CN112122520A

CN112122520A - 一种多工序锻造材料温度反馈***

Info

Publication number: CN112122520A
Application number: CN202010919624.9A
Authority: CN
Inventors: 杨宇; 李顺江; 彭维
Original assignee: Sichuan Beehive Intelligent Cloud Technology Co ltd
Current assignee: Guangzhou Honeycomb Internet Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2020-09-04
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2020-12-25
Anticipated expiration: 2040-09-04
Also published as: CN112122520B

Abstract

本发明涉及一种多工序锻造材料温度反馈***，包括温度数据采集模块、各工序温度差值对比模块、PID反馈模块、计算处理模块、输出展示模块、参数分类缓存模块；温度数据采集模块、对比模块、PID反馈模块、计算处理模块、输出展示模块依次连接；温度数据采集模块、各工序温度差值对比模块、计算处理模块与参数分类缓存模块连接；输出展示模块外接精益生产电子看板显示装置，参数分类缓存模块外接精益生产电子看板输入装置。本发明在不改造原有加热设备的前提下，避免了始锻温度不合适而导致的后续锻造工序中锻件温度过低的情况，对柔性生产状态下因锻造工序变化快，而引发的始锻温度控温难，导致锻造工序废品和不达标品多的问题，起到了辅助改善作用。

Description

一种多工序锻造材料温度反馈***

技术领域

本发明属于制造业技术领域，尤其涉及一种多工序锻造材料温度反馈***。

背景技术

精益生产电子看板是面向制造企业实现精益生产现场管理的一款工业互联网应用产品。其旨在通过精益生产电子看板的产线看板、车间看板、个人终端等信息化数据收集和展现手段，帮助企业实现生产过程的数字化、透明化，为制造企业降低生产降本、提高生产效率、提升产品质量提供数据支持。在使用电子看板***采集过程数据时需要进行实时采集、处理、分析、存储、及应用。随着工业场景下的万物互联技术逐渐成熟，能通过工业互联网获取的工业数据种类逐渐丰富，数据时效性也得到保障，因此可以通过精益生产电子看板***对工业制造中一些依赖实时数据的场景进行反馈干预，实现***功能优化。

对于工业制造中的多锻造工序作业来说，锻件一般会经过一系列锻造工序(锻坯加热、辊锻备坯、模锻成形、切边、冲孔、矫正、中间检验、锻件热处理等)，不同的材料和产品设计导致不同工序所消耗的时间是不同的。同时因为环境温度的不同，时间变化相同的不同材料的锻件温度变化值也是不一样的。而锻件锻造是一种对材料温度要求较高的工艺，不同的材料都需要不同的温度来控制，在每一个工序阶段都有固定的温度区间才能达到最佳的锻造效果。这导致每个工序所需的温度不同，不同的材料在每个阶段也需要用到不同的温度。这就需要在整个锻造工序的全流程中控制好始锻温度和终锻温度。

始锻温度，是锻造行业对锻件开始锻造时的初始温度，即锻造时允许加热的最高温度。始锻温度的高低与所锻造材质的临界温度有关，一般锻件在达到始锻温度时要有一定的始锻温度保温时间，为的是使金属温度均匀和给予组织转变充分时间，借以提高塑性，降低高温变形抗力，它对提高生产效率，提高锻件内部质量具有重要作用。

终锻温度即应停止锻造的温度。终锻温度的高低与所锻造的材料有关，不同的材料其终锻温度是不一样的。另外终锻温度跟锻造工艺也有关，不同的锻造工艺和锻造要求对终锻温度的要求也不一样。在终锻温度以下锻造时，容易产生冷作硬化，使坯料表面的硬度增大，如果继续锻造会引起裂纹甚至断裂。一些复杂的锻造工艺如果锻造温度过低，不但影响锻件质量，还会增加锻造生产的不安全性。

因此在引入精益生产电子看板***的智能制造改造中，需要将当前环境温度和不同材料在后续的不同工序下的温度变化情况数据反馈到前序的锻坯加热环节，精益生产电子看板***并能根据材料在不同工序的可锻温度范围给出当前推荐加热温度，供加热炉控制人员参考。目前市面上类似功能多通过软件设计在高端品牌的锻造加热炉上实现，对于柔性生产下的锻造工序变化支撑不佳，产线变更时需要在锻炉设备厂家技术人员指导下重新编程，且成本昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种多工序锻造材料温度反馈***，针对工业生产中使用无反馈机制的普通锻造产线设备且需要引进多工序材料温度反馈的应用场景，能够灵活适应多种锻造工序变化，对不同材料在不同阶段的温度进行监控，能够通过经典PID反馈模块得到初始应加热温度，且无需进行现有设备改造，实现熟练工人经验软件化的锻造温度反馈。

本发明提供了一种多工序锻造材料温度反馈***，包括温度数据采集模块、各工序温度差值对比模块、PID反馈模块、计算处理模块、输出展示模块、参数分类缓存模块；所述温度数据采集模块、各工序温度差值对比模块、PID反馈模块、计算处理模块、输出展示模块依次连接；所述温度数据采集模块、各工序温度差值对比模块、计算处理模块与所述参数分类缓存模块连接；所述输出展示模块外接精益生产电子看板显示装置，所述参数分类缓存模块外接精益生产电子看板输入装置；

所述温度数据采集模块用于采集当前锻造车间的环境温度及各工序锻件温度实测值，并将从所述参数分类缓存模块获取的锻造工序数、各工序作业所需时间数据与各工序锻件温度实测值进行匹配；

所述各工序温度差值对比模块用于从所述参数分类缓存模块获取当前锻造材料类型、各工序锻造温度期望值，从所述温度数据采集模块获取所述环境温度及各工序锻件温度实测值，结合环境温度、各工序作业所需时间、当前锻造材料类型最高可加热温度，针对各工序分别将实际值与期望值进行对比，得到各工序温度校正值，并将所述校正值作为反馈值与所述期望值一起发送至所述PID反馈模块；

所述PID反馈模块用于对每一个工序，分别将校正值和期望值进行PID反馈校正，得到各工序所需要的锻造初始温度；

所述计算处理模块用于将各工序所需的锻造初始温度，与该材料的可锻造温度、加热炉的加热温度范围进行计算，在满足各项边界条件的情况下，输出当前推荐加热温度；若此边界条件下无解，则输出告警信息及无法满足锻造需要的锻造工序编号；

所述输出展示模块用于将计算处理模块输出的推荐加热温度或告警信息及无法满足锻造需要的锻造工序编号进行展示，并传输至精益生产电子看板显示装置，供锻造加热炉操作人员以及车间管理者参考。

进一步地，所述温度数据采集模块通过环境温度传感器及各工序锻件温度传感器获取所述环境温度及各工序锻件温度实测值。

进一步地，所述各工序锻件温度传感器采用高温热电偶。

进一步地，所述PID反馈模块包括：

比例模块，用于通过比例变换纠正偏差；

微分模块，用于改善***的动态性能；

积分模块，用于消除静差，改善***静态特性。

进一步地，所述精益生产电子看板输入装置用于向所述参数分类缓存模块输入数据。

借由上述方案，通过多工序锻造材料温度反馈***，可以监控多工序锻造中的每个工序中锻造材料的锻造温度并反馈到初始的锻造材料加热工序，通过PID反馈算法消除反馈值波动和提速反馈过程。通过对锻造材料的可加热温度、环境温度、锻造加热炉可调节温度范围、工序操作时间带来的温度变化值以及当前锻造工艺下各工序所需锻件初始温度的最优化求解，得到推荐锻坯加热工序应加热温度，显示在工位对应的电子看板中，供加热炉操作员参考。如果计算得到锻坯加热工序无法正常满足后续工序对锻件材料的锻造温度要求，则输出告警信息并指明不能满足必要条件的锻造工序编号。从而将原来存在与熟练操作工人经验中的多工序锻造初始加热温度调控方案固化到工业软件程序中。在不改造原有加热设备的前提下，避免了始锻温度不合适而导致的后续锻造工序中锻件温度过低的情况。这对柔性生产状态下因锻造工序变化快，而引发的始锻温度控温难，导致锻造工序废品和不达标品多的现状，起到了辅助改善作用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

附图说明

图1是本发明多工序锻造材料温度反馈***的结构示意图；

图2是本发明各工序锻件温度采样示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参图1所示，本实施例提供了一种多工序锻造材料温度反馈***，包括温度数据采集模块、各工序温度差值对比模块、PID反馈模块、计算处理模块、输出展示模块、参数分类缓存模块；所述温度数据采集模块、各工序温度差值对比模块、PID反馈模块、计算处理模块、输出展示模块依次连接；所述温度数据采集模块、各工序温度差值对比模块、计算处理模块与所述参数分类缓存模块连接；所述输出展示模块外接精益生产电子看板显示装置，所述参数分类缓存模块外接精益生产电子看板输入装置；

通过多工序锻造材料温度反馈***，可以监控多工序锻造中的每个工序中锻造材料的锻造温度并反馈到初始的锻造材料加热工序，通过PID反馈算法消除反馈值波动和提速反馈过程。通过对锻造材料的可加热温度、环境温度、锻造加热炉可调节温度范围、工序操作时间带来的温度变化值以及当前锻造工艺下各工序所需锻件初始温度的最优化求解，得到推荐锻坯加热工序应加热温度，显示在工位对应的电子看板中，供加热炉操作员参考。如果计算得到锻坯加热工序无法正常满足后续工序对锻件材料的锻造温度要求，则输出告警信息并指明不能满足必要条件的锻造工序编号。从而将原来存在与熟练操作工人经验中的多工序锻造初始加热温度调控方案固化到工业软件程序中。在不改造原有加热设备的前提下，避免了始锻温度不合适而导致的后续锻造工序中锻件温度过低的情况。这对柔性生产状态下因锻造工序变化快，而引发的始锻温度控温难，导致锻造工序废品和不达标品多的现状，起到了辅助改善作用。

下面对本发明作进一步详细说明。

参图1及图2所示，该多工序锻造的材料温度反馈方法在精益生产电子看板***的数据框架下，通过测量环境温度和测量各工序锻造材料温度与标准加工所需的温度之间的差值作为反馈量，与当前锻炉加热温度、各工序作业时间等输入参数一起通过经典PID反馈模块对***参数修正，计算得到当前环境和工序设计下对应的首道加热工序推荐加热温度值或当前锻造工艺安排下达不到锻造温度要求的工序信息，展现在锻造产线电子看板和加热工序对应的锻炉工位的电子看板***中，供产线管理人员和锻炉操作人员参考。

本实施例通过高温热电偶传感器采集各锻造工序的锻件材料温度，将各工序锻件温度与内置的该材料期望锻造温度进行对比，得到实际值与期望值的差值。然后通过PID反馈模块对差值进行比例、微分、积分处理(比例调节起纠正偏差的作用，其反应迅速；积分调节能消除静差，改善***静态特性；微分调节有利于减少超调，加快***的过渡过程)，并结合环境温度、每道工序执行时间、材料最高可加热温度，综合得到在当前工序设计情况下为保证每一个锻造环节的锻造需要，初始加热环节应加热锻件的温度。本装置主要包括以下功能模块：

温度数据采集模块：连接多个高温热电偶(测量范围0-1600℃)得到各工序锻件温度k₁，k₂…k_n。将从参数分类缓存模块得到锻造工序数、各工序作业所需时间与各工序锻件温度进行匹配，并封装到对应数据结构体中。连接环境温度传感器，获得当前锻造车间的环境温度k₀，记录并封装进数据结构体。

各工序温度差值对比模块：从参数分类缓存模块得到当前锻造材料类型、各工序锻造期望温度值，从温度数据采集模块得到的实际测量值。考虑环境温度和工序作业时间的影响，针对各工序分别将实际测量值与期望值进行对比，得到各工序温度校正值(作为***反馈值)。将校正值和期望值一起传送到PID反馈模块。

PID反馈模块：对每一个工序，分别将校正值和期望值进行PID反馈校正：通过比例变换，能够加快调节速度；积分变换的作用是减小误差，从而消除静差；微分变换的作用是改善***的动态性能，进而得到各工序所需要的锻造初始温度。

计算处理模块：将各工序所需的锻造初始温度，与该材料的可锻造温度、加热炉的加热温度范围进行计算。在满足各项边界条件的情况下，输出当前推荐加热温度。如果此边界条件下无解，则输出告警信息，提示当前第几工序锻件温度无法满足锻造需要，应进行锻造工序调整。

输出展示模块：将计算处理模块输出的推荐加热温度或告警信息展示，并传输到精益生产电子看板***，供锻造加热炉操作人员以及车间管理者参考。

参数分类缓存模块：连接外接输入装置(精益生产电子看板***PAD端或手机端)输入数据，参数分类缓存模块保存设置并储存各类参数。包括：当前材料类别编号6位数字(001001到001999代表钢类、002001-002999代表铝类别、003001-003999代表合金类别)，当前锻造工序数n，每一道工序所需时间t₁，t₂…t_n。其中材料类别编号的定义、每类材料可加热的最高/最低温度、加热炉可调节加热范围温度等，作为数据字典中的生产过程数据ProductProcessData数据类型维护在精益生产电子看板***中。精益生产电子看板***数据字典中管理5级基础数据标识结构(企业标识EnterpriseTag；工厂标识FactoryTag；车间标识WorkshopTag；产线标识ProductionlineTag；工位标识StationTag)，和管理工业网关状态数据(运行状态参数、工作模式参数、串口参数、网络参数等)。以及维护各类型数据的唯一标识MesTag，MesTag命名规则为三位标识字符+六位十进制数字。从PPD000001开始表示生产过程数据ProductProcessData(材料类型编码、加工工艺编码、工序参数等)。材料类别所使用的6位数字在数字字典中存放在生产过程数据以“PPD”开始的后6位数字中，例如PPD001001代表钢类材料的第一种材料类别，PPD002002代表铝类材料的第二种材料类别，以此类推。

在一具体实施例中，该方法通过嵌入式***实现，对接精益生产电子看板***的输入输出装置。在原有锻造生产线的每一道工序的对应工位设备上安装高温热电偶，作为温度传感器与本装置相连，得到各工序锻件温度k₁，k₂…k_n；该装置也连接车间温度传感器，测量得到锻造车间环境温度k。

通过外接输入装置(精益生产电子看板***PAD或手机端)，由操作员工人为设置各类参数的数据标识MesTag，存放在以“PPD”开头的生产过程数据。包括：当前锻造工序数n对应数据标识MesTag为PPD000001，当前材料类别编号(PPD001001到PPD001999代表钢类、PPD002001到PPD002999代表铝类别、PPD003001到PPD003999代表合金类别，值为0代表未使用，值为1代表使用)，每一道工序所需时间t₁，t₂…t_n对应数据标识PPD006001到PPD00600n。当前锻造材料的可锻造温度对应下限PPD004001到PPD004999，上限PPD005001到PPD005999，对应加热炉的加热温度范围对应温度下限MesTag为PPD000003，温度下限MesTag为PPD000004，当前锻炉加热温度MesTag为PPD000007；

材料温度反馈装置将考虑传感器获取的环境温度(数据标识MesTag为PPD000002)和工序作业时间(数据标识MesTag为PPD006001到PPD00600n)的影响，针对各工序分别将实际测量值(数据标识MesTag为PPD007001到PPD00700n)与期望值(数据标识MesTag为PPD008001到PPD00800n)进行对比，得到各工序温度校正值(作为***反馈值)，并通过PID反馈模块，得到各工序所需锻件材料加热温度(数据标识MesTag为PPD009001到PPD00900n)。然后根据当前锻造材料的可锻造温度下限(数据标识MesTag为PPD004001到PPD004999)和温度上限(数据标识MesTag为PPD005001到PPD005999)、加热炉的加热温度范围(数据标识MesTag为下限PPD000003，上限PPD000004)进行计算。在满足各项边界条件的情况下，输出当前条件下的推荐加热温度(数据标识MesTag为PPD000005)，在锻造加热工序对应工位的精益生产电子看板输出大屏上显示。如果此边界条件下无解，则向外接输出装置和精益生产电子看板***输出告警信息(数据标识MesTag为PPD000006)，提示当前第几工序锻件温度无法满足锻造需要，应进行锻造工序调整。

例如某实施案例中，某企业A使用已授权企业账号登录运行在工业互联网平台上的精益生产电子看板******，其基础数据在精益生产电子看板***的数据字典中定义，基础数据命名规则为四位标识字符+六位十进制数字，初始值为0，值取则1代表对应实体存在。

企业标识EnterpriseTag对应的数据ETag000001＝1；(本实例中该公司集团下属1家企业)

工厂标识FactoryTag对应的数据FTag000001＝1；(本实例中企业拥有1家工厂)

车间标识WorkshopTag对应的数据WTag000001～WTag000003的值为1；(本实例中FTag000001的工厂拥3家车间，选其中WTag000002锻造车间进行后续分析)；

WTag000002的锻造车间下属的产线标识ProductionlineTag对应的数据PTag000001～PTag000005的值为1(本实例中WTag000002锻造车间拥5条产线，选1号产线PTag000001进行后续分析)；

1号产线PTag000001下属工位标识StationTag对应的数据STag000001～Stag000020的值为1(本实例中1号产线PTag000001拥有20个工位)；

本实例中确定上诉5层基础数据结构后，可对1号锻造产线及下属的20个工位上通过传感器采集和人工设定各数据类型标识MesTag对应的值，用户可在数据字典中按命名扩展自行扩展数据类型：

1)对于1号锻造产线PTag000001，工人使用精益生产电子看板输入终端设定如下产线参数：

MesTag为PPD000001的值＝n，代表当前锻造工序数，此实例中n＝20；

MesTag为PPD006001到PPD00600n的数据值，每一道工序所需时间t₁，t₂…t_n；

MesTag为PPD001001的值＝1，代表当前锻造材料为1号钢材；

MesTag为PPD004001的值＝K，代表当前锻造材料1号钢材的可锻造温度下限为K；

MesTag为PPD005001的值＝K'，代表当前锻造材料1号钢材的可锻造温度下限为K'

MesTag为PPD000003的值＝Ks，代表加热炉的加热温度范围的温度下限；

MesTag为PPD000003的值＝Ks'，代表加热炉的加热温度范围的温度上限；

MesTag为PPD008001到PPD00800n的值＝K1'到Kn'，代表各工序加工温度期望值；

MesTag为PPD000007的值＝Kb，代表进行工序调整试运行时，当前锻炉加热温度。

2)通过车间环境温度传感器获得环境温度K₀，***保存在数据标识MesTag为PPD000002的值中；

3)在工序调整试运行中，通过各工序温度传感器获得各工序温度实际测量值K1到Kn，***保存在数据标识MesTag对应PPD007001到PPD00700n的值中。

实现本发明的嵌入式***中，各工序温度差值对比模块将计算各工序温度校正值S＝工序温度实际测量值-各工序加工温度期望值，即S1＝K1-K1'，到Sn＝Kn-Kn'；将各工序温度校正值、车间环境温度K0、锻炉到该工序经历时间(由各工序生产时间t1到tn按工序累加求和获得)，以及当前锻炉加热温度Kb作为入参送入PID经典反馈***模块，求解各工序温度校正值S1到Sn按工序顺序优先级(工序靠前者优先级高)最接近为0的***参数，以此PID***参数作为反馈***状态参数计算，经车间环境温度K0、锻炉到该工序经历时间对各工序温度校正值S1到Sn的修正后，得到的各工序所需锻件材料加热温度KA1到KAn，存放在数据标识MesTag为PPD009001到PPD00900n的值中

本发明的嵌入式***的计算处理模块，对各工序所需锻件材料加热温度KA1到KAn与MesTag为PPD000003加热炉的加热温度范围的温度下限Ks，MesTag为PPD000003的加热炉的加热温度范围的温度上限Ks'，按工序从前到后进行比对，确保各工序的期望加热温度处于锻炉可加热范围内，即Ks<＝KA<＝Ks'。

若全部工序满足上述要求，则对KA1到KAn取均值，作为推荐锻炉加热温度输出到精益生产看板锻炉控制工位和锻造产线的电子看板显示终端上(电视大屏、PAD、手机端)，并提示“可满足当前工序锻造温度要求”。

若某几个工序不满足上述要求，则向精益生产看板锻炉控制工位和锻造产线的电子看板显示终端输出告警提示“锻炉温度控制无法满足当前锻造工序要求”，并按工序由前到后的顺序依次输出不满足要求的工序参数数据(包括工序编号、该工序所需材料锻造温度、材料进入该工序时累计所需加工时间、该工序期望锻炉加热温度，以及锻炉可调温度范围)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种多工序锻造材料温度反馈***，其特征在于，包括温度数据采集模块、各工序温度差值对比模块、PID反馈模块、计算处理模块、输出展示模块、参数分类缓存模块；所述温度数据采集模块、各工序温度差值对比模块、PID反馈模块、计算处理模块、输出展示模块依次连接；所述温度数据采集模块、各工序温度差值对比模块、计算处理模块与所述参数分类缓存模块连接；所述输出展示模块外接精益生产电子看板显示装置，所述参数分类缓存模块外接精益生产电子看板输入装置；

2.根据权利要求1所述的多工序锻造材料温度反馈***，其特征在于，所述温度数据采集模块通过环境温度传感器及各工序锻件温度传感器获取所述环境温度及各工序锻件温度实测值。

3.根据权利要求2所述的多工序锻造材料温度反馈***，其特征在于，所述各工序锻件温度传感器采用高温热电偶。

4.根据权利要求1所述的多工序锻造材料温度反馈***，其特征在于，所述PID反馈模块包括：

比例模块，用于通过比例变换纠正偏差；

微分模块，用于改善***的动态性能；

积分模块，用于消除静差，改善***静态特性。

5.根据权利要求1所述的多工序锻造材料温度反馈***，其特征在于，所述精益生产电子看板输入装置用于向所述参数分类缓存模块输入数据。