表主计算机用数字量发出的调节指令由主无线通讯器发送到下位无线通讯器，经过数/模转换器转换成模拟量或经过数字/输出转换器转换为开关量，驱动外部设备的调节器或执行器或执行元件或PLC，构成无线输出线路。

2、根据权利要求1所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，虚拟仪表主计算机顶层是虚拟上位机，中间层是虚拟控制柜，底层是虚拟仪表，虚拟仪表主计算机将虚拟上位机、虚拟控制柜和虚拟仪表全部集成在一台工业控制机中，通过计算机内部的数据共享和数据传递、按树状结构的方式实现三层之间的连接，底层中每一个虚拟仪表与所选定的无线输入线路和无线输出线路连接在一起，构成一个无线控制回路，每一个虚拟仪表分别在所归属的虚拟控制柜支撑和监控下按工艺设定的程序运行，所有虚拟控制柜在顶层的虚拟上位机的支撑和监控下运行。

3、根据权利要求1或者2所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，所述的虚拟仪表主计算机，其底层的每一个虚拟仪表和由它控制的无线输入线路及无线输出线路组成无线控制回路，由虚拟仪表主计算机内的虚拟仪表将接收到的数字量转换成被测量参数的物理量或布尔变量的采样值，再将采样值与工艺设定值进行比较，作出调节决策，计算出调节值，将调节值输出至主无线通讯器，由后者用数字量无线通讯方式发至下位无线通讯器，数/模转换器或数字/输出转换器将下位无线通讯器收到的数字量转换为模拟量或开关量的调节信号，反馈至外部设备从而实现闭环反馈控制。

4、根据权利要求1所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，所述的顶层，是指：定义热处理虚拟仪表集中控制系统的名称；设定本系统中各个虚拟控制柜，由用户输入各虚拟控制柜的名称及其所控制的设备的名称；在显示屏上设置各个虚拟控制柜的“进入运行”和“退出运行”的虚拟按钮；对各个设备的虚拟控制柜的运行进行监控和管理；备有热处理工艺库和数据库供中间层调用；标度变换数据库，存贮热电偶的标度变换数据，以及本系统中各种传感器的标度变换数据；工艺记录数据库：存贮生产过程中各种参数的记录数据；设有无线控制回路库，存贮已被定义的无线控制回路的名称及其中的虚拟仪表的名称、功能和运行程序。

5、根据权利要求1所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，所述的中间层，是指：设定本虚拟控制柜所控制的无线控制回路，由用户从无线控制回路库中选用本虚拟控制柜所需的无线控制回路；在屏幕上显示被控设备的图形，在屏幕上设置虚拟控制柜面板，在其上包括：用于显示被控设备中各种参数的测量值和设定值的虚拟表头、用于显示记录曲线的虚拟记录仪、显示各种执行元件或执行机构动作的文字说明或图形或虚拟指示灯、每一个无线控制回路进入运行或退出运行的虚拟按钮；从顶层调用标度变换数据或在屏幕提示下由用户输入传感器、执行器或调节器的标度转换数据，并存贮在标度变换数据文件中供下层的虚拟仪表调用；由用户输入被控设备的操作程序和热处理工艺参数的设定值，存贮于工艺设定数据库，供下层的虚拟仪表调用；自定义无线控制回路：除了本系统已存贮的无线控制回路可供用户选用之外，虚拟控制柜自定义无线控制回路的功能；按工艺设定程序监控本虚拟控制柜所属的各虚拟仪表运行；将运行过程中的各种工艺参数的记录数据输到顶层虚拟上位机的工艺记录数据库。

6、根据权利要求1所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，所述的底层，是指：读取无线输入线路输入的数字量，调用标度变换数据，将输入的数字量转换成被测参数的测定值，从工艺设定数据库调用操作程序和工艺参数设定值，将测定值与工艺设定值进行比较，作出调节决策，计算出调节值，将调节值输出至无线输出线路，实现无线控制回路的闭环反馈控制。

7、根据权利要求1所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，所述的无线输入线路，为以下4种无线输入线路的一种：

①来自外部设备的热电偶无线输入线路：外部设备中的热电偶产生的电动势经由模/数转换器至下位无线通讯器至主无线通讯器至虚拟仪表主计算机；

②来自外部设备的传感器无线输入线路：外部设备中各个传感器的讯号经由模/数转换器至下位无线通讯器至主无线通讯器至虚拟仪表主计算机；

③来自外部设备的开关量讯号源无线输入线路：外部设备中各个开关量讯号经由输入/数字转换器至下位无线通讯器至主无线通讯器至虚拟仪表主计算机；

④来自外部设备的PLC无线输入线路：外部设备中各个PLC发出的讯号经由模/数转换器或输入/数字转换器至下位无线通讯器至主无线通讯器至虚拟仪表主计算机。

8、根据权利要求1所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，所述的无线输出线路，为以下4种无线输出线路的一种：

①通向外部设备加热功率调节器的无线输出线路：虚拟仪表主计算机输出的指令经由主无线通讯器至下位无线通讯器至数/模转换器或数字/输出转换器至外部设备中的加热功率调节器；

②通向外部设备PLC的无线输出线路：虚拟仪表主计算机输出的指令经由主无线通讯器至下位无线通讯器至数/模转换器或数字/输出转换器至外部设备中的PLC；

③通向执行器或执行元器件的无线输出线路：虚拟仪表主计算机输出的调节值信号经过主无线通讯器至下位无线通讯器至数/模转换器或数字/输出转换器至外部设备中的执行器或执行元器件；

④开关量无线输出线路：由虚拟仪表主计算机输出的开关量讯号经由主无线通讯器至下位无线通讯器至数字/输出转换器输出至外部设备中的开关量执行元器件。

9、根据权利要求1所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，所述的PLC无线输入线路，其和一组等效的来自开关量讯号源的无线输入线路相互置换，或者和一组等效的开关量无线通出线路或一组等效的通向执行器的无线输出线路互换。

10、根据权利要求1所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，被控对象中的每一支热电偶、每一个传感器、每一个开关量讯号源、每台PLC、每一个加热功率调节器、每一个执行器、每一个开关量执行元件都分别连接在一条各自独立的无线输入线路或无线输出线路上，每一条无线输入线路或无线输出线路可以单独用一个下位无线通讯器，也可以由多条无线输入线路或无线输出线路合用一个下位无线通讯器。

11、根据权利要求6所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，所述的底层，包含温度控制虚拟仪表，热电偶或热电阻温度传感器的无线输入线路、温度控制虚拟仪表和通向加热功率调节器的无线输出线路组成温度无线控制回路，在同一测量点上可配置单支或二支或三支热电偶，分别构成一个单支或双支或三支热电偶无线控制回路，该回路中的温度控制虚拟仪表对各支热电偶的测量值进行比较，如果差值在允许范围内，则以各支热电偶测量值的平均值作为该测量点在该时刻的温度测量值，当各支之间的差值超过规定值时，即发出报警讯号，在每一个温度无线控制回路中还预留一条无线通讯输入线路，以备在校温时输入标准热电偶的讯号，由温度控制虚拟仪表自动计算出温度的校正值，在温度控制过程中自动修正温度测量值，并根据测温热电偶采样值之差的变化趋势作出该测温热电偶是否失效的判断。

12、根据权利要求11所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，所述的温度无线控制回路，选用下列无线控制回路中的一种或几种：炉内气体成分无线控制回路、碳势无线控制回路、氮势无线控制回路、真空系统无线控制回路、机械运动无线控制回路、炉气压力无线控制回路、PLC无线控制回路。

13、根据权利要求12所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，所述的炉内气氛无线控制回路，是指：来自炉气分析传感器的无线输入线路、气氛控制虚拟仪表以及通向气体流量调节器或PLC的无线输出线路组成炉内气氛无线控制回路，气体分析传感器的模拟量讯号，经模/数转换器转换成数字量讯号，由下位无线通讯器发到主无线通讯器并输入到虚拟仪表主计算机，由气氛控制虚拟仪表读取输入的数字量，经标度变换得出气体成分的物理量测量值，将测量值与设定工艺进行比较，作出调节决策，计算出通入炉内的气体的调节值，将调节值用数字量输出到主无线通讯器，用无线通讯方式发送到下位无线通讯器，经过数/模转换器或数字/输出转换器转换成模拟量或开关量讯号，驱动气体流量调节单元实现炉内气氛的调节控制。

14、根据权利要求12所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，

所述的碳势无线控制回路，是指：来自渗碳炉炉气分析传感器的无线输入线路、碳势控制虚拟仪表以及通向炉气调节器的无线输出线路组成碳势无线控制回路，渗碳炉炉气分析传感器所产生的模拟量讯号，经模/数转换器转换为数字量讯号，由下位无线通讯器发送到主无线通讯器并输入虚拟仪表主计算机，由碳势控制虚拟仪表作出调节决策，得出渗碳介质加入量的调节值，用数字量将调节值输出，由主无线通讯器发送到下位无线通讯器，经过数模转换器或数字输出转换器后将调节量讯号输出到炉气调节器，实现炉气碳势的闭环控制。

15、根据权利要求12所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，所述的氮势无线控制回路，是指：来自渗氮炉炉气分析传感器的无线输入线路、氮势控制虚拟仪表以及通向气体流量调节器的无线输出线路组成氮势无线控制回路，渗氮炉炉气分压传感器所产生的讯号经过模/数转换器变成数字量讯号，由下位无线通讯器发送到主无线通讯器并输入虚拟仪表主计算机，由氮势控制虚拟仪表计算出炉气成分和氮势实测值，将氮势实测值与设定的工艺作比较，作出调节决策，计算出通入炉内的气体流量的调节值，用数字量将气体流量调节值输出，由主无线通讯器发送至下位无线通讯器，经过数/模转换器或数字/输出转换器将气体流量调节讯号输出到气体流量调节器，实现炉气氮势闭环控制。

16、根据权利要求12所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，所述的真空系统无线控制回路，是指：来自炉内压力传感器的无线输入线路、真空系统控制虚拟仪表以及通向真空系统执行元件或PLC的无线通讯输出线路组成真空系统无线控制回路，真空压力计的采样值经模数转换成数字量，通过无线输入线路至虚拟仪表主计算机，PLC读取的真空系统中各部件的运行状况也通过无线输入线路传送到虚拟仪表主计算机。

17、根据权利要求12所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，所述的机械运动无线控制回路，是指：来自位置或运动速度传感器的无线输入线路、机械运动控制虚拟仪表以及通向执行器或通向PLC的无线输出线路组成机械运动无线控制回路；机械运动的控制有二种方式，其一是通过PLC无线控制回路，由PLC实现机械动作的程序控制，当需要开始执行某一组顺序动作时由机械运动控制虚拟仪表向PLC发出该组动作“开始”指令，由PLC控制各个执行机构按预设顺序进行该组动作的机械运动控制，在预定的动作完成之后，将“完成”讯号发送至虚拟仪表主计算机、机械运动控制虚拟仪表还具有运行状况判断以及由屏幕显示报警信息或由输出通道发出声、光报警指令的功能；其二是在机械运动控制虚拟仪表中设置“虚拟程序逻辑控制子模块”替代PLC的可编程控制，用无线通讯的方式控制各个执行元器件的机械动作，来自各个执行元器件的工作状态和各运动部件的运动状态讯号由无线输入线路输入虚拟仪表主计算机，经过讯号处理转换成机械运动状态的数据，由机械运动控制虚拟仪表根据当前的状态和预设的工艺要求作出控制决策，并将控制指令由无线输出线路发送至执行元器件，实现机械运动部件的程序控制，与此同时，在屏幕上用图形和文字显示设备的运行情况，机械运动控制虚拟仪表还具有判别设备运行是否正常，在屏幕上显示报警信息以及由输出通道发送声、光报警讯号。

18、根据权利要求12所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，所述的气体压力无线控制回路，是指：来自压力传感器的无线输入线路、气体压力控制虚拟仪表以及通向压力调节系统或PLC的无线输出线路构成气体压力无线控制回路，用压力传感器测量炉或密封容器内的压力，传感器的模拟量经过模/数转换器转换成数字量，经由无线输入线路输入到虚拟仪表主计算机，气体压力控制虚拟仪表将压力的实测值与工艺设定值进行比较，作出调节决策，用数字量输出流量调节值或压气机功率调节值或进气阀门和排气阀门阀位调节值，由主无线通讯器发送至下位无线通讯器，经过数/模转换器或数字/输出转换器后控制气泵、风机、进气阀和排气阀、压力调节等执行元器件的动作，实现气体压力的闭环控制，或由下位无线通讯器将控制指令传递给商品化的PLC，由PLC控制执行元件的动作。

19、根据权利要求12所述的热处理无线虚拟仪表集中控制系统，其特征是，所述的PLC无线控制回路，是指：来自PLC的无线输入线路、程序逻辑控制虚拟仪表以及通向PLC的无线输出线路构成PLC无线控制回路，在程序逻辑控制虚拟仪表内存贮生产过程的操作程序，当需要执行某一组操作程序时，逻辑程序控制虚拟仪表通过无线输出线路向PLC发出“开始执行”的指令，PLC完成该组操作程序的控制后，由PLC通过无线输入线路发回“完成”讯号，例如贯通式推杆炉的推盘动作就是一个操作组合，包括：出料炉门开启、出炉推料机油缸顶出、出炉推料机油缸退回、出料炉门关闭、炉内料盘推料机油缸顶出、炉内料盘推料机油缸退回、进料炉门开启、进炉推料机油缸顶出、进炉推料机油缸退回、进料炉门关闭按顺序完成的成套动作，逻辑程控虚拟仪表根据生产程序，向PLC发出开始执行推料盘操作的指令，由PLC完成上述操作组合控制，然后向逻辑程控虚拟仪表发回“完成”讯号。

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