采煤機鏈輪、刮板機鏈輪和超大型齒輪等產品都要進行最后的淬火工藝。目前，國際上僅有德國“貝丁豪斯”公司壟斷著火焰表面加熱自動淬火技術；而國內主要采用“窖爐式加熱工藝”或手工進行產品的最后淬火處理。此類淬火方式能源消耗高、速度慢、工人勞動強度大、淬火硬度不均勻、對用戶造成極大的經濟損失、對國家造成極大的能源與勞動力的浪費。

本文主要敘述了基于PLC、HMI的火焰淬火機床的自動化控制和可視觸摸操作，對于節省成本，提高淬火效率和質量具有非常關鍵的作用。在控制系統中，PLC是控制系統的核心，具有邏輯控制的功能，并與計算機數字控制機床（CNC）配合，完成時序控制。HMI是連接人和機器的人機界面，結合PLC使用，通過相應的組態軟件設計，可對工件火焰淬火參數進行現場實時填表式設置，還能對淬火裝備實現智能化可視操作及實時、歷史信息監控，從而實現系統操作控制的自動化、報警和故障診斷等功能。

火焰淬火機床設計

火焰淬火機床主要由機體、旋轉平臺、電器自動控制、淬火液冷卻循環系統、火焰槍冷卻循環系統、火焰槍手動調整、火焰槍氣動快速調整、液壓動力控制、自動點火熄火控制、空氣動力控制、氧氣可燃氣

分配系統等十多種系統部分組成。圖1是火焰淬火機床本體圖，其上半部分又兼淬火液槽，整個火焰淬火機床系統圖還包括電氣控制柜、水循環和燃氣供氣系統等，此處就不一一在本文內容上敘述了。

機床液壓系統采用容積式與疊加閥組成開環系統。液壓系統除給機械系統提供動力以外，在升降平臺的下降過程中還有緩沖的功能。利用軟化水對加工工件進行水冷，冷卻液在工作過程是絕對不能停止的，否則在一秒之內火焰槍就會燒穿，其他發熱元件在缺水時，壽命也受影響。

為此，利用水位計檢測補水，其次在冷卻液的上水管中設計水壓傳感器，當水壓低于設定值時設備停機。淬火液的溫度變化對淬火質量也有很大的影響。系統設計為：當淬火液溫度低于設定值時，外循環冷卻系統關閉；反之，外循環冷卻系統打開，溫度信號由傳感器傳送到控制系統并在觸摸屏上顯示。

圖1 火焰淬火機床本體圖

電氣控制系統

電氣控制系統的主要要求是：除了能滿足全自動化的功能外，還要具有設備監控、在線參數設置、記錄、報警、故障診斷等功能，為了滿足國內的生產要求，應具有以下功能。

• （1）工作臺（工件）移動定位準確；旋轉穩定、速度可調。
• （2）設備具有監控功能，零件加工過程能夠實時動態顯示，界面易操作。
• （3）保護措施完善，故障報警及時、準確能夠及時準確處理電源中途掉電等故障。
• （4） 時序易于調整，參數在線修改方便，機床分手動和自動兩種工作方式。
• （5）對強磁場和強電場采取防范措施，避免對控制系統系統干擾，部分元件要考慮潮濕環境的影響。
• （6）當工件淬火結束一個循環，機床應該處于初始的狀態。

1 硬件設計

電氣控制系統采用PLC、HMI和CNC聯合控制方式。PLC負責設備的邏輯控制，并與CNC配合，完成時序控制；HMI負責設備狀態控制監控、工作過程的動態顯示，以及零件加工參數的輸入、采集和記錄等；CNC負責工作臺得位置控制機主軸的旋轉、定位和升降，同時負責整臺機床的工作時序。

CNC系統選用德國西門子公司的802D，,內置S7-200型PLC,人機界面觸摸屏選用國產昆侖通態公司的MCGS嵌入式觸摸屏（TPC1062K），圖2為電氣控制系統圖。

2 軟件系統設計

根據火焰淬火自動控制的要求，選用性價比較高的HMI(觸摸屏)、PLC及相應組態軟件。通過調用組態元器件、啟用配方及運用宏指令功能，設計火焰淬火通用性、自動化的HMI界面。結合PLC軟件程序設計，完成火焰淬火的自動控制。

（1）PLC軟件設計

火焰淬火機床的控制室順序控制，它的工作循環從載荷開始一步步有條不紊按工序的進行，每個工序步執行一些指令使電磁閥動作，用行程開關或壓力開關來判斷每一工序步是否已經完成。控制中內部的多組復制繼電器可記憶系統的這些工作狀態。根據控制要求可繪制工件的加工工藝流程圖，根據流程圖就可進行梯形圖編程。

當梯形圖程序編寫好后，通過個人計算機用三菱編程軟件Gx-Developer進行程序寫入，并用仿真軟件Gx—Simulator對寫入的程序在個人電腦中進行模擬，這樣可以對梯形圖程序進行監控和調試，當編寫的程序不能滿足條件時，可返回Gx—Developer對程序進行調整，直至梯形圖程序能達到控制要求為止。

（2）PLC控制程序設計

控制系統采用兩套獨立的控制：手動控制系統和觸摸屏控制系統，兩套控制系統都可獨立完成對工件的淬火全部過程，這樣提高了整個控制系統的可靠性特別是MCGS嵌入式觸摸屏監控系統，它可以對整個淬火過程通過圖畫模擬動態顯示直觀地顯示，可以對淬火全過程進行監控報警處理。

在淬火過程中MCGS自動記錄一些淬火參數如淬火加熱溫度、加熱時間、淬火時間等可幫助用戶對產品進行技術分析，另外實時溫度曲線可方便地讓用戶直觀了解淬火工件表面的變化情況，可更好的保證產品的淬火質量。圖3為淬火程序流程圖。

（3）觸摸屏系統設計

本系統采用的是國產昆侖通態公司的MCGS嵌入式觸摸屏（TPC1062K），觸摸屏使用SIMATIC PROTOOL Pro v6.0+SP2組態軟件編輯，通過PROTOOL提供的多種控制器件庫、圖形控件、可以組態出各種動態功能和控制功能，以及實現故障的可示化，并且能夠讀取PLC內部數據，顯示現場狀態數據。

根據火焰淬火機床原有的電控系統和操作要求，并考慮MCGS嵌入存儲容量和屏幕尺寸，在觸摸屏系統中設計了如下6個畫面：

• 手動運行畫面，用于手動運行監視；
• 工件型號設置畫面，用于淬火工件管理；
• 自動運行畫面，用于淬火工件選擇，自動淬火過程監視；
• 淬火參數設置畫面，用于淬火程序編制，需要輸入的參數包括：工件淬火過程中的速度、加熱時間等；
• 系統參數設置畫面，用于設定手動速度、回零速度、最大速度等；
• 實時信息、歷史數據再現以及狀態監視畫面，包括PLC、伺服驅動器運行狀態監視，及設備運行狀態監視（停止、正常運行、上升、下降、加熱等）。

而運行監視包括手動運行監視和自動淬火過程監視。手動運行監視主要用于初次工件安裝、工藝調試等，自動運行監視則主要用于正常淬火過程顯示：包括工件當前運行位置和速度、工件旋轉速度、工件的溫度、工件冷卻延時以及機床當前運行方式和狀態。

通過人機界面觸摸屏可以很清晰的顯示整個淬火過程，如圖4所示為主控界面圖，可以很方便的在主控界面上進行淬火過程的各項操作，通過點擊主控界面上最下方的突起小方塊，如“用戶管理、歷史記 錄、參數設置和實時曲線等”，可以進入到相應的模塊，從而進行相應的操作。

圖5為鏈輪工件淬火過程參數設置的界面圖，在界面上設置相應的氧氣、可燃氣、淬火時間、淬火溫度等參數，便可進行工件鏈輪的淬火了。圖6為鏈輪工件淬火后的歷史數據圖，這為調用淬火數據查看提供了很大的方便，也便于工作人員通過淬火數據記錄對工件淬火的參數進行必要的休整和改進。

圖7為鏈輪工件的淬火溫度實時曲線圖，通過溫度曲線圖可以形象的顯示工件淬火的質量，也為對工件更好的淬火時進行淬火參數設置提供了依據。

圖2 電氣控制系統硬件框圖

圖3 淬火系統流程圖

圖4 火焰淬火主控界面圖

圖5 鏈輪工件淬火參數設置圖

圖6 鏈輪工件淬火歷史數據記錄表圖

圖7 鏈輪工件淬火溫度實時曲線圖

總結

利用PLC和HMI技術實現火焰淬火自動控制，集控制、操作、顯示、報警為一體，實現各種工件火焰淬火的自動化和通用性，大大提高了火焰淬火效率和質量。通過對采煤機的鏈輪進行火焰淬火工藝的應用驗證，解決了溫度不均勻、淬火硬度不合格、效率低下等難題。

在實際生產過程當中，此控制系統具備將每個工藝流程參數與已檢驗合格的標準樣件做比對，超差就報警。同時對設備狀況實時報警監控，避免超差產品的流出，以及氧氣、可燃氣壓力的超出引起的爆炸等。基于PCL、HMI的火焰淬火機床尤其適合于在大批量工件火焰淬火處理生產中的推廣應用。

（編自《電氣技術》，原文標題為“基于PLC、HMI的火焰淬火機床系統的設計”，作者為唐焱、卜慶華 等。）