【文章內(nèi)容簡介】 四步流程，可使坯料在結晶器中的阻力減小，并使坯料在結晶過程中晶粒細化，有較高的致密性，導致力學性能和電學性能的改善。其二，在引錠機構動作的控制模式上，既可使用自動連續(xù)運行，也可以手工點動控制。 本課題研究的主要內(nèi)容： 設計出由可編程控制器、變頻器和變頻調(diào)速異步電動機組成的水平牽引驅動控制系統(tǒng)。水平牽引機構的推拉時間比為 1: 3 ~1: 4，連鑄周期為 5 ~ 20 s，牽引節(jié)矩為 10 ~ 40 mm。具體指 標為： ⑴、牽引 — 停牽 — 后推 — 停推四步流程每段時間在 [0 ]秒可調(diào)，并用 LED 分別顯示； ⑵、牽引電機進行變頻調(diào)速；能雙向連續(xù)運行和點動控制，速度分別可調(diào)。 ⑶、系統(tǒng)起動從牽引階段開始，系統(tǒng)停止在停牽階段內(nèi)完成。 5 第 2 章 系統(tǒng)方案的 設計 一個產(chǎn)品是否有市場，不但要看能否滿足我們的要求，同時也要考慮到的性價比以及它的發(fā)展前景是否很好，同樣，我們設計一個系統(tǒng)會有很多種途徑來實現(xiàn)，具體用那種我們就要通過相互比較從中選優(yōu)，這樣才能使系統(tǒng)功能更加完善，與之相應的資源配制就更加合理。在這個設計中 ， 我 們要對進行一系列的方案比較與選擇 ， 從中選擇出適合的方案。 總體設計框圖 本章是該設計的方案部分，對設計中所采用的芯片從多方面綜合的進行比較，最后經(jīng)過仔細的研究后決定所選的器件由于我國的銅型材加工企業(yè)絕大多數(shù)是中、小型企業(yè)，它們的經(jīng)濟承受能力有限，技術維護能力較弱，采用新型數(shù)控交流伺服調(diào)速技術，短期內(nèi)難以打開市場；若采用直流調(diào)速技術又面臨著在較短時間內(nèi)被交流調(diào)速技術淘汰的困境。因此針對客戶群的實際，開發(fā)一種采用新型數(shù)控變頻技術的水平牽引連鑄設備就顯得尤為必要。其核心工藝要求控制功能較為簡單，從高 可靠性和高性價比方面考慮，我們提出了采用 PLC 控制器、 VVVF、 電源、變頻調(diào)速異步電動機和高達 60： 1 的減速器組成的驅動控制系統(tǒng)，不僅可以完成水平牽引工藝的四節(jié)拍流程，系統(tǒng)還便于維護和調(diào)試。這種方案與采用晶閘管整流器和直流電機，配以測速發(fā)電機構成閉環(huán)直流調(diào)速驅動方案相比，在性能和價格相當?shù)臈l件下，具有可靠性高、節(jié)約電能、維護工作量小的優(yōu)點；與采用工業(yè)計算機控制交流伺服電動機的方案比同樣具有可靠性高、節(jié)約電能等優(yōu)點的同時，還具有投資省、維護工作量小的優(yōu)點 [3]。 本設計采用途徑的總框圖如圖 21 所示。 6 PLC控制器V V V F 變 頻 器水 平 牽 引 連 鑄 設 備減 速 箱工 頻 電 網(wǎng)頻率給定變 頻 電 機M 圖 21 圖 基于 PLC 的銅材成型機控制系統(tǒng)的框圖 根據(jù)銅加工生產(chǎn)工藝技術與裝備對拖動電機的要求，牽引機構在每個周期中速度的變化規(guī)律包含四個時段，如圖 22 所示。圖中為 ? 設定的牽引機的線速度， t 為電動機運行的時間。 T 1T 2T 3T 4tv 圖 22 電動機運行時間要求 控制要求如下 : （ 1）設置四段時間 T1— 正向牽引時間、 T2— 正向停止時間、 T3 反向后推時間和 T4—反向停止 時間； （ 2） T1, T2, T3, T4 時間在 []秒間獨立可調(diào)； 7 （ 3）電機用變頻器進行變頻調(diào)速； （ 4）起動從 T1 開始，停止在 T2 進行； （ 5）有正、反向點動控制，點動速度單獨可調(diào)； （ 6）頻率調(diào)節(jié)范圍 0~100Hz，頻率調(diào)節(jié)精度 。 本設計采 用 PLC 控制器控制變頻電機的正轉、停止、反轉、停止，通過控制這四種狀態(tài)的時間來控制變頻電機實現(xiàn)銅材水平牽引連鑄工藝獨特的牽引一停牽一反推一停推四節(jié)拍的流程來取代爐振、打鏈、棘輪或繼電器方式控制的垂直牽引連鑄工藝。并可在線調(diào)整工藝參 數(shù)、改變鑄造速度、牽引頻率和節(jié)距。 銅加工工藝要求電機頻繁正、反轉，且調(diào)速范圍要求較高。故須采用帶專用于散熱的恒速風扇的專用電動機，考慮到變頻器供電的特殊性，我們選用專用的變頻調(diào)速電動機。實現(xiàn)對于異步電機的變壓變頻調(diào)速，必須具備能夠同時控制電壓幅值和頻率的交流電源，而電網(wǎng)提供的是恒壓恒頻的電源，因此應該配置變壓變頻器： VVVF（ Variable Voltage Variable Frequency） 裝置。通過變頻器可任意改變電源輸出頻率從而任意調(diào)節(jié)電機轉速 ,實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速。根據(jù)銅加工生產(chǎn)工藝技術與裝備對拖 動電機的要求，牽引機構在每個周期中速度的變化規(guī)律包含四個時段。 用水平牽引連鑄工藝替代目前國內(nèi)尚廣為沿用的垂直牽引連鑄工藝是一項革新的趨勢，因它省去了一道對產(chǎn)品校直的工序，如何為水平牽引連鑄工藝配套引錠機構的驅動控制有多種方案可供選擇。通過方案論證 ， 本文選用了 PLC 控制器、 VVVF 電源和調(diào)頻調(diào)速電動機與蝸輪減速箱的組合，實現(xiàn)了可以在線調(diào)節(jié)生產(chǎn)工藝參數(shù)的定時開環(huán)控制。 連續(xù)鑄造工藝過程 連續(xù)鑄造工藝指的是將具有合適溫度的待鑄熔體導入通水強迫冷卻的結晶器中 , 當熔體凝固成具有一定強度的凝殼后 , 借助于引 錠桿和牽引輥將已凝固的坯料連續(xù)地拉出結晶器 , 而當坯料達到其所設定的長度時 , 將被同步地自動切斷。 設備結構 設備結構 如圖 23 所示 8 12 345661 工 頻 感 應 線 圈 2 爐 體 3 結 晶 器4 引 錠 裝 置 5 自 動 鋸 6 導 軌 圖 23 水平牽引連續(xù)鑄造設備示意圖 設備的特征 該設備具有兩大特征：其一，特有的周期性的牽拉 — 停牽 — 反推 — 停推四步流程， 可使坯料在結晶器中的阻力減小，并使坯料在結晶過程中晶粒細化，有較高的致密性，導致力學性能和電學性能的改善。其二，在引錠機構動作的控制模式上，既可使用自動連續(xù)運行，也可以手工點動控 制。前者是在對不同批號產(chǎn)品的各種規(guī)范工藝參數(shù)已摸準的情況下進行的 ， 操作人員只要面對控制屏值班監(jiān)控就可以了 ， 后者則在需要摸索優(yōu)化工藝參數(shù)和每爐銅料引錠初始階段使用。 引錠工藝參數(shù)： a、 牽引周期 T ? ?21 mm mR S fV pk? ?? (21) R 為牽引半徑， p 電動機級對數(shù)， mk 機械減速比， S 電動機轉差率， mf 為 VVVF 電源的輸出頻率。 T = ABt + BCt + cdt + DAt (22) 9 A BC DA 180。VmV / ( m m ? s 1)t / s 圖 24 引錠機構速度變化波形圖 ABt 為牽拉時間， BCt 為牽拉停止時間， cdt 為反推時間， DAt 為反推停止 時間中速度波形有兩次升和降，它是由 VVVF 電源中頻率的升降速率所引起的，時值 。為了適應不同截面、形狀和不同規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)的需要，在保證產(chǎn)品截面上金相質量和較高生產(chǎn)率的前提下，對周期 T 的選擇應能做到在較寬的范圍內(nèi)在線可調(diào)。 b、 反推時間與牽拉時間的比值 CDABtt?? (23) 顯然， ? 愈小，生產(chǎn)率愈高，但從鑄坯在結晶器中所受的摩擦阻力 和在結晶過程中 對坯料內(nèi)應力控制方面考慮， ? 的設置是必要的，它的取值不能太小，較佳的 ? 才有較 好的截面晶粒品相，根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗， ? 的最佳范圍在 1:3— 1:4。 c、 牽拉停止延時間 它反映從控制器發(fā)出牽拉停止指令到發(fā)出反推啟動指令之間的延時，其中包括了 0. 1 s的頻率下降延時，設置 BCt 為的是使鑄坯在結晶器的出 口達到合適的冷卻溫度，具體數(shù)值的選擇需要根據(jù)銅水的溫度和型材的幾何尺寸綜合考慮。 d、 牽拉節(jié)矩 它是一個周期中坯料被牽拉的凈長，可由 (1)， (2)可以導出 ? ?? ?2 1 1m ABmR f s aytpk? ???? (24) 其 R 為牽引輥半徑 p 為電動機極對數(shù) ， mk 為機械減速比 ， S 為電動機轉差率 ， mf 為VVVF 電源的輸出頻率， mf 、 ABt 和 ? 可供優(yōu)化選擇。 10 核心控制器的比較與選擇 常見的控制器比如 PLC、單片機、繼電器控制等等。所謂單片機系統(tǒng)就是采用目前市場上的單片機 CPU 及其它外圍芯片，根據(jù)不同系統(tǒng)設計電路板，最終設計成一臺簡易的計算機系統(tǒng)，并在此基 礎上設計程序以達到所要求的控制功能。這種形式在 80 年代國內(nèi)很流行，但由于受到本身可靠性及其它方面 的限制，目前除了儀表上仍然采用外，在工業(yè)現(xiàn)場的應用已逐步被 PLC 所代替。 單片機的可靠性：由于目前國內(nèi)市場上的單片機芯片的品質良莠不齊，很大一部分還是國外篩選出來的次等品，加上其它外圍元件（如電阻、電容等）的參數(shù)離散性也很大，批量小的產(chǎn)品不可能經(jīng)過篩選配對等技術處理，因此這樣的產(chǎn)品很難做到很好的一致性和高可靠性，因為任一元件的參數(shù)偏離設計要求都會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。另外，單片機的所有器件均不是工業(yè)級的 ，抗干擾性特別是抗電源干擾能力很弱，而國內(nèi)的電源一般都很差，加上壓片機的變頻調(diào)速對電源的干擾很大，因此，更可能引起單片機系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 單片機的可擴展性：由于單片機的線路是根據(jù)一定的功能要求特別設計的，所以要增加一個功能就要重新設計線路，而且對應的程序都要重新設計。這樣對于增加功能的開發(fā)成本和周期都 會增加。 單片機的可維護性：一旦單片機系統(tǒng)出現(xiàn)故障，很難診斷出故障元件，最簡單的方法是更換整個系統(tǒng)，這樣維修成本增加了。 操作：現(xiàn)在國內(nèi)單片機系統(tǒng)的操作均采用自設計的鍵盤，設定數(shù)據(jù)用撥碼開關，顯示用 LED， 整個面板顯得繁鎖，而且為了減少操作鍵，設計時往往一鍵多用，操作人員很難脫開說明書操作。特別是故障顯示只能顯示故障代碼，一旦發(fā)生故障，操作人員必須翻閱說明書方能發(fā)現(xiàn)故障所在，最終按說明書指示排除故障，這樣排除故障的時間相對較長?？傊@樣的人機對話不夠友善 [4]。 而繼電器控制邏輯采用硬接線邏輯，利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)及延時繼電器的滯后動作等組合成控制邏輯，其連線多而復雜，一旦系統(tǒng)構成后，想再改變或增加功能都很困難。另外繼電器觸點數(shù)目有限，每只只有 4— 8 對觸點，因此靈活性和擴展性很差。而 PLC 采用存儲邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲在內(nèi)存中，要改變控制邏輯，只需改變程序，其連線少，體積小，功耗小。 11 （ 1）工作方式：當電流接通時，繼電器控制線路中各繼電器都處于受約狀態(tài)，即該吸合的都應吸合，不該吸合的因某種條件限制不能吸合。而 PLC 的控制邏輯中，每個繼電器受制約接通的時間是短暫的。 （ 2）限時控制：繼電器控制邏輯利用時間繼電器的滯后動作進行限時控制。時間繼電器一般分外為空氣阻尼式，半導體等，其定時精度不高，且受環(huán)境和溫度的影響，調(diào)整時間困難等問題。 PLC 使用半導體集成電路作定 時器，時鐘脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生，精度相當高，定時范圍一般從 到若干分鐘甚至更長，用戶可根據(jù)需要在程序中設定定時值，后由軟件和硬件計數(shù)器來控制定時時間，定時精度小于 10ms 定時時間不受環(huán)境的影響。 （ 3）設計與施工：使用繼電器控制邏輯完成一項控制工程，其設計，施工須依次進行，周期長，而且修改困難。而用 PLC 完成一項控制工程，在系統(tǒng)設計完成以后，現(xiàn)場施工和控制邏輯的設計可以同時進行，周期短，且調(diào)試和修改都很方便。 （ 4）可靠性和可維護性：繼電器邏輯控制所有大量的機械觸點，連線多。觸點開 閉時會受到電弧的影響，因此可靠性和可維護性差。而 PLC 采用微電子技術，大量開關動作由無觸點的半導體電路來完成，它體積小，可靠性高。 PLC 還配有自檢和監(jiān)督功能，能檢查出自身的故障。 可編程控制器（ PLC）： 所謂 PLC 系統(tǒng)就是采用目前市場上各大工業(yè)控制廠家生產(chǎn)的可編程控制器，根據(jù)要求選用不同的模塊，在此基礎上設計程序以達到所設計的功能。這種形式目前在工業(yè)現(xiàn)場應用最為廣泛。 PLC 的可靠性：進口 PLC 采用的 CPU 都是生產(chǎn)廠家專門設計的工業(yè)級專用處理器，其余各元件也是直接向生產(chǎn)廠家購買的，經(jīng)過嚴格 挑選的工業(yè)級元件，另外它的電源模塊也是集各大公司工業(yè)控制的經(jīng)驗而特別設計的，抗干擾性特別是抗電源干擾能力有很大提高，即使在電源很差和變頻調(diào)速的干擾下仍能正常工作。 PLC 的可擴展性：要增加一個功能只要增加相應的模塊和修正對應的程序，而 PLC的編程相對比較簡單，這樣對于開發(fā)周期會縮短。 PLC 的可維護性： PLC 本身有很強的自診斷功能，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，根據(jù)自診斷很容易診斷出故障元件，即使非專業(yè)人員也能維修，如果故障由于程序設計不合理引起，由于它提供完善的調(diào)試工具，要找出故障也較為簡單。 特點：價格與前二種控 制器相比略貴，可靠性好，操作簡單。綜合以上的分析和比 12 較，最終決定采用 PLC。 調(diào)速方案多