I. Latar Belakang Proyek dan Spesifikasi Peralatan
Studi kasus ini melibatkan tungku nitridasi ion cerdas yang sepenuhnya otomatis, model WDL-IV-30A, yang menggunakan struktur stasiun tunggal stoples tunggal vertikal. Peralatan ini mampu melakukan nitridasi ion dan nitridasi ion lunak pada paduan titanium, baja paduan, baja cetakan, dan baja tahan karat.
Zona kerja efektif badan tungku berukuran diameter 300 mm dan tinggi 400 mm, dengan kapasitas pemuatan maksimum 100 kg. Kisaran suhu pengoperasian yang umum adalah 500 hingga 600°C, dengan suhu pengoperasian maksimum 650°C. Tingkat vakum ultimat tidak lebih besar dari 6,7 Pa, laju kenaikan tekanan tidak lebih besar dari 5 Pa/jam, dan waktu yang diperlukan untuk memompa dari tekanan atmosfer ke vakum ultimat tidak melebihi 30 menit. Kenaikan suhu permukaan cangkang tungku tidak melebihi 55°C.
Dalam penunjukan model, IV mewakili sistem kontrol digital generasi keempat, 30 mewakili arus rata-rata maksimum dari catu daya pulsa pada 30 ampere, dan A mewakili tipe cerdas yang sepenuhnya otomatis.
II. Kendala Fisik Proses Ion Nitriding
Nitridasi ion dilakukan di lingkungan pelepasan gas bertekanan rendah, dan kurva karakteristik volt-amperenya tidak linier. Ion nitridasi bahan logam umumnya beroperasi pada segmen "pelepasan abnormal" dari kurva karakteristik volt-ampere, dan titik batas atas G dari segmen ini merupakan titik belok yang berbahaya. Pelepasan gas sebagai sumber tenaga menghadirkan beban dengan karakteristik resistansi negatif. Benda kerja, yang bertindak sebagai katoda, memiliki bentuk permukaan dan lingkungan sekitarnya (penumpukan benda kerja) yang keduanya mempengaruhi rapat arus permukaan.
Karakteristik fisik ini menentukan bahwa catu daya ion harus mengatasi tiga kesulitan teknis. Yang pertama adalah pelepasan busur: jika permukaan benda kerja tidak bersih, lapisan oli non-konduktif dapat dengan mudah terbentuk. Ketika muatan terakumulasi di permukaan sampai batas tertentu, muatan tersebut terurai dan membentuk pelepasan arus tinggi sesaat, menghasilkan percikan energi tinggi. Jika tidak segera dipotong, hal ini akan menyebabkan listrik padam dan kerusakan benda kerja. Yang kedua adalah efek katoda berongga: ketika benda kerja memiliki lubang atau celah, celah antar benda kerja, atau tikungan yang tidak rata, keadaan kritis tumpang tindih pelepasan pijar terjadi pada tekanan gas tertentu. Hal ini bermanifestasi sebagai kecerahan pelepasan cahaya yang tidak merata di seluruh permukaan benda kerja, sesuai dengan kepadatan arus permukaan yang tidak merata, yang menyebabkan distribusi suhu tidak merata. Yang ketiga adalah hubungan penghubung antara rapat arus dan tekanan gas: tekanan gas mempengaruhi ketebalan cahaya, yang pada gilirannya mempengaruhi kepadatan arus – tekanan yang lebih tinggi menghasilkan cahaya yang lebih tipis, bermanfaat untuk keseragaman suhu; namun, bila tekanan cukup tinggi untuk menutupi seluruh permukaan alur dan lubang secara merata, arus akan jauh melebihi daya yang diperlukan untuk insulasi benda kerja.
AKU AKU AKU. Logika Respon Teknis Catu Daya Pulsa
Catu daya pulsa yang dikonfigurasi untuk peralatan ini memiliki frekuensi keluaran 20.000 Hz, bentuk gelombang keluaran gelombang persegi, tegangan keluaran yang terus menerus disesuaikan dari 0 hingga 900 V tanpa lompatan tiba-tiba di atas 200 V, siklus kerja yang terus menerus disesuaikan dalam kisaran 10% hingga 85%, arus rata-rata keluaran pulsa maksimum 30 A, dan waktu pemadaman busur tidak lebih dari 2 μs.
Siklus kerja didefinisikan sebagai rasio waktu tepat terhadap periode pulsa. Daya pemanasan rata-rata sama dengan tegangan puncak dikalikan arus, kemudian dikalikan dengan siklus kerja. Pengenalan siklus kerja yang dapat disesuaikan pada catu daya pulsa secara efektif menyelesaikan kontradiksi antara daya pemanasan rata-rata dan kondisi ambang batas yang diperlukan untuk pemrosesan benda kerja – inti dari kontradiksi ini adalah, untuk memenuhi kepadatan arus yang diperlukan untuk cakupan cahaya yang seragam, daya pemanasan mungkin melebihi daya yang diperlukan untuk mempertahankan suhu benda kerja, dan penyesuaian siklus kerja memungkinkan keduanya dipisahkan.
Pemadaman busur cepat dicapai dengan memanfaatkan prinsip induksi elektromagnetik pada rangkaian pelepasan untuk mendeteksi sinyal busur api dengan cepat (hampir tanpa penundaan), kemudian segera mengendalikan sakelar elektronik berkecepatan tinggi dari rangkaian arus utama melalui perangkat logika digital berkecepatan tinggi, memadamkan busur dalam waktu 2 μs.
Penerapan catu daya pulsa juga menghasilkan beberapa efek proses: waktu mati absolut pulsa relatif singkat, dan setelah daya dimatikan, konsentrasi partikel bermuatan tidak langsung turun ke nol tetapi menurun secara perlahan. Sebelum berkurang secara signifikan, pulsa berikutnya tiba, menghasilkan konsentrasi elektron rata-rata yang lebih tinggi dan laju ionisasi yang meningkat; efek katoda berongga ditekan secara efektif; dan karena catu daya pulsa memperluas rentang penyesuaian parameter proses nitridasi, dengan setiap parameter dapat disesuaikan secara independen, hal ini dapat meningkatkan keseragaman cakupan cahaya pada benda kerja dengan bentuk permukaan yang kompleks, sehingga meningkatkan kualitas lapisan infiltrasi dan kehalusan permukaan.
IV. Sistem Kontrol Loop Tertutup Tiga Parameter
Sistem kendalinya menggunakan pengontrol logika yang dapat diprogram dan layar sentuh sebagai pusat kendali utama. PLC adalah unit seri FX3G dengan kapasitas memori program 32K langkah, kecepatan pemrosesan instruksi dasar 0,21 μs, dan dua antarmuka komunikasi berkecepatan tinggi (RS422 dan USB). Layar sentuhnya adalah LCD TFT 12 inci dengan resolusi 1920x1080, sentuhan resistif empat kabel, frekuensi utama 1 GHz, dan perangkat lunak konfigurasi McgsPro yang sudah diinstal sebelumnya.
Sistem ini mengadopsi manajemen terpusat multi-tugas dan kontrol terdistribusi arsitektur digital sepenuhnya, yang mampu secara bersamaan mencapai kontrol loop tertutup dari tiga parameter utama dalam nitridasi ion: akurasi kontrol suhu ±1°C, akurasi kontrol tekanan ±1 Pa, dan akurasi kontrol aliran ±0,5%.
Kontrol suhu menggunakan pengontrol digital seri Shimaden SRS13 Jepang dengan pengaturan PID, membentuk sistem pengaturan loop tertutup suhu dengan sirkuit kontrol suhu dan termokopel. Kontrol tekanan juga menggunakan pengontrol digital Shimaden SRS13, membentuk sistem pengaturan loop tertutup tekanan dengan konverter frekuensi dan sensor tekanan. Kontrol aliran dikonfigurasikan dengan satu pengukur aliran massa khusus untuk mengontrol aliran gas.
Jalur penerapan loop tertutup tekanan adalah sebagai berikut: pemancar tekanan mengukur tekanan tungku dan mengeluarkan sinyal arus standar ke pengontrol digital. Pengontrol melakukan perhitungan PID berdasarkan nilai tekanan yang ditetapkan dan nilai sampel waktu nyata, kemudian mengeluarkan sinyal arus standar ke konverter frekuensi. Dengan mengatur kecepatan motor pompa vakum, kecepatan pemompaan disesuaikan, sehingga menjaga tekanan tungku tetap konstan pada nilai yang ditetapkan proses. Metode kontrol ini mencapai presisi ±1 Pa, sementara penggunaan gabungan pompa vakum dan konverter frekuensi sangat mengurangi keausan mekanis pada badan pompa selama penyalaan, dan pengoperasian kecepatan rendah jangka panjang dapat memperpanjang masa pakai secara signifikan.
Kontrol aliran menggunakan pengukur aliran massa seri HORIBA S500 Jepang, dengan waktu respons kurang dari 0,3 ±2% detik dari keadaan tertutup penuh hingga mencapai tekanan yang dikehendaki saat kontrol dimulai dan saat tekanan yang dikehendaki diubah selama kontrol. Rentang kendali mencakup skala penuh 1 hingga 100%, beroperasi dari satu catu daya DC24V universal, dengan sirkuit daya internal diisolasi dari sirkuit input dan output.
V. Fitur Struktural Sistem Tubuh Tungku
Badan tungku mengadopsi struktur stoples vertikal, terdiri dari dua bagian: bel dan alas. Silinder lonceng mengadopsi struktur dinding ganda berpendingin air dan sistem pendingin air multi-saluran untuk memastikan keseragaman suhu tungku. Enam lapis pelindung panas baja tahan karat 310S dipasang di dalam silinder, dan dua lapis pelindung panas baja tahan karat dipasang di bagian atas dasar tungku, memungkinkan pengoperasian suhu tinggi jangka panjang dan penghematan energi yang signifikan. Lapisan kapas insulasi aluminium silikat dengan ketebalan 20 mm ditambahkan di dalam lapisan insulasi dekat dinding tungku.
Pelat katoda ditopang pada dasar tungku dengan tiga set mika cor berkualitas tinggi, dengan ketinggian yang dapat disesuaikan. Pelat katoda terbuat dari pelat baja tahan karat 310S dengan ketebalan minimal 30 mm; rangka perlengkapan baki material yang bersentuhan dengan benda kerja juga terbuat dari baja tahan karat 310S. Perangkat sambungan katoda dirancang sebagai sambungan kaku untuk menghindari masalah panas berlebih yang disebabkan oleh kopling sambungan cepat yang longgar.
Dua termokopel dimasukkan dari pelat bawah tungku dan diposisikan di tengah pelat katoda untuk mensimulasikan kepala pengukur suhu. Satu digunakan untuk kontrol suhu oleh catu daya pulsa pemanas ion, dan yang lainnya terhubung ke instrumen alarm untuk pemantauan suhu multi-arah. Pusat pangkalan memiliki lubang ekstraksi vakum dan saluran masuk katoda, dihubungkan dengan flensa, pipa baja tahan karat berdinding tebal, dan bellow baja tahan karat, dengan penyegelan yang disediakan oleh cincin penyegel fluororubber tahan suhu tinggi.
VI. Sistem Vakum dan Gas
Sistem vakum digunakan untuk penyedotan awal badan tungku dan untuk penggantian atmosfer serta pembuangan gas buang selama proses nitridasi. Sistem ini dilengkapi dengan satu pompa baling-baling putar 2X15 sebagai unit vakum. Set pompa mencakup satu pompa vakum elektromagnetik dengan katup inflasi dan satu katup kupu-kupu vakum tinggi. Pompa baling-baling putar merupakan unit seri Guangdong Xunda 2X, tahan terhadap korosi gas proses, dikendalikan oleh konverter frekuensi, dan dilengkapi dengan katup kupu-kupu vakum tinggi GI-50 sebagai katup kontrol utama.
Pengukuran vakum menggunakan pemancar tekanan absolut diafragma kapasitif tipe ZJ-1C. Pengukur vakum ini tidak terpengaruh oleh jenis dan komposisi media yang diukur, memberikan pengukuran yang akurat dan andal, dengan nilai terukur ditampilkan oleh instrumen tampilan digital dan berpartisipasi dalam kontrol tekanan tungku.
Sistem distribusi gas digunakan untuk mengontrol masuknya gas proses ke dalam tungku, yang terdiri dari sumber gas, pengukur aliran, dan saluran pipa yang sesuai. Gas proses (seperti amonia) disediakan oleh pengguna, melewati pengukur aliran massa dan kemudian dimasukkan ke dalam badan tungku melalui tangki pencampur khusus sesuai dengan rumus proses. Pipa gas terbuat dari baja tahan karat, dan setiap saluran gas dilengkapi dengan katup pengurang tekanan, katup penutup manual, filter, pengukur tekanan, dan katup solenoid.
VII. Sistem Air Pendingin
Sistem air pendingin mengadopsi metode pendinginan sirkulasi, dengan sumber air disediakan oleh menara pendingin dan pompa air (tanggung jawab pembeli). Persyaratan air pendingin: suhu air masuk tidak melebihi 31°C, tekanan air masuk 0,15 hingga 0,25 MPa, dan laju aliran total 20 m³/jam. Setiap cabang air pendingin dilengkapi dengan katup masuk dan keluar terpisah untuk penyesuaian aliran individual. Semua pipa air pendingin, katup, dan perlengkapan yang terpasang pada peralatan terbuat dari baja tahan karat.
Pengukur tekanan kontak listrik dipasang pada pipa saluran masuk utama untuk alarm jika terjadi tekanan saluran masuk yang tidak normal, dan sistem kontrol akan mengambil tindakan perlindungan yang sesuai. Katup saluran masuk air cadangan dipasang di pipa saluran masuk air utama, terhubung ke pipa air keran pengguna – jika terjadi pemadaman listrik atau pemadaman air yang tidak terduga, badan tungku dapat didinginkan dengan air keran.
VIII. Interlock Keamanan dan Logika Alarm
Sistem ini memiliki fungsi alarm untuk suhu berlebih, tekanan berlebih, kerusakan termokopel, kekurangan air, dan kehilangan fasa, dengan alarm suara dan visual serta alarm antarmuka kontrol, mengambil tindakan perlindungan yang sesuai seperti melarang penyalaan, melarang pemanasan, memotong atau melanjutkan pemanasan sesuai dengan masalah tertentu.
Sistem kontrol dapat melakukan diagnosa mandiri atas kesalahan peralatan, mendorong pengguna untuk memeriksa dan memperbaiki titik kesalahan yang sesuai. Ketika terjadi kesalahan, sistem secara otomatis mematikan semua katup. Sistem vakum memiliki fungsi start dan stop berurutan, dilengkapi dengan mekanisme interlocking dan mutual interlocking yang lengkap, dengan semua katup bertipe power-off shut-off.