RU2020191C1

RU2020191C1 - Device for monitoring and control of ionic nitriding process

Info

Publication number: RU2020191C1
Authority: RU
Inventors: Игорь Маркович Пастух; Анатолий Михайлович Давыдов; Виталий Григорьевич Каплун
Original assignee: Хмельницкий технологический институт
Priority date: 1991-05-05
Filing date: 1991-05-05
Publication date: 1994-09-30

Abstract

FIELD: surface impregnation of metals. SUBSTANCE: device via low-pass filters is simultaneously connected to current strength, discharge voltage and part temperature transducers, has systems for comparison of these parameters with the preset ones, automatic variation of thyristor controller control voltage, algorithms of identification of non-standard situations, selector of non-standard situation signals, and delay, control voltage recovery, drop and alarm signalling circuits. EFFECT: enhanced reliability. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов, в частности к устройствам управления установок ионного азотирования в тлеющем разряде. The invention relates to the field of chemical-thermal treatment of metals, in particular to control devices for ion nitriding installations in a glow discharge.

Качество химико-термической обработки металла азотированием в тлеющем разряде существенно зависит от соблюдения основных параметров режима: электрических параметров разряда, влияющих на интенсивность процесса и его температурный режим, и температуры азотируемых деталей. При этом для повышения производительности установок необходимо обеспечить ускоренный выход на заданный режим, исключая перегрев деталей и аварийные ситуации, связанные с переходом тлеющего разряда в дуговой. Известно устройство, которое с помощью коммутатора, срабатывающего по командам счетчика импульсов, периодически отключает один или несколько тиристоров регулирования напряжения питания разрядной камеры. Кроме того, в этом же устройстве предусмотрено отключение системы регулирования в случае, если ток в камере превысит определенное заданное значение. Известно устройство, в котором тиристоры регулирования управляются генератором, частота которого устанавливается вручную и корректируется через суммирующее устройство усилителя сигнала термопар. Известно устройство управления системой энергопитания установок азотирования в тлеющем разряде, в котором с помощью триггера, управляемого тиристорным ключом, электрические параметры процесса поддерживаются в стационарном режиме в зоне, близкой к теоретическим характеристикам тлеющего разряда. The quality of the chemical-thermal treatment of metal by nitriding in a glow discharge substantially depends on the observance of the main parameters of the regime: the electric parameters of the discharge, which affect the intensity of the process and its temperature regime, and the temperature of the nitrided parts. At the same time, in order to increase the productivity of plants, it is necessary to provide an accelerated exit to a given mode, excluding overheating of parts and emergency situations associated with the transition of a glow discharge into an arc. A device is known which, using a switch operating on pulse counter commands, periodically disconnects one or more thyristors for regulating the supply voltage of the discharge chamber. In addition, in the same device, the regulation system is switched off if the current in the chamber exceeds a certain predetermined value. A device is known in which the regulation thyristors are controlled by a generator, the frequency of which is set manually and adjusted through the summing device of the thermocouple signal amplifier. A control device for the power supply system of nitriding installations in a glow discharge is known, in which, using a trigger controlled by a thyristor key, the electrical parameters of the process are maintained in a stationary mode in an area close to the theoretical characteristics of the glow discharge.

Недостатком устройств является узкий набор функций, фактически сводящихся к выключению системы энергопитания при переходе тлеющего разряда в дуговой. Периодическое же отключение (через определенное фиксированное число импульсов) в устройстве снижает эффективность поверхностного насыщения детали нитридами и снижает производительность установки. В устройстве температура детали является фактором, управляющим электрическими параметрами разряда, однако при этом не контролируются нештатные ситуации, а сама система управления инерционна и поэтому не исключает перегрева деталей. Общим недостатком указанных устройств является низкий уровень автоматизации процесса, не предусматривающий в том числе выход на заданные параметры режима. The disadvantage of the device is a narrow set of functions that actually boil down to turning off the power supply system during the transition of a glow discharge into an arc. Periodic shutdown (after a certain fixed number of pulses) in the device reduces the efficiency of surface saturation of the part with nitrides and reduces the performance of the installation. In the device, the temperature of the part is a factor that controls the electrical parameters of the discharge, however, emergency situations are not controlled, and the control system itself is inertial and therefore does not exclude overheating of the parts. A common disadvantage of these devices is the low level of automation of the process, which does not include, inter alia, access to the specified parameters of the mode.

Целью изобретения является повышение производительности и качества ионного азотирования за счет автоматизации выхода на режим его заданных параметров в условиях дестабилизирующих факторов и нештатных ситуаций. The aim of the invention is to increase the productivity and quality of ion nitriding due to the automation of access to the mode of its predetermined parameters in conditions of destabilizing factors and emergency situations.

Указанная цель достигается тем, что устройство подключается одновременно к датчикам тока, напряжения разряда и температуры детали, имеет системы сравнения этих параметров с задаваемыми, автоматического изменения управляющего напряжения тиристорного регулятора, идентификации нештатных ситуаций, селектор сигналов нештатных ситуаций, схемы задержки, восстановления управляющего напряжения и его сброса. Благодаря такой структуре в устройстве могут быть заданы напряжение, ток тлеющего разряда, температура детали, обеспечено достижение заданного значения параметра и его стабилизация, причем система выхода на заданный режим адаптивная, изменяющая среднее быстродействие с учетом состояния системы идентификации нештатных ситуаций, анализирующей параметры процесса по четырем критериям. В зависимости от типа нештатной ситуации селектор сигналов принимает решение либо о кратковременном сбросе управляющего напряжения с последующим экспоненциальным его восстановлением, либо о полном сбросе, сопровождаемом аварийной сигнализацией. Таким образом, заявляемое устройство предназначено для управления параметрами процесса и их стабилизации с учетом случайных дестабилизирующих факторов. Сопоставление с прототипом и аналогами показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что имеет системы адаптивного выхода на заданные параметры режима, идентификации нештатных ситуаций и селективного реагирования на них, причем работа указанных систем тесно взаимосвязана. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "Новизна". Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "Существенные отличия". This goal is achieved by the fact that the device is connected simultaneously to the sensors of current, discharge voltage and temperature of the part, has systems for comparing these parameters with the set ones, for automatically changing the control voltage of the thyristor controller, for identifying abnormal situations, a signal selector for abnormal situations, delay circuits, and recovering control voltage and reset it. Due to this structure, the voltage, glow current, part temperature can be set in the device, it is possible to achieve the set value of the parameter and stabilize it, and the system for reaching the set mode is adaptive, which changes the average speed taking into account the state of the emergency identification system, which analyzes the process parameters in four criteria. Depending on the type of emergency, the signal selector makes a decision either on a short-term reset of the control voltage followed by its exponential recovery, or on a complete reset, followed by an alarm. Thus, the claimed device is intended to control process parameters and their stabilization, taking into account random destabilizing factors. Comparison with the prototype and analogues shows that the inventive device is characterized in that it has an adaptive output system for the specified mode parameters, identification of emergency situations and selective response to them, and the work of these systems is closely interconnected. Thus, the claimed device meets the criteria of the invention of "Novelty." Comparison of the proposed solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in this technical field did not allow us to identify signs that distinguish the claimed solution from the prototype, which allows us to conclude that the criterion of "Significant differences".

На фиг. 1 показана общая блок-схема устройства; на фиг.2 - структурная схема. Устройство контроля и управления процессом ионного азотирования содержит датчики тока 1, напряжения 2 тлеющего разряда, температуры детали 3, которые подключаются к анализатору 4 параметров. Сигналы состояния процесса ионного азотирования обрабатываются в блоке 6 управления и сигнализации, выходной сигнал которого поступает на управляющий вход тиристорного регулятора 7 напряжения, прикладываемого к электродам разрядной камеры 8. Питание устройства контроля и управления обеспечивается блоком 9. Один из датчиков 1,2,3 через соответствующий фильтр 10,11,12 нижних частот и переключатель 13 подключен к входу компаратора 14, к другому входу которого подключен выход регулируемого источника 15 опорного напряжения, контролируемого цифровым вольтметром 5. Система автоматического изменения управляющего напряжения тиристорного регулятора состоит из генератора 16 счетных импульсов, схемы И 17, реверсивного счетчика 18, цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 19. Система идентификации нештатных ситуаций включает усреднители - масштабные умножители тока 20 и напряжения 21 разряда, делитель напряжения 22, компараторы 23...28, логические элементы И 29, ИЛИ 30, задатчики предельно допустимых текущего 31 и среднего 32 токов и порогового тока 33. В схему обработки сигналов нештатных ситуаций входят селектор 34, представляющий собой комбинационную логическую схему, одновибратор 35 отсечки, одновибратор 36 фиксации счета, ключ 37, RC-цепь 38 для экспоненциального восстановления опорного напряжения ЦАП, формируемого источником 39, блок 40 аварийной сигнализации. In FIG. 1 shows a general block diagram of a device; figure 2 is a structural diagram. The device for monitoring and controlling the process of ion nitriding contains current sensors 1, voltage 2 glow discharge, temperature 3, which are connected to the analyzer 4 parameters. The state signals of the ion nitriding process are processed in the control and signaling unit 6, the output signal of which is supplied to the control input of the thyristor voltage regulator 7 applied to the electrodes of the discharge chamber 8. The power of the monitoring and control device is provided by unit 9. One of the sensors 1,2,3 through the corresponding low-pass filter 10,11,12 and the switch 13 is connected to the input of the comparator 14, to the other input of which is connected the output of an adjustable reference voltage source 15, controlled by digital m voltmeter 5. The system for automatically changing the control voltage of the thyristor regulator consists of a generator 16 counting pulses, circuit I 17, a reverse counter 18, a digital-to-analog converter (DAC) 19. The system for identifying emergency situations includes averagers - large-scale multipliers of current 20 and voltage 21 bits, divider voltage 22, comparators 23 ... 28, logical elements AND 29, OR 30, limiters of maximum permissible current 31 and average 32 currents and threshold current 33. Entering an emergency signal processing circuit selector 34, which is a combinational logic circuit, a monostable multivibrator 35 cutoff, monostable multivibrator 36 fixing account key 37, RC-circuit 38 for recovery of exponential DAC reference voltage generated by the source 39, the alarm unit 40.

Устройство работает следующим образом. Сигналы датчиков 1,2,3 поступают в анализатор параметров процесса, где сглаживаются фильтрами 10,11,12 соответственно, и в зависимости от режима работы (ионная очистка, разогрев деталей, азотирование при постоянной температуре), один из этих сигналов через переключатель 13 поступает на вход компаратора 14, где происходит его сравнение с опорным напряжением от регулируемого источника 15. Задание требуемых значений параметров осуществляется по цифровому вольтметру 5. Сигнал с выхода компаратора 14 поступает на управляющий вход реверсивного счетчика 18, который, в зависимости от значения этого сигнала, ведет прямой или обратный счет, а цифроаналоговый преобразователь 19 соответственно увеличивает или уменьшает управляющее напряжение тиристорного регулятора 7, что приводит к изменению напряжения между электродами разрядной камеры 8. The device operates as follows. The sensor signals 1,2,3 enter the analyzer of the process parameters, where they are smoothed out with filters 10,11,12, respectively, and depending on the operating mode (ion cleaning, heating parts, nitriding at a constant temperature), one of these signals enters through switch 13 to the input of the comparator 14, where it is compared with the reference voltage from an adjustable source 15. The required parameter values are set using a digital voltmeter 5. The signal from the output of the comparator 14 is fed to the control input of the reverse counter and 18, which, depending on the value of this signal, is straight or down counting and digital to analog converter 19, respectively, increases or decreases the driving voltage of the thyristor regulator 7, which leads to a change in voltage between the electrodes of the discharge chamber 8.

Идентификация типа разряда и характера нештатных ситуаций осуществляется по следующим критериям. The type of discharge and the nature of emergency situations are identified by the following criteria.

1. Микродуга в области малых токов идентифицируется по многократному превышению мгновенных токов среднего значения (коэффициенты кратности здесь и далее реализованы схемно по результатам экспериментального исследования процесса). 1. The microarc in the region of low currents is identified by multiple excesses of the instantaneous currents of the average value (multiples are here and below implemented schematically according to the results of an experimental study of the process).

2. Дуга в области больших токов распознается по условиям, когда среднее значение тока больше порогового по задатчику 33, мгновенное напряжение меньше среднего значения напряжения, а мгновенное значение тока превышает среднее с учетом поправочных коэффициентов, из которых коэффициент среднего напряжения меньше единицы, а коэффициент среднего тока больше единицы. Сочетание фактора снижения напряжения и резкого увеличения тока в области его существенных значений однозначно соответствует переходу тлеющего разряда в дуговой. 2. The arc in the region of high currents is recognized by the conditions when the average current value is greater than the threshold value at the master 33, the instantaneous voltage is less than the average voltage value, and the instantaneous current value exceeds the average taking into account correction factors, of which the average voltage coefficient is less than unity, and the average coefficient current is greater than one. The combination of the voltage reduction factor and a sharp increase in current in the region of its significant values unambiguously corresponds to the transition of a glow discharge into an arc.

3. Аварийная ситуация, при которой среднее значение тока больше или равно предельно допустимому среднему значению, установленному задатчиком 32. 3. An emergency situation in which the average current value is greater than or equal to the maximum permissible average value set by the master 32.

4. Аварийная ситуация, соответствующая мгновенному току, равному или превышающему максимально допустимое значение тока, регламентированное задатчиком 31. 4. An emergency situation corresponding to an instantaneous current equal to or exceeding the maximum permissible current value regulated by the master 31.

Система распознавания типа разряда, идентификации нештатных ситуаций и принятия соответствующих решений реализована на компараторах 23...28, логических элементах 29, 30 и селекторе 34. Для критерия 2 используются компараторы 25, 26 и элемент И 29. Реализация критериев 3 и 4 осуществляется с помощью компараторов 27 и 28 соответственно, причем выходы последних объединяются по ИЛИ логическим элементом 30. Усреднители-умножители 20 и 21 используются для выделения средних составляющих тока или напряжения и умножения их на соответствующие поправочные коэффициенты. Дальнейшая обработка сигналов, снимаемых с выходов компараторов 23, 24 и логических элементов 29, 30 осуществляется в селекторе 34, представляющим собой комбинационную логическую схему. При ситуациях, соответствующих критериям 1 и 2, выходной сигнал селектора воздействует на одновибратор 36 задержки счета, который с помощью элемента И 17 запрещает подачу счетных импульсов к входу реверсивного счетчика 18, и на одновибратор 35 отсечки, замыкающий накоротко с помощью ключа 37 вход опорного напряжения ЦАП 19. После определенной выдержки ключ 37 размыкается и опорное напряжение ЦАП восстанавливается экспоненциально благодаря интегрирующей RC-цепи 38. При этом происходит соответственно отсечка и экспоненциальное восстановление управляющего напряжения на выходе ЦАП и аналогичное изменение напряжения между электродами разрядной камеры. Дальнейшее увеличение напряжения возможно только после окончания фиксированной задержки счета, определяемой одновибратором 36, что приводит, в среднем, к замедлению выхода на режим при увеличении частоты возникновения дуг. The system for recognizing the type of discharge, identifying emergency situations and making appropriate decisions is implemented on comparators 23 ... 28, logic elements 29, 30 and selector 34. For criterion 2, comparators 25, 26 and element I 29 are used. Criteria 3 and 4 are implemented with using comparators 27 and 28, respectively, and the outputs of the latter are combined by OR logic element 30. Averaging multipliers 20 and 21 are used to extract the average components of the current or voltage and multiply them by the corresponding correction coefficients cients. Further processing of the signals taken from the outputs of the comparators 23, 24 and logic elements 29, 30 is carried out in the selector 34, which is a combinational logic circuit. In situations that meet criteria 1 and 2, the output of the selector acts on the single-delay counter 36, which, using the And 17 element, prohibits the supply of counting pulses to the input of the reversible counter 18, and on the single-shot 35 cut-off, which shortens the input voltage reference using the key 37 DAC 19. After a certain exposure, the key 37 opens and the reference voltage of the DAC is restored exponentially due to the integrating RC circuit 38. In this case, the cutoff and exponential restoration of vlyayuschego voltage at the DAC output and a similar voltage variation between the electrodes of the discharge chamber. A further increase in voltage is possible only after the end of a fixed countdown delay determined by a single-shot 36, which leads, on average, to a deceleration of the output to the mode with increasing frequency of arcing.

В случае аварийной ситуации (критерии 3 и 4) сигнал селектора воздействует на вход сброса реверсивного счетчика 18, что в конечном счете приводит к обесточиванию разрядной камеры 8, одновременно включается блок 40 аварийной сигнализации. In the event of an emergency (criteria 3 and 4), the selector signal acts on the reset input of the reversible counter 18, which ultimately leads to de-energization of the discharge chamber 8, and the alarm unit 40 is simultaneously turned on.

Применение устройства контроля и управления процессом ионного азотирования позволяет автоматизировать выход на заданные параметры режима и их отслеживание, что повышает производительность и качество химико-термической обработки. The use of a device for monitoring and controlling the ion nitriding process makes it possible to automate the output to the specified mode parameters and their tracking, which increases the productivity and quality of chemical-thermal treatment.

Claims

DEVICE FOR MONITORING AND CONTROL OF THE ION NITROGEN PROCESS, including current, voltage, and temperature sensors, a system for comparing process parameters with preset ones, a circuit for generating the control voltage of the thyristor voltage regulator on the electrodes of the discharge chamber, a system for interrupting the power of a glow discharge in the event of its transition to an arc, digital voltmeter for monitoring settings of the nitriding mode parameters, characterized in that it includes a system for automatically changing the control voltage of the thyristor o the regulator, consisting of a generator of counting pulses, an AND logic element, a reversible counter, a digital-analog converter with a reference voltage source and an emergency identification system, which includes averagers - large-scale multipliers of discharge current and voltage, a voltage divider, comparators, AND and OR logic elements, limiters of the maximum permissible current, average currents and threshold current, while the emergency signal processing circuit includes a selector in the form of a combination logic emy, monostable cut-off and fixing account key removal reference voltage, RC-circuit its exponential recovery unit and alarm.