專利名稱：一種鐘罩爐用前饋式氣氛控制系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種鐘罩爐的氣氛控制系統，尤其涉及一種前饋式氣氛控制方法。
背景技術：
隨著電子產品的日益發展，對電子產品元器件的性能品質的要求也越來越高，軟磁鐵氧體材料就是其中的一種。該材料越來越傾向于高品質要求，小批量，生產周期短等要求。鐘罩爐較以往的推板爐則是以時間換空間，在較小的空間內完成一系列氣氛濃度和環境溫度的控制。這樣符合了現代鐵氧體材料小批量，高品質和周期短等的市場要求。一般鐘罩爐的生產能力都在4剁到8剁，氧含量控制范圍在20. 6%至O. 001%之間。·普通鐘罩爐的技術規格如下爐內尺寸1200*700*600mm爐內氣氛100%氮氣一 100%空氣最大空氣流量500L/min最大氮氣流量500L/min預熱器氣流量30m3/hr (400度)補充空氣流量100m3/hr保護氮氣流量I m3/hr max.爐內容積小則氧氣含量的控制范圍及氣氛的均勻性相對容易控制一些，但是當8剁以上時，爐膛內部氣氛的控制難度則大大增加，由于其它爐體的進出氣體管路相對單一，沒有高密度的進出氣管線的分布，當空氣流量控制器和氮氣流量控制器給出的混合氣體的濃度接近目標濃度時，只有進氣口的濃度達到目標值，這時爐膛內測點的濃度仍然未達到設定值，這時我們的控制器會自動加大進氣的濃度以便爐內濃度能迅速達到目標值。經過一段時間的繼續進氣及擴散后，爐內氧氣濃度測點剛剛檢測到濃度符合要求，這時爐內進口的氣體濃度已經高于設定值，這樣爐內的氣氛總是處于或高或低的狀態，既不穩定也不夠均勻，總處理波動的狀態，這樣的氣氛對爐內燒制產品有個致命的影響。一般的氣氛PID控制是將氧含量分析儀分析出的氧氣含量作為控制PID的測量反饋即反饋式PID控制，這樣使得PID的滯后更大，更難平穩的控制氣氛。大容量鐘罩爐的技術規格如下爐內尺寸3500*1415*1100mm爐內氣氛100%氮氣一 100%空氣最大空氣流量1800L/min. (108m3/hr)最大氮氣流量1800L/min. (108m3/hr)預熱器氣流量210m3/hr(400度)補充空氣流量210m3/hr[0021]保護氮氣流量2 m3/hr max.
發明內容本實用新型針對傳統氣氛控制的缺點，提出了新的解決方案，由于單一的管路過分擾動了爐內氣氛場，影響氣氛的控制穩定性，將原來單一的管路改為18分支管路分別從爐膛的兩邊進入爐膛內部，這樣進入爐膛的氣體通過爐膛的18個入口本身就有了均勻爐內氣氛的效果。加上爐內的氣體循環裝置，進一步將爐內的氣氛更快更好的進行均勻化處理保證爐內的氣氛場均勻且穩定。本實用新型具體通過以下技術方案來實現的一種鐘罩爐用前饋式氣氛控制系統，所述的鐘罩式電阻爐包括氮氣閥、大空氣閥、小空氣閥、氮氣流量計、大空氣流量計、小空氣流量計、氣包和爐膛，所述的氮氣閥安裝在氮氣源與氮氣流量計之間的管道上，所述的大空氣閥安裝在空氣源與大空氣流量計之間的管道上，所述的小空氣閥安裝在空氣源與小空氣流量計之間的管道上，所述的氮氣流量計、大空氣流量計和小空氣流量計的輸出端與 氣包的輸入端連接，氣包的輸出端與爐膛的氣路主管道相連，所述的氣氛控制系統包括主控制器、氧含量分析儀和氧含量傳感器，所述的氧含量傳感器安裝在所述的爐膛壁上，氧含量傳感器的信號輸出端與氧含量分析儀的信號輸入端相連，氧含量分析儀的信號輸出端與主控制器的對應信號輸入端相連，主控制器的其他信號輸入端分別與安裝在氮氣源和空氣源的進氣管道上的氮氣流量計、大空氣流量計和小空氣流量計的信號輸出端相連，主控制器的各個信號輸出端分別與氮氣閥、大空氣閥和小空氣閥的信號輸入端相連。所述的主控制器包括當前濃度計算單元和分流量PID控制單元，所述的當前濃度計算單元的信號輸入端分別與氮氣流量計、大空氣流量計和小空氣流量計的信號輸出端相連，當前濃度計算單元主要是通過三個流量計檢測的流量計算出氣包內當前的氣氛濃度，所述的分流量PID控制單元的輸入端與氧含量分析儀的輸出端相連，分流量PID控制單元的輸出端分別與氮氣閥、大空氣閥和小空氣閥的信號輸入端相連。所述的主控制器采用的是可編程邏輯控制器。分流量PID控制單元首先根據氧濃度設定值計算出三個氣體管道分別需要的氣體流量，然后根據這三個流量值進行PID調節控制主要PID是一種回路控制數學模型，其含義P—比例控制，I一積分控制，D—微分控制。所述的主控制器采用的是可編程邏輯控制器。本實用新型的有益效果是本實用新型克服了傳統單點進氣對爐內氣氛均勻性造成擾動，改為多點進氣，這樣就相當于把原本爐膛較大的空間分割為若干個小的空間，減少了進氣對爐內氣氛的過大的影響大大提高了類內氣氛的均勻性，克服了氣體進入爐內經過一定的擴散時間才能到達氧傳感器，才能被控制系統檢測到這樣或許由于之間的PID控制，輸出的氣體濃度已經遠遠高于系統要求的氣體濃度。使用了前饋式控制方式，根據系統要求的濃度計算出各進氣的流量值，這樣在氣包內的氣體濃度就是系統需要的，所以這樣的氣氛打入爐膛內正好滿足了系統的氣氛要求，具體控制曲線如圖所示(圖2是傳統控制的PID效果，圖3是采用前饋式控制的PID效果)。
圖I為本實用新型的鐘罩爐用前饋式氣氛控制系統的結構圖。圖2為本實用新型的鐘罩爐用前饋式氣氛控制系統的控制原理框圖。圖3是傳統控制的PID效果圖。圖4是采用本實用新型的PID效果圖。圖中1_氮氣閥、2-大空氣閥、3-小空氣閥、4-氮氣流量計、5-大空氣流量計、6-小空氣流量計、7-氣包、8-爐膛進氣管、9-爐膛排氣管、10-氧含量分析儀、11-檢測氣體排出口、12-鐘罩爐膛、13-氧含量傳感器。
具體實施方式
如圖1、2所示，一種鐘罩爐用前饋式氣氛控制系統，其特征在于所述的鐘罩式電阻爐包括氮氣閥I、大空氣閥2、小空氣閥3、氮氣流量計4、大空氣流量計5、小空氣流量計
6、氣包7和爐膛12，所述的氮氣閥I安裝在氮氣源與氮氣流量計4之間的管道上，所述的大空氣閥2安裝在空氣源與大空氣流量計5之間的管道上，所述的小空氣閥3安裝在空氣源與小空氣流量計6之間的管道上，所述的氮氣流量計4、大空氣流量計5和小空氣流量計6的輸出端與氣包7的輸入端連接，氣包7的輸出端與爐膛12的氣路主管道相連，所述的氣氛控制系統包括主控制器、氧含量分析儀10和氧含量傳感器13，所述的氧含量傳感器13安裝在所述的爐膛12壁上，氧含量傳感器13的信號輸出端與氧含量分析儀10的信號輸入端相連，氧含量分析儀10的信號輸出端與主控制器的對應信號輸入端相連，主控制器的其他信號輸入端分別與安裝在氮氣源和空氣源的進氣管道上的氮氣流量計4、大空氣流量計5和小空氣流量計6的信號輸出端相連，主控制器的各個信號輸出端分別與氮氣閥I、大空氣閥2和小空氣閥3的信號輸入端相連。所述的主控制器包括當前濃度計算單元和分流量PID控制單元，所述的當前濃度計算單元的信號輸入端分別與氮氣流量計4、大空氣流量計5和小空氣流量計6的信號輸出端相連，所述的分流量PID控制單元的輸入端與氧含量分析儀10的輸出端相連，分流量PID控制單元的輸出端分別與氮氣閥I、大空氣閥2和小空氣閥3的信號輸入端相連。所述的當前濃度計算單元主要是通過三個流量計檢測的流量計算出氣包內當前的氣氛濃度。這個濃度其實與計算機給主控制器的氧濃度設定值是一致的。氧濃度傳感器13檢測的爐內氧含量會在較短的時間內達到氣包內濃度值。這里的PID調節是前饋式的而不是傳統的反饋式控制，也就是說系統在得知所需的氧濃度設定時，通過計算得出三個氣體管道分別需要的氣體流量，計算的公式如下氧氣進氣量為P02*M/ (20.6%)則氮氣進氣流量為M_(P02*M/ (20.6%))其中，M-總流量；P02-為設定的氧氣含量值；這里可以看到計算結果只是氧氣即空氣的流量設定和氮氣流量設定。而系統的實際進氣管道有一個氮氣進氣管道和兩個空氣進氣管道。其實，我們為了提高氣體流量計的檢測精度，特意把對氣氛影響較大的空氣管路按照量程劃分為2個流量計這樣做的原因在于一般儀表都有一個特性就是在其量程的1/2至3/5時精度相對較高，其它位置的精度則會有所下降。從計量和控制上，控制精度也打了折扣，這樣使我們的爐膛氣氛濃度更難達到工藝要求，生產出來的產品品質當然不穩定，得不到保障。這三臺流量計的檢測量程分別是:氮氣流量計0_108m3/hr空氣流量計0_108m3/hr小空氣流量計0_5 m3/hr所以系統根據各自量程和流量要求，自動計算和分配流量計，克服儀表的誤差帶來的問題。如果按照傳統的做法，將等到氧濃度傳感器13檢測值反饋給主控制器再有主控器進行計算給出各調節閥的調節量，這樣就會太遲導致如圖3的調節效果的出現，顯然這
樣是不能滿足大容量的鐘罩爐的控制要求。這樣看來前饋式控制方式在這里尤為重要，主控制器根據計算機給出的氧濃度要求值，自動演算給各進氣閥的進氣設定值和進氣閥開度。這樣就免去了從氣體進入爐膛到氧含量傳感器檢測到這股進氣的時間等待。這里需要注意的是空氣閥按照量程分成了 2個分別是0-5m3/hr和5-108m3/hr，這樣主控制器會根據計算出的氧氣(空氣)流量值自動分配到適合的空氣管路上去，另一管路則自動進入關閉狀態。這樣不僅從控制上提高了精度，也從檢測上提高了精度。
權利要求1.一種鐘罩爐用前饋式氣氛控制系統，其特征在于所述的鐘罩爐包括氮氣閥(I)、大空氣閥(2)、小空氣閥(3)、氮氣流量計(4)、大空氣流量計(5)、小空氣流量計(6)、氣包(7)和爐膛(12)，所述的氮氣閥(I)安裝在氮氣源與氮氣流量計(4)之間的管道上，所述的大空氣閥(2)安裝在空氣源與大空氣流量計(5)之間的管道上，所述的小空氣閥(3)安裝在空氣源與小空氣流量計(6)之間的管道上，所述的氮氣流量計(4)、大空氣流量計(5)和小空氣流量計(6)的輸出端與氣包(7)的輸入端連接，氣包(7)的輸出端與爐膛(12)的氣路主管道相連，所述的氣氛控制系統包括主控制器、氧含量分析儀(10)和氧含量傳感器(13)，所述的氧含量傳感器(13)安裝在所述的爐膛(12)壁上，氧含量傳感器(13)的信號輸出端與氧含量分析儀(10)的信號輸入端相連，氧含量分析儀(10)的信號輸出端與主控制器的對應信號輸入端相連，主控制器的其他信號輸入端分別與安裝在氮氣源和空氣源的進氣管道上的氮氣流量計(4)、大空氣流量計(5)和小空氣流量計(6)的信號輸出端相連，主控制器的各個信號輸出端分別與氮氣閥(I)、大空氣閥(2)和小空氣閥(3)的信號輸入端相連。
2.根據權利要求I所述的鐘罩爐用前饋式氣氛控制系統，其特征在于所述的主控制器包括當前濃度計算單元和分流量PID控制單元，所述的當前濃度計算單元的信號輸入端分別與氮氣流量計(4)、大空氣流量計(5)和小空氣流量計(6)的信號輸出端相連，所述的分流量PID控制單元的輸入端與氧含量分析儀(10)的輸出端相連，分流量PID控制單元的輸出端分別與氮氣閥(I)、大空氣閥(2)和小空氣閥(3)的信號輸入端相連。
3.根據權利要求I所述的鐘罩爐用前饋式氣氛控制系統，其特征在于所述的主控制器采用的是可編程邏輯控制器。
專利摘要一種鐘罩式氣氛控制系統，包括主控制器、氮氣閥、大空氣閥、小空氣閥、氮氣流量計、大空氣流量計、小空氣流量計、氧含量傳感器、氧含量分析儀，所述的氧含量傳感器的信號輸出端與氧含量分析儀的信號輸入端相連，氧含量分析儀的信號輸出端與主控制器的對應信號輸入端相連，主控制器的其他信號輸入端分別與安裝在氮氣源和空氣源的進氣管道上的氮氣流量計、大空氣流量計和小空氣流量計的信號輸出端相連，主控制器的各個信號輸出端分別與氮氣閥、大空氣閥和小空氣閥的信號輸入端相連。本實用新型克服了傳統單點進氣對爐內氣氛均勻性造成擾動，改為多點進氣減少了進氣對爐內氣氛的過大的影響大大提高了類內氣氛的均勻性。
文檔編號F27B19/00GK202734516SQ20122040628
公開日2013年2月13日 申請日期2012年8月16日 優先權日2012年8月16日
發明者李會強 申請人:南京科達新控儀表有限公司