1、 毕业论文 (设计 ) 论 文 题 目 基于 三菱 PLC 的氮化炉 控制系 统 （ 英 文 ） Mitsubishi PLC-based control system of nitriding furnace 学 院 物理与信息工程学院 专 业 自动化 姓 名 学 号 指 导教师 年 月 日 I 中文摘要 PLC（ 可编程逻辑控制器 ） ，是 一种数字运算的操作系统 ，随着现代科技的快速发展，在各方面都有着大幅度的提高，而传统的只能执行简单逻辑控制已经明显满足不了工业生产的需求，不能保证正常的工业生产。而今已发展到具有数万 I/O 接口的规模、运算的控制功能以及通信、联结网络能力的综合控制系
2、统，已然成为工业生产自动控制的核心设备之一。 在传统的运用继电器控制技术的加热炉里，采用的是硬件固定接线的逻辑控制，使得整个的控制的体积较大，耗电也会相应增多，损耗大易出故障，因此，传统加热炉存在着一些缺陷。根据上述问题，我们在此设计中进行了 改进：与基于计算机技术产生的PLC 控制技术以及 触摸屏 相结合， 改善其使用方法和工作方式，使之更加智能，应用更加广泛。 离子渗氮由分解、吸收和扩散三个基本过程组成。稀薄的氨气在高压直流达到某定值时，分解成氮离子 N+、氢离子 H+和电子。当氮离子达到阴极附近时，被强电场突然加速并轰击气缸套内孔表面。离子的高动能转化为热能加热气缸套。此时，一部分氮离子
3、直接注入气缸套内表面 。另一部分氮离子引起阴极溅射。由内表面溅射原子（ Fe、 C和 O） 与电子。铁原子与氮离子及电子结合成 FeN 吸附在内表面上。由于受热和高速离子继续轰击， FeN 被分解成低价氮化物，如 Fe2NFe3NFe4N 而放出活性氮原子，其中一部分活性氮原子渗入气缸表面并向内部扩散形成渗氮层，另一部分返回到辉光放电的气体中，重新参与渗氮过程。 经 过 氮化处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐 腐 蚀性及耐高温的特性。 传统的热处理还用着老式的“老三炉”设备，其热加工质量不高，能量消耗还大，污染严重问题也日益紧张， 离子氮化法因其 清洁无公害、渗速快 的优点在我国应运而生
4、。 在 本设计中，我们利用了三菱 以 FX2N 系列 PLC 为控制核心， 与触摸屏相结合的方式实现对的智能控制和实施监控，利用各 种传感器和电机实现自动运行和检测，实现了自动调节识别 温度 大小的控制。 关键词 等离子渗氮 ； 三菱 PLC；自动 控制； PID II Abstract PLC（ Programmable Logic Controller）， Is a kind of digital computing operating system .With the rapid development of modern electronic technology, PLC in th
5、e many various aspects are greatly improved. Traditional control that performs simple logic cant satisfy peoples needs, can guarantee the normal industrial production. Now to have tens of thousands of I/O size, operation and control functions, and communication and networking ability of comprehensiv
6、e control system, has become one of the core equipment of industrial automatic control. In the use of traditional relay control technology of heating furnace, using the fixed wiring is hardware logic control, makes the whole control of large volume, power consumption will increase accordingly, big l
7、oss is out of order, therefore, the traditional heating furnace has some defects. According to the above problems, we in this design was improved, and the PLC control technology based on computer technology and touch screen, the combination of improving its use method and the way of working, make it
8、 more intelligent, more widely applied. After nitriding processing products have excellent wear resistance, fatigue resistance, corrosion resistance and high temperature resistant characteristics. Traditional heat treatment equipment extended the Soviet era “ old furnace“, the hot working quality, e
9、nergy consumption, serious pollution problem is increasingly nervous, ion nitriding method because of its quick clean pollution-free, seepage velocity in our country. In this design, we use a combination of mitsubishi FX2N series PLC and touch screen to realize the intelligent control and monitor, u
10、se a variety of sensors and motor to realize automatic operation and testing, has realized the automatic adjustment to identify temperature control. Keywords Plasma nitriding； mitsubishi PLC; automatic control； PID 目录 中文摘要 .I Abstract. II 1 绪论 . 1 2 系统的设备 . 2 2.1 设备简介 . 2 2.2 氮化炉应具备的条件 . 2 2.3 操作规程
11、. 3 2.4 系统参数选择 . 4 2.4.1 输入打弧参数 . 4 2.4.2 输入升温保温参数 . 5 2.4.3 输入升温保温参数 . 6 2.4.4 设备启动 . 7 2.4.5 工艺曲线 . 8 3 氮化炉的硬件选择与工艺流程 . 9 3.1 控制系统选择要求 . 9 3.2 全自动控制的基本构造 . 9 3.3 全自动操控阶段 .11 4 控制系统 PLC 程序 . 12 4.1 A/D D/A 转换 . 12 4.2 升温、保温阶段 . 13 4.3 PID 控制 . 14 5 总 结 . 15 致谢 . 16 参考文献 . 17 1 1 绪论 氮化处理是指一种在一定温度下 一
12、定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。 经过渗氮后，金属有很强的 耐蚀性及耐高温 以及优异的耐磨疲劳性，而 离子氮化法因其独特的优点在我国应用日益广泛。 我国 的热处理设备大多数还在用着苏联时代 的“老三炉”设备，但是这种设备有着污染严重的缺点，这也成为一直 以来 工厂制造业 发展 的阻碍 ，尤其是 它的最后一道工序。产品质量把控慢慢变得严格是现代热处理设备 发展的主要特点之一。 除了质量过硬， 同时高效 率和环保也将是今后热处理技术 的 优势和 主要 发展方向。 面对着高精度、高耐磨、无变形、良好的红硬件，抗疲劳性，抗咬合性和抗腐蚀性的 工件技术要求；面对着高合格率、高氮化稳定性的设
13、备要求，显然传统的保护气氛氮化设备已经跟不上时代步伐。 离子氮化是德国人在 1932年提出来的 ,当时由于科学技术水平的限制 ,在实际应用中因存在着不能稳定控制辉光放电。容易出现弧光放电烧伤另件等问题 ,致使这一技术长期得不到推广。直到六十年代中期 ,离子氮化才开始实用化 ,在工业中得到了应用。 而 脉冲等离子体渗氮技术是九十年代发展起来的渗氮新工艺，取代传统的气体渗氮已成为一种必然趋势。与传统的气体渗氮和七十年代末发展起来的直流等离子体渗氮技术相比， 它 更加 节气、节能， 并且 灭 弧 快， 渗氮零件表面处理质量好 ，不 损伤零件表面，适应带有深孔、狭缝形状复杂零件的处理，能有效地提高氮化
14、工件温度的均匀性及氮化层组织的均匀性 ， 工艺参数独立可调，工艺范围宽，操作简便 。 本次设计就是运用 脉冲等离子体渗氮渗氮设备 ， 采用日本三菱可编程控制器（ PLC） ，通过 A D， D A 模块、触摸屏、 监视与控制通用系统 （ MCGS） 一些 特殊功能模块 ，来实现温度、电压等数据上的自动控制 ， 使之符合现代化进展的需求 。 2 2 系统的设备 2.1 设备简介 LDMC-100 AQK 型脉冲等离子体渗氮设备主要用于脉冲等离子 体渗氮、低温碳氮共渗（软氮化） 以及在 650以下进行的其它等离子体多元渗等。 该设备配置脉冲电源、工控机系统。 智能温控仪 显示炉内热偶温度。 绝对压
15、强真空仪 显示炉内压强。 网路电压表 显示网路电压。 电源电压表 显示设备输出电压 。其值由 LD-5集成控制触发器上的触发给定旋钮给定。顺时针旋转触发给定旋钮电压升高，逆时针旋转触发给定旋钮电压降低。 电流表 显示设备输出平均电流 大小 。电流大小由 MC-B 脉冲控制器上的占空比控制， 如果 顺时针旋转占空比旋钮 的话 电流 会 增大， 而 逆时针旋转占空比旋钮电流 则会 减小。 质量流量计显示仪 显示双路气体流量。这里分别显示氨气流量和含碳气氛介质。流量计后有一个拨动开关，当处在外位置时流量变化由自动系统控制；当处在内位置时流量由手动控制。 LD-5集成控制触发器 通过触发给定电位器调节
16、电压（ 0 1000V） MC-B 脉冲控制器 通过占空比电位器调节占空比在 15 85%变化，使电流从 0100A 变化。 2.2 氮化炉应具备的条件 1、 压升率不大 于 0.13Pa/min 2、 极限真空度不低 于 6.7Pa 3、 在空炉的状态下，由大气抽到极限真空的时间不大 于 30min 4、 阴阳极之 间，在 非真空 状态下 ， 其 绝缘电阻 1000V 兆欧表测量 应 不低于 4M 5、 设备应配备有电压、电流、温度、真空度和气体流量 的测量指示的仪器仪表；对温度应能控制和记录。 3 2.3 操作规程 1、 器 件 的 清洗 ： 应 给需要被处理的器 件进行除油清洗。清洗可采
17、用汽油或清洗剂进行处理，应尽可能除去油孔，盲孔或其它各种孔径内的油污。采用清洗剂处理后必须用清水反复漂洗，尽量冲净零件表面金属清洗剂残余，然后烘干或者自然晾干。装炉前发现零件表面仍有金属清洗剂残余，应用棉布擦拭。 2、 装炉 ：将 零件摆放在阴极盘上，并可以层层码放。 零件摆放时应遵循如 下原则： （ 1） 如果零件的底面需要处理时不可直接落在阴极盘上，应采用垫块支撑起来，支撑空间最好大于 30mm，垫块与阴极盘，垫块与零件应紧密接触，接触面的间隙应小于 0.2mm。 （ 2） 零件层层堆放时，接触面亦应是非加工面，如为加工面也需用垫块支撑起来。 （ 3） 同层零件应尽可能均匀放置，零件与零件
18、间隔应保证距离大于 15mm。 （ 4） 同炉零件应大小尽可能相近，确实需要混装时，应延长升温时间，使零件间得到充分的热交换平衡。 3、 接线 ： 本设备阴阳极配有快速接头，通常阴极在炉座底部仅在维修时拆卸。而阳极为黑色快速接头 ，出炉时应拔出，当装好炉后应接入。 4、 工艺参数输入 旋动总控开关，脉冲盒开关，触摸屏自动进入系统，并显示如下图面。 图 2-1 自动控制系统主菜单 4 2.4 系统参数选择 2.4.1 输入打弧参数 在系统菜单画面，触摸 “ 打弧参数设定 ” ， 出现如下画面 ： 图 2-2 设定打弧参数 “电压”指每段打弧阶段，电源使用的电压。 “到达温度”指 的是 该段打弧完
19、结后，炉内所升至的温度。 “占空比”指每一打弧阶段限制电源所能允许放开的最大占空比。是一个固定值。 “打弧开始气压”指设备自动开始运行时压力的最小值。 （ 1） 设定 占空比值需要由小到大（占空比越大打弧越强烈）。使用三段打弧参数时，第一段采用 15%，第二段采用 20%，第三段采用 25%，出厂时已设定，一般不需要变动。如果打弧过程迅速结束时可以选择 2段打弧（第二段设置选择 25%），在第三段重复设置第二段参数。 （ 2） 设定到达温度值必须由小到大（视炉内打弧程度而定）。对于冷炉（指炉内温度在室温），到达温度选择较低值，一般第一段设定 60；对于热炉（指在较高温度出炉后连续开炉），第一段
20、设定温度高于实际炉温 20左右。第二，三段根据实际情况选则，打弧迅速结束，可选择较小值，打弧结 束缓慢，亦选用较大值，通常在 80 120选择。 （ 3） 设定电压值一般由小到大（视炉内打弧程度而定）。第一段多半采用 650V，第5 二、三段可采用较大值，打弧强烈选用较小值，打弧少，尽可能选用较大值，通常在 650850V 选择。 （ 4） 设定打弧开始气压值（视炉内能抽到的真空压力而定）。出厂时设定在 50Pa，在仪表零点向上漂移时可适当提高该数值，但漂移过大时则应判断是否设备有漏气现象或者 真空泵抽气能力下降。漏气则应排除漏气因素；如果真空泵的抽气能力下降，就 应该清洗 真空泵油， 若还是
21、不能加强抽气能力 ，则应更换真空泵。 （ 5） “选择升温保温段数”（请选择需要的段数，选择好的段数为绿色，未选中者为红色） .仅能选中 一个数，该段即为结束段，程序仅运行该数字以前的段数（含本段），这个阶 段执行完成后，系统 会 自动关机。 （ 如：选择 3段则执行完 3段程序设定后系统自动关机，因此应正确选定段数，杜绝误操作。 ） （ 6） “选择升压保压段数”它的选择确定程序操作时压力控制的阶段数 注：升温保温段数与升压保压段数可以相同，也可以不同，各自独立。 数据输入完毕后触摸画面右下的按钮返回系统菜单画面。 2.4.2 输 入升温保温参数 在系统菜单画面，触摸 “ 升温温度参数设定
22、” ， 出现如下画面 ： 图 2-3 设定 温度 参数 根据选择的段数， 分别录入各段的到达温度、升温斜率、电压、保温时间 。 “到达温度”指该段升温结束时炉内 所 到达的温度。 6 “升温斜率”指该段升温时规定的升温速度，单位为 /分钟。 “电压”指该阶段电源工作电压。单位 V “保温时间”指该段升温结束后，维持温度不变的持续时间。 （ 1） 第一段为打弧结束后转入快速升温的衔接段，因为启动压力调节时压力变化迅速，不易控制，应适当降低工作电压，通常选择 650V。到达温度选择高于打弧第三阶段 20左右。升温速率 通常设 为 2 /分钟，保温时间通常选择 0。 （ 2） 第二阶段进入快速升温时
23、段，到达温度一般选择 300，可以采用较高的升温速度，升温斜率可选择 3 4，对于变形要求较高的场合，升温速率应选择下限或更低，电压通常选择 650 750V。保温时间通常设为 0。 （ 3） 第三段进入慢速升温时段，到达温度根据渗氮要求选择通常炉内实际温度为500 560，兼顾变形要求，采用较低的升温速度，升温斜率可选择 1 2，对于变形要求较高的场合，升温速率应选择下限或更低，电压通常选择 650 750V。保温时间根据渗氮渗层深度确定，通常为 4 20小时，可更短或更长。 画面上的最后一个方框工作时间显示的为保温时间实际值。 数据输入完毕 以 后 点击右上方的图形来 返回系统菜单画面。 2.4.3 输入升温保温参数 在系统菜单画面，触摸 “ 升压保压参数设定 ” ， 出现如下画面： 图 2-4 设定 压力 参数
