高頻感應(yīng)加熱與分揀技術(shù)

1、高頻感應(yīng)加熱與分揀技術(shù)摘要 進(jìn)入21世紀(jì)，隨著高新科技的日新月異和工業(yè)發(fā)展的自動(dòng)化趨勢(shì)下，工業(yè)上對(duì)金屬材料的加熱上有了新的要求，高頻感應(yīng)加熱技術(shù)也有了更進(jìn)一步的發(fā)展前景，目前高頻加熱技術(shù)具有對(duì)金屬材料加熱速度最快，效率最高，損耗最低的優(yōu)勢(shì)，高頻加熱技術(shù)已經(jīng)是金屬加工行業(yè)使用最廣泛的設(shè)備。高頻感應(yīng)加熱之所以越來(lái)越來(lái)受到各大金屬加工行業(yè)的青睞，最主要的還是因?yàn)樗谖磥?lái)的自動(dòng)化控制，目前很多傳統(tǒng)的工件加熱技術(shù)已經(jīng)完全不能滿(mǎn)足當(dāng)代的自動(dòng)化控制的要求，現(xiàn)在的工廠大部分都采用基于組態(tài)等相關(guān)軟件的自動(dòng)化過(guò)程控制，比如傳統(tǒng)的金屬加熱領(lǐng)域一般采用普通煤炭或天然氣加熱，這種加熱方式最大的問(wèn)題是加熱速度慢，污染

2、嚴(yán)重，而且溫度不能精確的得到控制，對(duì)產(chǎn)品的合格率也會(huì)收到比較大的影響。而且這種方式一般成本都很高，所以經(jīng)濟(jì)效益不高，慢慢都會(huì)被淘汰。高頻感應(yīng)加熱采用的是高頻電流通過(guò)感應(yīng)線圈從而產(chǎn)生電磁感應(yīng)效應(yīng)，對(duì)金屬工件本身產(chǎn)生感應(yīng)電流，它的加熱方式不是普通的鍋爐導(dǎo)熱原理，能量損耗更小，因?yàn)樗墙饘俟ぜ旧懋a(chǎn)熱，不需要外部導(dǎo)熱。在控制方面也非常智能，只需要控制電流的頻率和大小就可以精確的控制溫度，發(fā)熱時(shí)間很短，甚至幾秒就能達(dá)到1200多度的高溫，這是傳統(tǒng)方式加熱所不能比擬的。本次設(shè)計(jì)主要是針對(duì)高頻加熱的自動(dòng)化控制做了研究，利用組態(tài)王軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)變量的控制和監(jiān)控，采用不同工件對(duì)溫度的要求不同而實(shí)現(xiàn)高頻加熱與分

3、揀的完美結(jié)合，再這個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更進(jìn)一步的完善。關(guān)鍵詞：高頻感應(yīng)加熱；電磁感應(yīng)；組態(tài)王；自動(dòng)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 fu

4、rther 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

5、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

6、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 cann

7、ot 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 gener

8、ate 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 contr

9、ol 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 auto

10、matic 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:

11、High Frequency Heating;Electromagnetic induction;kingview;automation第1章 緒論1.1 選題目的和意義 工業(yè)加熱幾乎是每個(gè)工廠在生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的一個(gè)工藝，目前大部分國(guó)內(nèi)廠家對(duì)于工業(yè)上加熱方式，包括工件的熱處理，工件鍛造方面都采用天然氣傳統(tǒng)加熱方式，而這種方式帶來(lái)的最大問(wèn)題就是環(huán)境污染，因?yàn)樘烊粴馐菍儆诓豢稍偕Y源，燃燒后產(chǎn)生大量的有毒氣體，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生非常嚴(yán)重的污染。其次傳統(tǒng)的天然氣加熱是首先把鍋爐加熱達(dá)到一定溫度之后，然后才是通過(guò)鍋爐的溫度傳導(dǎo)給加工元器件，這過(guò)程中會(huì)有熱量損耗，其實(shí)是非常浪費(fèi)資源的。并且這種方式的加熱溫度

12、很難得到精確的控制，因?yàn)樗募訜徇^(guò)程較長(zhǎng)，用時(shí)較大，穩(wěn)定性不高，所以溫度控制上是一個(gè)難題。針對(duì)以上這些問(wèn)題，本課題研究了目前比較先進(jìn)的高頻感應(yīng)加熱技術(shù)，這也是隨著工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展中必然的產(chǎn)物。高頻感應(yīng)加熱技術(shù)可以很好的解決上述問(wèn)題。它是利用電磁感應(yīng)原理對(duì)工件本身內(nèi)部加熱，舍去了傳統(tǒng)的天然氣作為燃料的不利因素，并且在加熱過(guò)程中完全是通過(guò)可控的電流來(lái)控制其溫度和時(shí)間。本課題還重點(diǎn)研究了高頻加熱與分揀技術(shù)的結(jié)合，在對(duì)工業(yè)制品進(jìn)行加熱處理的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種產(chǎn)品的同時(shí)加熱處理，并且全部由組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。相比普通的加熱工藝具有不可取代的意義。通過(guò)對(duì)這種新型加熱技術(shù)的不斷完善，不僅給企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)

13、濟(jì)效益，同時(shí)還很好的解決工業(yè)對(duì)環(huán)境污染的問(wèn)題，所以高頻感應(yīng)加熱技術(shù)對(duì)于每個(gè)企業(yè)都有很高的價(jià)值和意義。1.2 選題的理論依據(jù)付尾款后顯示付尾款后顯示付尾款后顯示付尾款后顯示1.3 現(xiàn)狀分析我國(guó)在感應(yīng)加熱技術(shù)方面起步較早，早在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始初步應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的各行各業(yè)，包括機(jī)床制造，汽車(chē)，紡織機(jī)制造等工業(yè)部門(mén)都有應(yīng)用。但是這些高頻加熱設(shè)備幾乎全部來(lái)自國(guó)外進(jìn)口，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有完善的技術(shù)，大部分來(lái)自蘇聯(lián)，捷克，比利時(shí)這些發(fā)達(dá)國(guó)家，技術(shù)完全被壟斷。在50年代末期，中國(guó)開(kāi)始自己制造生產(chǎn)高頻加熱設(shè)備，先后制造了電子管式高頻電源，機(jī)械式高頻發(fā)電機(jī)等設(shè)備。60年代后期，國(guó)內(nèi)開(kāi)始制造了晶閘管等更先進(jìn)的高頻電源來(lái)取

14、代之前的電子管設(shè)備，但是技術(shù)上還是比較落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。改革開(kāi)放之后，中國(guó)開(kāi)始重點(diǎn)研究高頻加熱技術(shù)，通過(guò)不斷引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的現(xiàn)代化高頻加熱技術(shù)逐步的進(jìn)入到國(guó)內(nèi)工業(yè)部門(mén)。第二章 高頻加熱系統(tǒng)分析2.1 高頻電源分析根據(jù)麥克斯韋電磁感應(yīng)定律，我們知道需要產(chǎn)生高頻振蕩磁場(chǎng)必須有高頻電場(chǎng)，然后高頻電場(chǎng)的產(chǎn)生必須由高頻電流驅(qū)動(dòng)，所以設(shè)計(jì)高頻加熱設(shè)備最主要的就是設(shè)計(jì)一個(gè)高頻電源，結(jié)合相關(guān)知識(shí)和經(jīng)濟(jì)角度考慮，本設(shè)計(jì)采用IGBT為主要器件設(shè)計(jì)的逆變器作為高頻電流產(chǎn)生的依據(jù)，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的逆變器可以有效的提高電流頻率，從而達(dá)到高頻加熱所需要的必要條件。2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容分析 高頻感應(yīng)設(shè)備于分揀技

15、術(shù)分設(shè)計(jì)最終體現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)的高效率與高的自動(dòng)化控制上，所以根據(jù)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀以及各種參考文獻(xiàn)，本次設(shè)計(jì)采用以IGBT為主要元件的高頻電源以及組態(tài)王作為自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)高頻感應(yīng)加熱和自動(dòng)分揀技術(shù)的結(jié)合，所以本設(shè)計(jì)采用自動(dòng)控制供電設(shè)備頻率，以不同的頻率去精確控制高頻加熱爐的溫度，同時(shí)高頻爐架設(shè)了自動(dòng)分揀裝置，不同溫度要求的金屬工件可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的溫度控制，同時(shí)加熱完畢自動(dòng)分配到不同的容器中?？刂平缑娌捎媒M態(tài)王制作人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)電腦自動(dòng)化控制。2.3 需求分析確定了課題實(shí)施的可行性后就可以根據(jù)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)來(lái)分析本次設(shè)計(jì)的需求。2.3.1 功能需求付尾款后顯示付尾款

16、后顯示付尾款后顯示付尾款后顯示第3章 ：高頻感應(yīng)加熱設(shè)備的總體設(shè)計(jì)3.1.1高頻電源的選用及介紹 高頻感應(yīng)加熱設(shè)備最重要的就是選擇合適的電源，電源的設(shè)計(jì)也一直是整個(gè)行業(yè)一直研究的重點(diǎn)。我們知道，能產(chǎn)生高頻電流的設(shè)備很多，有以電子管為主要元件的高頻電源，和機(jī)械式發(fā)電機(jī)，以及以晶閘管為主要元件的中高頻逆變器，還有以IGBT為元器件的高頻電源。選擇合適的電源首先要根據(jù)不同的設(shè)備需求來(lái)選擇，本次設(shè)計(jì)的高頻感應(yīng)加熱裝置最大的需求就是可控性強(qiáng)的高頻電源，還有就是考慮到工廠經(jīng)濟(jì)效益，選擇功率因素較高，能源損耗較少，并且設(shè)備成本較低的高頻電源，綜上所述，根據(jù)查閱資料和調(diào)查，選擇以IGBT為主要元件的15KW高

17、頻加熱電源，它采用IGBT固態(tài)逆變技術(shù)，高效節(jié)能，輸出功率大，100%負(fù)績(jī)率設(shè)計(jì)，可連續(xù)24小時(shí)工作，采用了諧振變頻技術(shù)使設(shè)備整機(jī)效率95%。3.1.2高頻加熱爐的選用及介紹 高頻感應(yīng)加熱爐的原理就是在爐體內(nèi)布置一個(gè)感應(yīng)線圈，高頻振蕩電流通過(guò)該線圈會(huì)在爐體產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，從而在待加熱金屬器件表面迅速產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電流，金屬表面會(huì)出現(xiàn)集膚效應(yīng)形成高溫?；旧纤械母袘?yīng)加熱設(shè)備都是這個(gè)原理，但是選用合適的設(shè)備可以提高生產(chǎn)效益，同時(shí)產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。高頻加熱爐采用感應(yīng)加熱工藝，感應(yīng)加熱是將工件直接加熱。傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱設(shè)備應(yīng)用的電力電子器件是電子管和快速晶閘管。電子管電壓高，穩(wěn)定性差，輻射強(qiáng)，效率

18、低，已經(jīng)到了淘汰的邊緣，但它頻率高，功率大，所以在市場(chǎng)上仍有一席之地?？焖倬чl管是目前應(yīng)用的主力軍，它耐壓高，電流大，抗過(guò)流、過(guò)壓能力較強(qiáng)。但它只能工作在10000Hz以下，這使其使用范圍受到了限制。高頻加熱爐采用IGBT為主器件，IGBT是一種復(fù)合功率器件，它集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有電壓型控制，輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小，控制電路簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)損耗小，通斷速度快，工作頻率較高，元件容量大。它不僅達(dá)到了晶閘管不能達(dá)到的頻率（60kHz以上），而且正在逐步取代快速晶閘管。國(guó)外1kHz80kHz的感應(yīng)加熱已廣泛應(yīng)用IGBT，這是感應(yīng)加熱電源的發(fā)展方向。結(jié)合本設(shè)備的工作場(chǎng)景以及

19、加熱對(duì)象，選用大概10-20kw的高頻感應(yīng)加熱爐，通過(guò)查閱相關(guān)資料選擇了GP-15A型高頻加熱爐，它的最大功率是15kw，和前面選擇的高頻電源想對(duì)應(yīng)，工作輸出電流200-600A。具有加熱-保溫-冷卻三段時(shí)間設(shè)定功能，加熱保溫功率單獨(dú)調(diào)節(jié)，可獲得所需的加熱保溫過(guò)程。適應(yīng)批量化、重復(fù)性的加熱場(chǎng)所。3.1.3人機(jī)界面軟件的選擇和簡(jiǎn)介 付尾款后顯示付尾款后顯示付尾款后顯示付尾款后顯示3.2系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是快速可控加熱以及自動(dòng)分揀技術(shù)兩大模塊。所以系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分兩個(gè)部分來(lái)完成。首先是加熱功能的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)高頻加熱爐的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬工件的快速可控性加熱。然后是通過(guò)控制溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同溫

20、度需求的工件進(jìn)行分別加工。高頻感應(yīng)加熱溫度控制原理圖：付尾款后顯示付尾款后顯示付尾款后顯示付尾款后顯示圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理付尾款后顯示付尾款后顯示付尾款后顯示付尾款后顯示圖3-2 控制流程第4章 設(shè)備的選擇4.1傳感器的選擇 整個(gè)設(shè)計(jì)中需要檢測(cè)的模擬量主要有溫度的采集，所以必不可少的需要一個(gè)溫度傳感器，溫度傳感器的功能是把采集到的溫度轉(zhuǎn)換成可傳輸?shù)碾娏骰螂妷?，通過(guò)檢測(cè)電流或電壓的大小來(lái)計(jì)算出溫度值。結(jié)合本設(shè)計(jì)的溫度需求和工作環(huán)境，本次設(shè)計(jì)采用JCJ100ZB螺紋固定溫度傳感器，它是一個(gè)電流型的傳感器，把檢測(cè)的溫度信息轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流。其主要參數(shù)有：檢測(cè)量程：0-1400攝氏度,輸

21、出信號(hào)：4-20mA公稱(chēng)壓力：耐壓，最大設(shè)計(jì)為10MPa。特點(diǎn)是成本低廉，線性度高，抗壓能力強(qiáng)。而且它最高可檢測(cè)1400攝氏度的高溫，完全滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需求。付尾款后顯示付尾款后顯示付尾款后顯示付尾款后顯示4.2智能模塊的選擇 需要把設(shè)備于人機(jī)界面相連接必須還需要一個(gè)變送器，這里采用智能模塊作為首選，智能模塊相對(duì)于其他PLC等其他設(shè)備具有更多的優(yōu)勢(shì)，連接簡(jiǎn)單，設(shè)置方便，而且它不需要編程，只需要連接它的輸入輸出接口即可，本設(shè)計(jì)輸入輸出接口主要是兩個(gè)模塊，一個(gè)是模擬量的輸入，一個(gè)是模擬量的輸出。結(jié)合本系統(tǒng)實(shí)際狀況以及成本的考慮，本設(shè)計(jì)選用了亞當(dāng)ADAM4017和ADAM4024兩個(gè)設(shè)備。ADAM40

22、17是一個(gè)具有8路模擬量6路差分,兩路輸入的模塊，成本價(jià)在1500左右，選擇它用于溫度信息的采集，溫度傳感器采集到的溫度信息通過(guò)4-20AM模擬量電流傳送給它，它在把這個(gè)信息傳輸?shù)饺藱C(jī)界面顯示出來(lái)。ADAM4024 具有4路模擬量輸出模塊，單通道m(xù)A 或V輸出，可編程輸出斜率：0.125 - 128.0 mA/秒， 0.0625 - 64 V/秒。選擇它用于對(duì)溫度的控制，主要是控制變頻器的電流頻率調(diào)節(jié)加熱爐的溫度。4.3感應(yīng)加熱設(shè)備電源的選擇 付尾款后顯示付尾款后顯示付尾款后顯示付尾款后顯示控制技術(shù)，運(yùn)行穩(wěn)定，高效節(jié)能，輸出功率大，可靠性強(qiáng)。它還具備恒定電流和恒定功率控制功能，極大地優(yōu)化了金屬

23、的加熱過(guò)程，實(shí)現(xiàn)高效快速的加熱；具有百分之百的滿(mǎn)負(fù)載設(shè)計(jì)，可連續(xù)24小時(shí)不間斷工作。實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制，提高加熱質(zhì)量，簡(jiǎn)化工人操作?？勺詣?dòng)調(diào)節(jié)加熱、保溫過(guò)程的功率和時(shí)間，有利于提高加熱的質(zhì)量和加熱的重復(fù)性，簡(jiǎn)化了工人的操作，安裝簡(jiǎn)單，取代瓦斯等各類(lèi)危險(xiǎn)氣體加熱，無(wú)明火產(chǎn)生，操作安全；4.4電動(dòng)機(jī)的選擇 在加熱分揀工藝的過(guò)程中需要用到大功率電機(jī)，它的主要作用是控制加熱工件分放到指定容器的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。為了滿(mǎn)足分揀工作的正常進(jìn)行，必須要選擇一個(gè)足夠功率的電機(jī)，同時(shí)也要考慮功率損耗的問(wèn)題，為了節(jié)約成本，最好選擇利用率較高的設(shè)備。結(jié)合本設(shè)計(jì)所需要的功率采用YBJ系列三相異步電動(dòng)機(jī)。該型號(hào)電動(dòng)機(jī)能滿(mǎn)足系統(tǒng)需

24、求，而且工作電壓電流也符合系統(tǒng)需求，它額定功率是12kw，功率較大，而且損耗比較低，節(jié)能省錢(qián)。該型號(hào)電機(jī)主要參數(shù)如下：1.額定電壓：380V、660V、380660V、6601140V2.額定頻率：50Hz3.防護(hù)等級(jí)：IP554.冷卻方式：IC4115.工作制：S16.絕緣等級(jí)：F7.安裝形式：IMB3、IMB5、IMB35、IMB9001第5章 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)5.1人機(jī)界面以及組態(tài)軟件的介紹隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高，計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，種類(lèi)繁多的控制設(shè)備和過(guò)程監(jiān)控裝置在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件已無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)的各種需求。在開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)的工

25、業(yè)控制軟件時(shí)，當(dāng)工業(yè)被控對(duì)象一旦有變動(dòng)，就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，導(dǎo)致其開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)；已開(kāi)發(fā)成功的工控軟件又由于每個(gè)控制項(xiàng)目的不同而使其重復(fù)使用率很低，導(dǎo)致它的價(jià)格非常昂貴；在修改工控軟件的源程序時(shí)，倘若原來(lái)的編程人員因工作變動(dòng)而離去時(shí)，則必須同其他人員或新手進(jìn)行源程序的修改，因而更是相當(dāng)困難。通用工業(yè)自動(dòng)化人機(jī)界面的出現(xiàn)為解決上述實(shí)際工程問(wèn)題提供了一種嶄新的方法，因?yàn)樗軌蚝芎玫亟鉀Q傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問(wèn)題，使用戶(hù)能根據(jù)自己的控制對(duì)象和控制目的的任意組態(tài)，完成最終的自動(dòng)化控制工程。人機(jī)界面是用戶(hù)與計(jì)算機(jī)交互界面，通過(guò)人機(jī)界面操作員可以通過(guò)電腦遠(yuǎn)程操控各種電氣設(shè)備，不僅操作方便，工作方式單一，而且有效的與設(shè)備隔離，安全性也提高了很多，所以設(shè)計(jì)人機(jī)界面對(duì)于操控高溫高壓設(shè)備有著不可取代的作用。一個(gè)好的人機(jī)界面首先要具備幾個(gè)條件，第一是有一個(gè)友好的界面，用戶(hù)看著舒服，能一眼看懂每個(gè)參數(shù)是什么意思。第二是可操作性強(qiáng)，需要可以控制每個(gè)變量，有效的對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。第三，簡(jiǎn)單易懂，操作員能夠快速掌握它的使用方法，能上手快，操作靈活，對(duì)操作員文化程度要求不高。第四是兼容性強(qiáng)，在設(shè)備更換或升級(jí)的時(shí)候能有效的兼容，這樣可以避免設(shè)備升級(jí)后不能用的問(wèn)題，能有效節(jié)省成本和時(shí)間。針對(duì)上述要求，參考多種相關(guān)資料，最后選擇了亞控科技推出的組態(tài)王軟件作