高频加热_

高频加热_

2020-10-24 04:04

  高频感应加热与分拣技术 摘要 进入 21 世纪, 随着高新科技的日新月异和工业发展的自动化趋势下,工业 上对金属材料的加热上有了新的要求, 高频感应加热技术也有了更进一步的发展 前景,目前高频加热技术具有对金属材料加热速度最快,效率最高,损耗最低的 优势, 高频加热技术已经是金属加工行业使用最广泛的设备。高频感应加热之所 以越来越来受到各大金属加工行业的青睐, 最主要的还是因为它更利于未来的自 动化控制, 目前很多传统的工件加热技术已经完全不能满足当代的自动化控制的 要求, 现在的工厂大部分都采用基于组态等相关软件的自动化过程控制,比如传 统的金属加热领域一般采用普通煤炭或天然气加热, 这种加热方式最大的问题是 加热速度慢,污染严重,而且温度不能精确的得到控制,对产品的合格率也会收 到比较大的影响。而且这种方式一般成本都很高,所以经济效益不高,慢慢都会 被淘汰。高频感应加热采用的是高频电流通过感应线圈从而产生电磁感应效应, 对金属工件本身产生感应电流, 它的加热方式不是普通的锅炉导热原理,能量损 耗更小, 因为它是金属工件本身产热, 不需要外部导热。 在控制方面也非常智能, 只需要控制电流的频率和大小就可以精确的控制温度,发热时间很短,甚至几秒 就能达到 1200 多度的高温,这是传统方式加热所不能比拟的。本次设计主要是 针对高频加热的自动化控制做了研究, 利用组态王软件来实现相关变量的控制和 监控, 采用不同工件对温度的要求不同而实现高频加热与分拣的完美结合,再这 个领域实现更进一步的完善。 关键词:高频感应加热;电磁感应;组态王;自动化 ABSTRACT Into the 21st century, along with the high and new science and technology progress and industrial development trend of automation, industrial heating of metal materials with the new requirements, high frequency induction heating technology has further prospects for development, the high frequency heating technology for metal material heat the fastest, most efficient, loss minimum, the advantages of high frequency heating technology has been the most widely used in metal processing industry is the equipment. High frequency induction heating is more and more get the favour of the metal processing industry, the main or because it is in favor of the automatic control of the future, at present many traditional workpiece heating technology has been completely unable to meet the requirements of modern automation control, now the factory are mostly based on configuration software related to the automation of process control, such as the traditional metal heating areas generally USES ordinary coal or natural gas heating, the heating mode the biggest problem is that the heating speed is slow, pollution is serious, and the temperature cannot be precisely controlled, for the product percent of pass will also receive a larger impact. And this way the general cost is very high, so economic efficiency is not high, slowly will be eliminated. High frequency induction heating USES a high frequency current through the induction coil to generate electromagnetic induction effect, for metal artifacts themselves produce induced current, its heating mode is not ordinary boiler heat conduction principle, less energy loss, because it is a metal workpiece itself generate heat, does not need external thermal conductivity. In the aspect of control is also very smart, just need to control current of frequency and size can accurately control temperature, heating time is short, even a few seconds can achieve 1200 - degree heat, this is a traditional way cant be matched by heating. This design is mainly aimed at the high frequency heating automatic control to do the research, by using kingview software to implement the relevant variables control and monitoring of different workpiece temperature on different requirements and achieve the perfect combination of high frequency heating and sorting, then this field to further improve. Keywords:High Frequency Heating;Electromagnetic induction;kingview;automation 第一章 绪论 1.1 选题目的和意义 工业加热几乎是每个工厂在生产过程中必不可少的一个工艺,目前大部分国内厂家对 于工业上加热方式,包括工件的热处理,工件锻造方面都采用天然气传统加热方式,而这种 方式带来的最大问题就是环境污染, 因为天然气是属于不可再生资源, 燃烧后产生大量的有 毒气体, 对环境产生非常严重的污染。 其次传统的天然气加热是首先把锅炉加热达到一定温 度之后,然后才是通过锅炉的温度传导给加工元器件,这过程中会有热量损耗,其实是非常 浪费资源的。并且这种方式的加热温度很难得到精确的控制,因为它的加热过程较长,用时 较大,稳定性不高,所以温度控制上是一个难题。 针对以上这些问题, 本课题研究了目前比较先进的高频感应加热技术, 这也是随着工业自动 化发展中必然的产物。 高频感应加热技术可以很好的解决上述问题。 它是利用电磁感应原理 对工件本身内部加热, 舍去了传统的天然气作为燃料的不利因素, 并且在加热过程中完全是 通过可控的电流来控制其温度和时间。 本课题还重点研究了高频加热与分拣技术的结合, 在 对工业制品进行加热处理的同时可实现对多种产品的同时加热处理, 并且全部由组态王软件 实现自动化控制。 相比普通的加热工艺具有不可取代的意义。 通过对这种新型加热技术的不 断完善,不仅给企业带来可观的经济效益,同时还很好的解决工业对环境污染的问题,所以 高频感应加热技术对于每个企业都有很高的价值和意义。 1.2 选题的理论依据 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 1.3 现状分析 我国在感应加热技术方面起步较早, 早在 20 世纪 50 年代就开始初步应用于 国内的各行各业,包括机床制造,汽车,纺织机制造等工业部门都有应用。但是 这些高频加热设备几乎全部来自国外进口,国内还没有完善的技术,大部分来自 苏联,捷克,比利时这些发达国家,技术完全被垄断。在 50 年代末期,中国开 始自己制造生产高频加热设备, 先后制造了电子管式高频电源,机械式高频发电 机等设备。60 年代后期,国内开始制造了晶闸管等更先进的高频电源来取代之 前的电子管设备,但是技术上还是比较落后于发达国家。改革开放之后,中国开 始重点研究高频加热技术, 通过不断引进国外先进设备和技术,工业发达国家的 现代化高频加热技术逐步的进入到国内工业部门。 第二章 高频加热系统分析 2.1 高频电源分析 根据麦克斯韦电磁感应定律, 我们知道需要产生高频振荡磁场必须有高频电场, 然后高 频电场的产生必须由高频电流驱动,所以设计高频加热设备最主要的就是设计一个高频电 源,结合相关知识和经济角度考虑,本设计采用 IGBT 为主要器件设计的逆变器作为高频电 流产生的依据, 设计一个合理的逆变器可以有效的提高电流频率, 从而达到高频加热所需要 的必要条件。 2.2 设计内容分析 高频感应设备于分拣技术分设计最终体现在工业生产的高效率与高的自动化控制上, 所 以根据国内外的发展现状以及各种参考文献,本次设计采用以 IGBT 为主要元件的高频电源 以及组态王作为自动化控制的基础。 根据设计要求, 本次设计需要实现高频感应加热和自动 分拣技术的结合, 所以本设计采用自动控制供电设备频率, 以不同的频率去精确控制高频加 热炉的温度, 同时高频炉架设了自动分拣装置, 不同温度要求的金属工件可以实现相应的温 度控制,同时加热完毕自动分配到不同的容器中。控制界面采用组态王制作人机交互界面, 实现电脑自动化控制。 2.3 需求分析 确定了课题实施的可行性后就可以根据实际工业生产来分析本次设计的需求。 2.3.1 功能需求 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 第三章:高频感应加热设备的总体设计 3.1.1 高频电源的选用及介绍 高频感应加热设备最重要的就是选择合适的电源, 电源的设计也一直是整个行业一直研 究的重点。我们知道,能产生高频电流的设备很多,有以电子管为主要元件的高频电源,和 机械式发电机,以及以晶闸管为主要元件的中高频逆变器,还有以 IGBT 为元器件的高频电 源。 选择合适的电源首先要根据不同的设备需求来选择, 本次设计的高频感应加热装置最大的需 求就是可控性强的高频电源,还有就是考虑到工厂经济效益,选择功率因素较高,能源损耗 较少,并且设备成本较低的高频电源,综上所述,根据查阅资料和调查,选择以 IGBT 为主 要元件的 15KW 高频加热电源,它采用 IGBT 固态逆变技术, 高效节能,输出功率大,100% 负绩率设计,可连续 24 小时工作,采用了谐振变频技术使设备整机效率≥95%。 3.1.2 高频加热炉的选用及介绍 高频感应加热炉的原理就是在炉体内布置一个感应线圈, 高频振荡电流通过该线圈会在 炉体产生电磁感应现象, 从而在待加热金属器件表面迅速产生强大的感应电流, 金属表面会 出现集肤效应形成高温。 基本上所有的感应加热设备都是这个原理, 但是选用合适的设备可 以提高生产效益,同时产生较好的经济效益。 高频加热炉采用感应加热工艺, 感应加热是将工件直接加热。 传统的感应加热设备应用的电 力电子器件是电子管和快速晶闸管。电子管电压高,稳定性差,辐射强,效率低,已经到了 淘汰的边缘,但它频率高,功率大,所以在市场上仍有一席之地。快速晶闸管是目前应用的 主力军,它耐压高,电流大,抗过流、过压能力较强。但它只能工作在 10000Hz 以下,这 使其使用范围受到了限制。高频加热炉采用 IGBT 为主器件,IGBT 是一种复合功率器件, 它集双极型功率晶体管和功率 MOSFET 的优点于一体,具有电压型控制,输入阻抗大、驱 动功率小,控制电路简单,开关损耗小,通断速度快,工作频率较高,元件容量大。它不仅 达到了晶闸管不能达到的频率 (60kHz 以上), 而且正在逐步取代快速晶闸管。国外 1kHz~ 80kHz 的感应加热已广泛应用 IGBT,这是感应加热电源的发展方向。 结合本设备的工作场景以及加热对象,选用大概 10-20kw 的高频感应加热炉,通过查阅相 关资料选择了 GP-15A 型高频加热炉,它的最大功率是 15kw,和前面选择的高频电源想对 应,工作输出电流 200-600A。具有加热-保温-冷却三段时间设定功能,加热保温功率单独调 节,可获得所需的加热保温过程。适应批量化、重复性的加热场所。 3.1.3 人机界面软件的选择和简介 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 3.2 系统的功能和结构 本系统的设计目标是快速可控加热以及自动分拣技术两大模块。 所以系统的设计分两个 部分来完成。 首先是加热功能的实现, 通过高频加热炉的设计可实现对金属工件的快速可控 性加热。然后是通过控制温度来实现对不同温度需求的工件进行分别加工。 高频感应加热温度控制原理图: 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 ADAM4017 组态王监控 ADAM4024 变频器 传感器 图 3-1 系统结构原理 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 图 3-2 控制流程 第四章 设备的选择 4.1 传感器的选择 整个设计中需要检测的模拟量主要有温度的采集, 所以必不可少的需要一个 温度传感器,温度传感器的功能是把采集到的温度转换成可传输的电流或电压, 通过检测电流或电压的大小来计算出温度值。 结合本设计的温度需求和工作环境,本次设计采用 JCJ100ZB 螺纹固定温度传感 器,它是一个电流型的传感器,把检测的温度信息转换成标准的 4-20mA 电流。 其主要参数有:检测量程:0-1400 摄氏度,输出信号:4-20mA 公称压力:耐压, 最大设计为 10MPa 。特点是成本低廉,线性度高,抗压能力强。而且它最高可 检测 1400 摄氏度的高温,完全满足本设计的需求。 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 4.2 智能模块的选择 需要把设备于人机界面相连接必须还需要一个变送器, 这里采用智能模块作为首选, 智 能模块相对于其他 PLC 等其他设备具有更多的优势,连接简单,设置方便,而且它不需要 编程,只需要连接它的输入输出接口即可,本设计输入输出接口主要是两个模块,一个是模 拟量的输入,一个是模拟量的输出。结合本系统实际状况以及成本的考虑,本设计选用了亚 当 ADAM4017 和 ADAM4024 两个设备。 ADAM4017 是一个具有 8 路模拟量 6 路差分,两路输入的模块,成本价在 1500 左右,选择 它用于温度信息的采集,温度传感器采集到的温度信息通过 4-20AM 模拟量电流传送给它, 它在把这个信息传输到人机界面显示出来。 ADAM4024 具有 4 路模拟量输出模块, 单通道 mA 或 V 输出, 可编程输出斜率: 0.125 - 128.0 mA/秒, 0.0625 - 64 V/秒。选择它用于对温度的控制,主要是控制变频器的电流频率调节 加热炉的温度。 4.3 感应加热设备电源的选择 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 控制技术,运行稳定,高效节能,输出功率大,可靠性强。它还具备恒定电流和恒定功率控 制功能, 极大地优化了金属的加热过程, 实现高效快速的加热; 具有百分之百的满负载设计, 可连续 24 小时不间断工作。实现温度的自动控制,提高加热质量,简化工人操作。可自动 调节加热、保温过程的功率和时间,有利于提高加热的质量和加热的重复性,简化了工人的 操作,安装简单,取代瓦斯等各类危险气体加热,无明火产生,操作安全; 4.4 电动机的选择 在加热分拣工艺的过程中需要用到大功率电机, 它的主要作用是控制加热工件分放到指 定容器的驱动设备。为了满足分拣工作的正常进行,必须要选择一个足够功率的电机,同时 也要考虑功率损耗的问题,为了节约成本,最好选择利用率较高的设备。结合本设计所需要 的功率采用 YBJ 系列三相异步电动机。该型号电动机能满足系统需求,而且工作电压电流 也符合系统需求,它额定功率是 12kw,功率较大,而且损耗比较低,节能省钱。该型号电 机主要参数如下: 1.额定电压:380V、660V、380/660V、660/1140V 2.额定频率:50Hz 3.防护等级:IP55 4.冷却方式:IC411 5.工作制:S1 6.绝缘等级:F 7.安装形式:IMB3、IMB5、IMB35、IMB9001 第五章 人机界面的设计 5.1 人机界面以及组态软件的介绍 随着工业自动化水平的迅速提高, 计算机在工业领域的广泛应用, 人们对工业自动化的要求 越来越高, 种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用, 使得传统的工业控制软 件已无法满足用户的各种需求。 在开发传统的工业控制软件时, 当工业被控对象一旦有变动, 就必须修改其控制系统的源程序, 导致其开发周期长; 已开发成功的工控软件又由于每个控 制项目的不同而使其重复使用率很低, 导致它的价格非常昂贵; 在修改工控软件的源程序时, 倘若原来的编程人员因工作变动而离去时, 则必须同其他人员或新手进行源程序的修改, 因 而更是相当困难。 通用工业自动化人机界面的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新 的方法, 因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题, 使用户能根据自己的控 制对象和控制目的的任意组态,完成最终的自动化控制工程。 人机界面是用户与计算机交互界面, 通过人机界面操作员可以通过电脑远程操控各种电气设 备,不仅操作方便,工作方式单一,而且有效的与设备隔离,安全性也提高了很多,所以设 计人机界面对于操控高温高压设备有着不可取代的作用。 一个好的人机界面首先要具备几个 条件,第一是有一个友好的界面,用户看着舒服,能一眼看懂每个参数是什么意思。第二是 可操作性强,需要可以控制每个变量,有效的对设备进行远程控制。第三,简单易懂,操作 员能够快速掌握它的使用方法,能上手快,操作灵活,对操作员文化程度要求不高。第四是 兼容性强, 在设备更换或升级的时候能有效的兼容, 这样可以避免设备升级后不能用的问题, 能有效节省成本和时间。 针对上述要求, 参考多种相关资料, 最后选择了亚控科技推出的组态王软件作为人机界面软 件。组态王相比其他软件更利于本系统的实施,组态王软件经过七年开发,五年的各种突发 环境的真实考验,九千例工程(钢铁,化工,电力,国属粮库,邮电通讯,环保,水处理, 冶金等各行业)的现场运行(包括中华世纪坛国家标志性工程),现已成为国内组态软件 的客户首选,并且作为首家国内组态软件应用于国防,航空航天等重大领。 5.2 组态王设计 5.2.1 界面设计 根据本设计的系统流程按照工艺流程制作组态界面, 首先通过组态软件图库中找到相应的图 形,并且连接各管道和设备,制作一个界面友好,美观的组态界面。 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 图 5-1 图库管理器 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 图 5-2 图形的绘制 5.2.2 数据词典的建立 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 5.2.5 报警界面的创建 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 付尾款后显示 第六章 结论 6.1 总结 通过高频感应加热设备的设计制作,我从中深刻体会到了学于致用的道理,基础知识 学的再好, 在面临实践的时候总是会出现各种不可预料的问题和盲点, 我们从学习中得到知 识, 得到提升, 但是永远都有学不完的知识, 我们只有在实际应用中不断的找到自己的不足, 知识的盲点,才能及时补充。只有在实践中学到经验和知识的补充和完善,我们才能在把知 识用于创造未来美好世界的道理上走的更远,学于致用才能发挥到极致。 6.2 设计的不足之处 本次设计总体上达到了预期目标, 但是在某些细节上还是做的不够到位。 比如在设备选 择和加工分拣环节以及组态界面设计方面都有不足之处。 在设备选择上面没有充分考虑到实 际应用的经济性和可操作性。在某些设备选择上出现成本过高或者设备利用补充分的问题。 在组态界面设计方面美观性没有得到发挥,组态画面设计不够美观,图形画的略显粗糙,这 也是本次设计的一个遗憾之处。希望以后再更多的学习和实践经验中得到提升。 参考文献 [1]廖晓钟.《自动控制系统》[M]..北京:北京理工大学出版社,2011. [2]熊伟.《工控组态软件及应用》[M].北京:中国电力出版社,2012. [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]

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