超低溫深冷箱

概述：現代工業竟爭力正面臨工業結構轉型與升級，也必須做出正確的改變，品質是保持其生存必要條件，如今工業產品如何提高效能，是所有產業所必須面臨的課題。如今，設備的更新為的是品質達到一定的水準。當品質保證已經不能再提高時，金屬材料的基礎工程更顯的重要，熱處理的基礎工作讓工業產品的品質未趨完善，雖然熱處理(淬火、回火)附予金屬材料生命，但是未給予壽命與效能
關鍵詞：液氮深冷箱、AI程序調節器、AI無紙記錄儀
一、概述：
現代工業竟爭力正面臨工業結構轉型與升級，也必須做出正確的改變，品質是保持其生存必要條件，如今工業產品如何提高效能，是所有產業所必須面臨的課題。如今，設備的更新為的是品質達到一定的水準。當品質保證已經不能再提高時，金屬材料的基礎工程更顯的重要，熱處理的基礎工作讓工業產品的品質未趨完善，雖然熱處理(淬火、回火)附予金屬材料生命，但是未給予壽命與效能。完整的基礎的工程除前置的熱處理外，尚包括后序的金屬深冷處理，方是保證品質的基礎工作。金屬深冷處理將是如今**的選擇。
①深冷處理原理
深冷處理是利用冷媒作為冷卻介質，對材料進行程序化深冷處理(-196℃)和低溫回火，從而達到改善和強化金屬材料性能的目的。深冷處理是近年來G際上**新的一種改善和強化金屬材料性能的新工藝技術，是目前**有效、**經濟的一種技術手段。
所謂深冷處理，即從室溫逐漸降溫**-196℃，然后從一196℃逐漸升溫**室溫的這一過程，采用**新的加熱技術、控溫技術和液氮分散技術，使程控升溫、恒溫、降溫各過程均勻穩定。以液氮為制冷劑，滿足降溫及環保要求。金屬中大量殘余奧氏體轉變為馬氏體，特別是過飽和的亞穩定馬氏體在處理過程中會降低飽和度，析出彌散、尺寸僅為20-60μ，并與基體保持共格關系的超微細碳化物，可以使馬氏體晶格畸變減少，微觀應力降低，而細小彌散的碳化物在材料塑性變形時可以阻礙位錯運動，
②應用*域
程序溫度控制深冷箱主要是針對金屬材料的低溫處理、低溫回火和時效／應力釋放或樣品冷凍需要的不同降溫速率要求等而研制的。深冷處理改性技術對節省材料，提高工作效率，提高加工質量，降低成本具有十分明顯的效果，該技術的優良特性可以和當今各種鍍膜技術、離子注入技術組合、即深冷處理+鍍膜(注入)技術，形成新的工藝技術，總之，深冷處理技術在十分廣泛的*域均可得到應用，如：
科研、教學、材料實驗和檢測部門的相關應用
硬質合金刀具、刃具、鉆頭耐磨性能和使用壽命的提高
高速工具鋼刀具、刃具、量具、鉆頭耐磨性能和使用壽命的提高
金剛石鉆頭、鋸片、頂錘的性能改善和熱穩定性的提高；
精密機械零件尺寸穩定性的提高；
機械制造中熱作模具、冷作模具抗沖擊能力和使用壽命的提高；
油嘴、彈簧、齒輪、軸承耐磨性能和使用壽命的提高。
銅合金材料、電器、通訊銅插件的使用壽命成倍提高。
③深冷箱的結構
深冷處理箱，由冷藏柜和液氮貯槽構成，它是內層箱和外層箱兩層嵌套，上部設有開蓋的箱式結構，內層箱為冷處理箱，由液氮冷卻，外層箱是冷柜。該設備能完全滿足小容量深冷（－８０℃～－１８０℃）處理要求，冷處理溫度范圍寬，控制精度高，設備投資低，既可作冷處理用又可作冷藏箱用。其特征為所述處理箱由內層箱和外層箱兩層嵌套，上部設有開蓋的箱式結構，所述內層箱為冷處理箱，箱體內側設有蛇形管換熱器，蛇形管上端入口處與取液氮管連通，取液氮管的另一端與液氮貯槽連通，所述外層箱是一個冷柜，上設開蓋，下部和側面分別設有制冷壓縮機，液氮制冷罐。數字程序控制儀表及觸摸屏數字無紙記錄儀。
二、控制系統硬件配置：
程序儀表AI-708PE5L4L1L1S；AI706ME5J0J0J0L5L5S；AI-2057C觸摸屏數字無紙記錄儀。SZDJLSLX-4186型超低溫深冷箱程序控制深冷箱配套100L自增壓液氮容器；真空jue熱輸液軟管；溫度傳感器選用PT100鉑電阻；控制系統見下圖1。
 
三、溫度程序控制及自整定
1、自動控制功能：程序儀表溫度設定，AI-708P程序儀表，的程序編排是按統－采用溫度－時間－溫度格式，其定義是，從當前段設置溫度，經過該段設置的時間到達下一溫度。溫度設置值的單位都是℃，而時間值的單位都是分鐘；
2、數據記錄：AI-2057無紙記錄儀全屏顯示溫度數據，采用CF卡1～4G存儲記錄空間；數據保存按先進先出的原則，轉存數據點立即保存；數據通過讀卡器在PC上直接打開，串口備份**計算機上，用Excel電子表格打開CSV格式的數據文件；無存儲功能時可作終端顯示操作屏使用，主機內存可記錄大約1小時的數據及報警參數，保存15條升降溫程序配方在中。采集的數據可通過CF卡在計算機上打印，也可在無紙記錄儀上用微型打印機來打印報表曲線。
3、程序設置：設置深冷箱控溫經過為：25℃經過80分鐘降到-180℃，-180℃保溫60分鐘后經過120分鐘升溫到160℃，然后在160℃保溫60分鐘停止。控溫曲線如下圖2#p#分頁標題#e#
 

4、自整定的方法：程序控制深冷箱采用AI調節器結合PID調節、自學習及模糊控制技術，實現了自整定/自適應功能，及、無欠調的精確調節，性能遠優于傳統PID調節器。自整定是讓溫控器執行ON/OFF（位式）控制，經2－3次振蕩周期后儀表內部微處理器根據位式控制產生的震蕩，分析其周期、幅度及波形來自動計算出M5、P、T等控制參數。PID參數合適的PID參數。自適應是PID調節過程，通過判斷輸出和偏差的變化再對PID參數進行微調以作為自整定參數不準確的補充。有時候還需要人工干預微調改變PID參數。
4、系統監測：在環境恒溫在25℃。在工作腔內用支架空間分布9個測溫點，溫度傳感器用Pt100；分別在深冷箱內溫度達-180℃和160℃并且保溫20分鐘待工作腔內溫度穩定后開始測溫。其中測溫點的分布如上圖所示：圖2箱體內測溫點空間分布。
5、控溫結果與分析：深冷箱在-180℃**大溫差為0.97℃，**小溫差為0.21℃；在160℃時**大溫差為1.35℃，**小溫差為0.88℃；具體溫差帶如下圖3、4。
 
通過對分析數據可以看出，程序控制深冷箱在溫度均勻性方面表現非常出色，尤其是在低溫方面溫度均勻性小于1℃，從而有效地保證了工件深冷處理效果的穩定。分析均勻性原因如下：
AI智能化的PID控制。作為一種線性控制器，它根據給定值和實際輸出值構成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。PID控制系統原理圖如下圖5
 
 
e(t)為控制器輸入，它是給定值和被控對象輸出值的差，為系統參考輸入(設定值)，y(t)為系統輸出〔被控量)e(t)=r(t)-A(t),r(t)，稱為偏差信號。深冷箱PID算法可以智能修正偏差量使得控制溫度盡可能吻合設定溫度。從而保證了深冷箱的控溫精度。
6、控制參數指標：程序儀表可采用PID多段自動調節，實現定溫控制和降溫速率控制，所有參數可靈活設置，多達15種工藝曲線，每段溫區可自行設定，降溫速率從0.3℃/分~2℃/分特殊深冷工作模式，降溫速率從1℃/分~10℃/分普通深冷工作模式，程序控制儀表直接與觸摸屏連接，通過屏上觸摸設置參數，顯示工作狀態，實時溫度曲線。打印歷史數據曲線等。
程序控制深冷箱性能參數如下：
溫度控制范圍200℃～－190℃
溫度均勻度：±1℃，溫度平衡后0.5h
控溫精度：±2℃
降溫速率：1~10℃/min
升溫速度：1~10℃/min
保溫時間：任意設置
加熱器：電阻式
控制方式：程序儀表控制
7、工作腔溫度均勻保證：深冷箱結構采用內腔、外殼分離，中間用硬質聚氨酯泡沫作保溫層。聚氨酯泡沫是泡沫聚氨基甲酸酯的簡稱。硬質聚氨酯泡沫塑料的熱導率為，硬質泡沫聚氨酯中的氣泡jue大多數為封閉氣孔因而吸水率特別小，吸濕對熱導率的影響也很小。正是這種保溫材料有效地阻止了深冷箱對外的熱交換，使工作腔均勻保溫。
同時深冷箱采用多元噴射，并配有渦流分風機攪拌單元。這種結構保證了當液氮進入工作腔時呈發散狀，再經過渦流風機攪拌單元使剩余的湍流氣、液相氮均勻的進入工作腔，為工作腔提供均勻穩定的冷源。
四、人機界面無紙記錄儀操作控制應用：
在人機界面實時監控多臺SZDJLSLX-4186型超低溫深冷箱，在觸摸屏流程圖上實時監控運行狀態，群控低溫深冷箱，用開關量輸入模塊AI-3011D5M模塊來實現低溫深冷箱運行狀態的反應。
①實時程序監控6個數據，運行狀態與數據同時顯示，動畫編輯安裝通訊地址來安排連接。圖6
 
 
②觸摸屏參數設置、升降溫程序配方曲線保存上傳、下載：
對于518P、708P、808P程序參數設置，點擊【A】框，進入【手/自動、編程設置控制平臺】；圖5所示的編程界面：出現【通道一程序編排設置】；程序編排平臺用組別配方來設置程序段【C01】和【T01】表示，以【組1】為例：點擊選中【組1】點擊組名【C01】下面的數據框輸入溫度值【250】（注：在溫度欄C01輸入的數值要放大10倍如25℃輸入的數據是【250】放大10倍）；點擊組名T01下的時間段寫入實際時間值分鐘如15分鐘寫入【15】；設置好程序配方選中配方組如：【組1】在菜單條中點擊【查看】可看到已編排的曲線圖形；點擊【返回】；選中編輯好的配方組【組1】點擊【下載】操作，已編排的程序就下傳給程序儀表；即時可操作【運行】【停止】【暫停】【手動】【自動】【返回】。采用【上傳驗證】儀表中的程序曲線來檢驗程序是否下傳，程序配方可保存15組程序在觸摸屏中。圖7
 
 
③采集數據保持：在CF卡內，采樣時間默認為6秒，用戶可以設定的范圍是：6秒~3600秒；內存轉CF卡存儲間隔默認為60分鐘，用戶可以設定的范圍是：60分~300分；轉存數據按每小時為單位1個數據包；數據保存按先進先出的原則；#p#分頁標題#e#
觸摸屏的外插CF卡來保存數據；【強烈建議斷電后拔插CF卡】！標配1G的電子硬盤。
可擴展CF卡1～4G存儲記錄空間；數據可通過微型打印機打印數據報表、曲線；或通過CF卡存儲數據用讀卡器在PC上用圖形軟件直接打開；也可通過串行COM2口備份Excel電子表格數據**上位計算機。CF卡內：【AL】數據包是報警報表；【DL】數據包是數據報表；按年/月/日/小時來保存數據源文件。
④多曲線觀察深冷箱運行情況：在觸摸屏上用多曲線的形式來直觀的顯示CF卡記錄中的數據，顯示該時間段內相關通道間被測量的變化關系。按通道順序排列1、2、3、4固定組合在一起的通道組合，對于需要比較關鍵參數通道可將儀表地址編排在同一組顯示趨勢曲線，這樣就更好的進行比較分析工藝參數的對象變化。點擊【數據框】返回【實時畫面】通道。點擊【S】可選擇啟用單條或4條曲線顯示趨勢變化；查詢歷史數據設置起始時間及時間跨度；設置數據范圍使曲線顯示在圖表中央，不同的數據范圍啟用單條查詢。歷史畫面的功能畫面右下角點擊【S】查詢，觸摸屏顯示是當前的起始時間，改倒退起始時間：年/月/日/時/分/秒；修改時間跨度：時/分/秒設置；點擊【確認】按鈕，系統即刻顯示歷史曲線、數據報表；報警報表。
⑤計算機圖形軟件使用：專為無紙記錄儀開發的，一個可在個人計算機上運行的工具軟件，其作用是用來將HMI屏上加密記錄在CF卡上的數據集中管理，便于用戶查詢數據報表，查看歷史曲線，并可以對其進行打印的功能。點擊【查看報表】按鈕，可以顯示打開的記錄數據與報警記錄的文件或是用戶從CF卡里查詢到的數據，以報表的形式顯示出來。如下圖8：
⑥數據微型打印機打印：
1、歷史曲線可同時打印4條：有2種方式：在屏的歷史曲線畫面才能實現打印曲線功能！
左上角的藍色“Print”：打印屏上所顯示的曲線內容；1條或選4條同時打印；
左上角的紅色“Print”：打印設置中所查詢到的曲線內容；1條或選4條同時打印；
右下角的“S”設置，有關打印機紙張寬度的設置，如果您的打印機的紙張太寬或太窄，可以通過設置“打印紙張寬度比例”這個值來調整，他的范圍是“0%~500%”
2、歷史數據可同時打印5個數據：有2種方式：在屏的歷史數據畫面才能實現打印數據功能！
(1)左上角的藍色“Print”：手動打印屏上所查詢到的報表內容；每行5個數據；
(2)右上角的紅色“Print”：手動打印當前剛剛采集到的報表內容；每行5個數據；
(3)右下角的“S”設置，有關打印報表的設置，
a.如果您想自動打印采集到的報表，可以啟用“選擇是否自動打印”的功能。
b.“自動打印時間間隔“的設定，是設置多長時間后，打印機開始自動打印。如果此值設為0，則自動的實時打印報表。
c.打印紙寬57mm每次打印5列1行數據，每行5個數據；大于5列數據換行打印；您可以通過設置“打印起始列和打印終止列”來設置您所要打印的那幾個連續列的數據。
d.每列數據可打3000行，每1行數據間隔就是：數據報表采樣時間【6】秒（可設置）。
查詢打印可打3000行數據；3000×6秒＝18000秒÷3600秒＝5小時；
深冷箱配備了程序控溫儀，無紙記錄儀實現了自動控制。宇電AI程序儀表對深冷箱溫度均勻控制大到了預定的目標：低溫段控溫均勻度值&lt;1℃；②高溫段控溫均勻度<2℃。這個性能指標完全避免了工件批處理時因在工作腔中擺放位置不同，而引起深冷處理效果的迥異。從根本上解決了以前深冷處理過程的不穩定，解決了批處理工件次品多這種通病，將我G小型深冷設備技術推向了一個新的高峰。