（交通信息工程及控制专业论文）铝合金半连续铸造生产监控网络系统研究.pdf

摘要 铝合金半连续铸造生产系统包含有多个地理分散的子系统，客观 上需要构建一个分布式网络系统，为生产过程的管控一体化与综合自 动化创造条件。基于以上需求，本文研究铝合金半连续铸造生产过程 中的监控网络系统。 论文首先分析铝合金半连续铸造技术的发展及其监控网络系统 的设计要求，然后提出系统总体设计方案。主要包括现场总线的选型 和分析，基于工业以太网的远程监控系统和基于c a n o p e n 的实时监控 系统。 通过分析复合磁场形成原理以及电磁场作用下铝合金半连续铸 造工艺，得到复合磁场的控制要求，并对比了三种主要变流技术，确 定了交一交变频的主电路方案；硬件电路设计中以t m s 3 2 0 f 2 8 0 9 为控 制核心，采用模块化设计思想进行外围电路的设计，重点阐述了模拟 量输入处理模块、人机接口模块和通信接口模块等的设计。在软件设 计方面，重点研究t e c a n 控制器程序设计与c a n o p e n 应用层协议的 实现，从而实现与上位监控机的通信。 实验结果表明，所设计的监控网络系统达到了较好的效果，可实 现现场设备层的铸造电源系统的参数显示与设定、历史记录、报表打 印等功能，通过触摸屏组态可以完成对变频电源a 、b 、c 三相和辅 助电源的集中管理和监控。 论文最后对所做工作进行了总结，并提出了一些有待于进一步研 究的问题。 关键词半连续铸造，监控网络，工业以太网，c a n o p e n ，触摸屏 a b s t r a c t an u m b e ro fg e o g r a p h i c a l l yd i s p e r s e ds u b s y s t e m sa r ec o n t a i n e di n t h ea l l o ys e m i 。c o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t i o ns y s t e m ，t h u si ti so b j e c t i v e l y n e e d e dt ob u i l dad i s t r i b u t e dn e t w o r ks y s t e m ，s ot h a tt h ei n t e g r a t i o no f m a n a g e m e n ta n dc o n t r o l i nt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o nc a nb er e a l i z e d t h e c o n t e n to ft h ep a p e ri st h em o n i t o r i n gn e t w o r ks y s t e mi nt h ep r o d u c t i o n p r o c e s so fa l u m i n u ma l l o ys e m i c o n t i n u o u sc a s t i n g f i r s t l yt h et e c h n o l o g yo fa l l o ys e m i 。c o n t i n u o u sc a s t i n ga n dt h e d e s i g nr e q u i r e m e n to ft h em o n i t o r i n gn e t w o r ks y s t e ma r ep r o p o s e di nt h e p a p e r , t h e nt h eg e n e r a ls c h e m ea r eg i v e n ，w h i c hm a i n l yi n c l u d e st h e s e l e c t i o na n da n a l y s i so ff i e l d b u s ，t h ei n d u s t r i a le t h e r n e t b a s e dr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h ec a n o p e n b a s e dr e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e m t h r o u g h t h e a n a l y s e s o ft h e f o r m i n gp r i n c i p l e o fc o m p o u n d m a g n e t i cf i e l da n dt h ef u n c t i o n a lm e c h a n i s mo fe l e c t r o m a g n e t i ci n a l u m i n u ma l l o ys e m i - c o n t i n u o u sc a s t i n g ，t h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so ft h e c o m p o s i t em a g n e t i cf i e l d a r e g a i n e d ，a n d i no r d e rt om a t c ht h e r e q u i r e m e n t s ，t h ea c - a cc y c l o c o n v e r t e ri sa d o p t e di nt h em a i nc i r c u i to f c o n t r o ls y s t e m t h em o d u l a rd e s i g nt h i n k i n gi s a d o p t e di nt h eh a r d w a r e d e s i g n ，w h i c hu s et m s 3 2 0 f 2 8 0 9a st h ec o n t r o lc o r e a n df o c u s eo nt h e a n a l o g i n p u t p r o c e s s i n g m o d u l e ， m a n m a c h i n e i n t e r f a c ea n d c o m m u n i c a t i o nm o d u l e sa n de t c i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h ep r o g r a m d e s i g no fe c a nc o n t r o l l e ra n dt h er e a l i z a t i o no fc a n o p e na p p l i c a t i o n l a y e rp r o t o c o l a r e e m p h a t i c a l l yr e s e a r c h e d ，s o a st oa c h i e v et h e c o m m u n i c a t i o nw i t ht h eh o s tm o n i t o r i n g c o m p u t e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em o n i t o r i n gs y s t e ma c h i e v e s g o o dr e s u l t s ，t h ef u n c t i o n so fd i s p l a yt h es c e n ec a s t i n gp o w e rs y s t e m p a r a m e t e r sa n ds e t t i n g s ，h i s t o r i c a l r e c o r d s ，r e p o r t sa n dp r i n t i n g a r e r e a l i z e d ，a n dt h r o u g ht h et o u c h - s c r e e nt h et h r e e p h a s ep o w e ri n v e r t e ra n d t h ea u x i l i a r yp o w e rs u p p l ya r ec e n t r a l i z e dm a n a g e d a n dm o n i t o r e d f i n a l l y , t h i sp a p e rm a k e ss o m ec o n c l u s i o n s ，a n dp r e s e n t ss o m e i s s u e sf o rf u t u r er e s e a r c h i i k e y w o r d s ：s e m i c o n t i n u o u sc a s t i n g ，m o n i t o r i n gn e t w o r k ，i n d u s t r i a l e t h e m e tn e t w o r k ，c a n o p e n ，t o u c hs c r e e n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：轻日期： 学位论文版权使用授权书 年月三日 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：监导师签名二塑鱼耸二日期： 年上月兰e t 硕l 学位论文第一章绪论 由于铝及其合金材料具有优良的物理性能、良好的加工成型性以及高的回收 再生性等，其广泛应用于交通运输、包装容器、建筑装饰、航空航天、机械电器、 电子通讯、石油化工、能源动力、文体卫生等行业，成为发展国民经济与提高人 民物质和文化生活的重要基础材料。因此提高铝及其合金产品质量、降低其生产 成本具有十分重要的意义【1 捌。 1 1 研究背景及意义 随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的工业控制领域正经历 着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。网络化控制系统是控制系统日 趋复杂化的体现，它是3 c ( c o n t r o l ，c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ) 学科交叉的产物。 网络化控制系统充分利用计算机网络的特点，使分布在不同地域的控制节点和控 制系统有机地连接成一体，达到宽广地域的远程监视与控制。 铝合金半连续铸造复杂大系统包含多个地理分散的子系统。随着铝合金半连 续铸造技术的研究和发展、系统管理和控制要求的不断增加，客观上需要将分散 在现场的多个控制子系统进行综合管理和信息集成。采用分布式网络解决方案， 构建一个网络化的铝合金半连续铸造生产系统可以使传统的封闭式体系转变为 开放分布式体系，满足“管控一体化”的要求。铝合金半连续铸造网络化控制系 统将打破传统自动化系统的“信息孤岛”现象，实现数据的集中管理与远程传送， 为铝合金半连续铸造生产过程的管理控制一体化与综合自动化创造条件。本文重 点研究铝合金半连续铸造生产过程的网络监控系统。 1 2 铝合金半连续铸造技术的发展及研究现状 半连续铸锭工艺在铝工业中用于制造大多数的铸造合金，由这些合金加工出 棒料、薄板、板条和板材的形状。在这一工艺中，熔化的铝被传送到一个由水冷 却的永久铸模中，在铸模的长活塞上装有活动底座。在铸模表面进一步凝固而形 成一层坚硬的“皮”之后，活塞向下运动，更多的金属连续填入容器中。最后， 活塞运动至全长，中断连铸过程，取出铸锭，再进行下一个生产周期。铝工业中 常规的方法是利用适当润滑的金属铸模。由于这种半连续铸造技术具有如下几个 显著优点，因此在近年来发展迅速【3 】： ( 1 ) 投资少，见效快，投资回收期短，对于中小型铸锭制造厂是可行的。 ( 2 ) 浇铸稳定，可允许较低的熔炼温度，从而减少熔体的过热度及吸气，使 硕士学位论文 第一章绪论 铸锭获得细密组织。 ( 3 ) 浇铸采用一次水冷及二次水冷，故冷却强度大，结晶速度高，枝晶网格 细，有利于铸锭的机械性能和变形性能。 ( 4 ) 生产具有连续性，可大大减少切头切尾的几何废料，提高了生产率。 ( 5 ) 生产的机械化、自动化强度高，改善了生产劳动条件。 最早关于类似现代连铸设备的建议是18 8 7 年由德国人戴伦( r m d a e i e n ) 提 出的。在他们的设备中包括有水冷的、上下口敞开的结晶器、液态金属流的注入， 二次冷却段、引锭杆、夹棍和铸坯切割装置等设备和工艺【l2 1 。但此前阶段铸坯粘 模及溶液拉漏现象极易发生，工艺极不稳定，很难实现大规模生产。为此，德国 人容汉斯( s i e g f l i dj u n g h a n s ) 提出的结晶器振动奠定了近代连铸技术基础，他于 1 9 3 3 年在德国建成第一台立式带振动结晶器连铸机，并用其浇注铜、铝获得成 功【l3 1 。与此同时，美国a l c o a 公司也发明了立式半连续铸造方法( v e r t i c a l d i r e c t c 1 1 i 1 1c a s t i n g ，简称d c 法) 【1 4 】。 我国铝锭工业化生产开始于五十年代中期，哈尔滨东北轻合金加工厂引进原 苏联的半连续立式铸造技术，铸造从直径1 6 2 4 8 2 毫米的不同直径规格圆铸锭【4 】。 也称做直接水冷铸造( d c d i r e c tc h i l lc a s t i n g ) 或立式直接水冷铸造( v d c v e r t i c a l d i r e c tc h i l lc a s t i n g ) 。这种铸造工艺始于三十年代。在六十年代出现了横向铸造 h d c ( h o r i z o n t a ld i r e c tc h i l lc a s t i n g ) ，到八十年代出现了热顶铸造( ( h o tt o pc a s t i n g ) 。 我国的1 2 5 m n 卧式水压机，所用铸锭直径是中7 8 0 m m ，铸造的名义尺寸是 中8 0 0 m m 。1 9 7 6 年东北轻合盒加工厂曾铸过直径中1 0 0 0 m m 的铸锭。西方资料 介绍 5 1 ，铸造圆铸锭的最大直径是中1 1 0 0 m m ，是由俄罗斯古比雪夫冶金工厂生 产的。 2 0 世纪8 0 年代后期，为了满足航空结构材料的要求，我国全面启动了 7 0 5 0 t 7 4 等状态厚板合金的研究工作。该合金具有高强度、高韧性、良好的淬 透性等优点，因而在航空材料中得到重要应用。随着国防和民航高性能飞机的发 展，对7 0 5 0 合金大尺寸的厚板需求量急剧增大。但是由于该合金化学成分复杂， 铸锭规格和宽厚比大，铸锭的裂纹倾向也增大，极难成型。目前，世界上只有美、 法、德三国能铸造4 0 0 m m 厚的7 0 5 0 合金扁锭【6 】。 铝合金半连续铸造凝固过程最显著的特点是熔体内部存在具有一定深度的 液穴，铸锭内外存在较大的温度差，这种温度差是形成铸锭横截面上组织不均 匀、溶质元素宏观偏析、铸造应力与裂纹等缺陷的根本原因。裂纹是铝合金半连 续铸造生产过程中铸锭最重要和最常见的缺陷之一，因出现裂纹而造成的废品往 往达到废品总数的4 0 至6 0 。对于以a 1 z n m g - c u 系合金为代表的两相区较宽 的铝合金，裂纹是其大尺寸铸锭生产过程中需要解决的首要问题。铸锭裂纹的产 2 硕上学位论文第一章绪论 生，主要取决于材料的高温物理与力学性能及铸锭的应力应变状态。2 0 世纪9 0 年代单长智等研究了铝合金圆锭常见的各种类型裂纹形成机理，指出凝固过程中 铸锭内部的内应力是导致裂纹产生的重要原因，较浅的液穴深度能够有效降低铸 锭内外温差，从而减小裂纹形成倾向性，在此基础上提出了通过降低铸造速度、 减小二次冷却强度，采用短结晶器和热顶铸造工艺j 来获得较小的液穴深度。但 铸造速度、结晶器高度等工艺参数的选择受合金种类的限制，同时多个工艺参数 的选择需要统筹考虑，因此在一定的工艺条件下，通过调整常规工艺条件有效解 决铸锭的裂纹问题比较困难。 2 0 0 3 年6 月东北大学获铝合金低频电磁半连续铸造方法及装置发明设计专 利，其装置是在现有结晶器的外部或内部设置一组线圈，向线圈中通入低频电流， 本发明的方法是采用本发明的装置进行铝合金低频电磁场半连续铸造，电磁场频 率为1 5 - - 5 0 h z ，浇铸温度为6 8 0 - 7 5 0 ，铸造速度为5 0 - 1 5 0 m m m i n ，冷却水 压为0 0 6 - - 0 1 2 m p a ，本发明具有明显细化晶粒，使合金元素在晶内充分固溶， 避免裂纹，提高铸锭成材率，消除偏析瘤，改善表面浇量等优点】。 2 0 0 5 年3 月赵志浩等【_ 7 】采用数值模拟的方法研究了低频电磁水平半连续铸 造7 0 7 5 铝合金中不同强度及频率的磁场在熔体中的分布，并采用试验的方法研 究了不同条件的磁场对铸锭宏观偏析的影响。即在整个铸造试验过程中，保持铸 造速度及温度恒定，只考虑磁场频率与磁场强度两个磁场参数影响。分别保持其 中一个参数不变研究另外一个参数队宏观偏析的影响。另外将使用传统水平半连 续铸造生产出的铸锭与低频电磁水平半连续铸造生产的铸锭进行了比较。研究结 果表明：在传统水平半连续铸造工艺条件下，铸锭中易出现较严重的负偏析及重 力偏析：然而在低频电磁水平半连续铸造过程中，低频电磁场的存在明显削弱了 铸锭中的宏观偏析。此外，磁场在熔体中的分布情况将直接影响其作用效果。随 着励磁线圈按匝数的增多，熔体内各点的磁场强度也随之增强，磁场对铸锭内合 金元素宏观偏析的改善更加明显；过高或过低的频率均不利于磁场对合金元素宏 观偏析的改善，在此次试验中，磁场强度一定得情况下，最优频率为3 0 h z 。 2 0 0 6 年1 2 月秦克等【8 采用普通d c 铸造和低频电磁半连续铸造工艺，制备 了西1 0 0 m m 的4 0 4 5 铝合金锭坯，并利用光学电子显微镜和扫描电镜对铸锭的显 微组织进行检测与分析，用显微硬度计和电子拉伸试验机对铸锭的力学性能进行 检测。结果表明，采用低频电磁半连续铸造，铸锭的显微组织中的0 【a 1 枝晶组 织被明显打碎，成为细小均匀的枝晶组织；共晶s i 也较普通d c 铸造组织中的 共晶s i 细小、均匀。在铸锭外表层附近存在富s i 区域，但采用低频电磁半连续 铸造，富s i 区域明显减小。采用低频电磁半连续铸造，初生0 c a 1 中的硅含量增 加，达到2 7 9 ，合金的力学性能也得到提高，曲为2 2 5 m p a 、l ，为1 1 4 、硬度 硕士学位论文第一章绪论 为h v 6 9 5 。 2 0 0 7 年1 月左玉波等【9 】采用新型低频电磁铸造技术制备了7 0 5 0 铝合金 t i ) 1 2 0 m m 铸锭，研究了低频电磁场对铸锭组织和性能的影响。并对比研究了常规 d c 铸造和低频电磁铸造铸锭挤压和热处理后的组织与性能。结果表明，低频电 磁铸造显著细化晶粒组织，并使组织分布均匀，改善铸锭的铸态力学性能。固溶 并时效处理后，常规d c 铸锭挤压棒材抗拉强度达至u 6 7 6 5 m p a ，延伸率达到1 1 2 ； 低频电磁铸锭挤压棒材抗拉强度略有提高，达至j j 6 7 7 5 m p a ，延伸率提高较大， 达到1 3 2 。低频电磁铸造对7 0 5 0 铝合金挤压棒材最终抗拉强度影响不大，但能 够显著提高延伸率。 2 0 0 8 年8 月黄松林等【lo 】针对铝合金大尺寸扁锭成型裂纹倾向大、工艺参数不 易找准的问题，建立了基于r b f 的电磁半连续铸造神经网络模型，以铸锭裂纹量 化值最小作为优化目标，以训练后的r b f 网络作为评价函数，在工艺指标控制范 围内，采用改进后的遗传算法对铝合金电磁半连续铸造过程的工艺参数进行了优 化计算，获得了最优工艺参数值：铸造速度为5 2m m m i n ，铸造温度为7 2 4 ， 扁锭宽面冷却强度为1 3 4 l m i n ，扁锭窄面冷却强度为2 2 l m i n ，电磁强度为1 1 7 4 9 a 匝，电磁频率为2 7 h z 。按照该最优工艺参数值进行了真实试铸，结果表明，铸 锭成品率比优化前提高了2 0 。 1 3 现场总线在网络控制系统中的应用研究 现场总线是计算机、通信、控制等技术的的融合。它把专用微处理器置入现 场自控设备，使设备本身具有了数字计算和数字通信能力，这样不仅便于现场设 备的信息传输和交换，还为信息远程传输创造了条件。 基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统 1 5 ( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ，f c s ) 。其特点就是信号传输全数字、控制功能全分散、标准统一全开放。 它将集散式控制系统中集中与分散相结合的模式变成了新型的全分布式控制模 式，控制功能彻底下放到现场，现场控制设备通过总线与管理信息层交换信息。 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对 一的设备连线，位于现场的测量变送器、执行器、开关、电机等设备和位于控制 室的控制器之间均为一对一的物理连接。而现场总线控制系统采用数字信号替代 模拟信号，因而可实现一对信号线上传输多种信号( 包括多个运行参数值、多个 设备状态和故障信息等) ，现场设备以外不再需要a d ，d a 转换部件。这样就 为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条 件。现场总线系统由于采用了智能设备，改变了原先d c s 系统的传输模式，使 基于现场总线的控制系统功能不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完 4 硕l j 学位论文第一章绪论 成，实现了彻底的现场分散控制。 设计组建一个现场总线控制系统通常需要以下三部分：现场智能仪表、控制 器，现场总线系统和监控、组态计算机。其中仪表、控制器、计算机都需要通过 现场总线网卡及通信协议软件连接到现场总线网上。 现场总线控制系统在技术上具有以下特点： ( 1 ) 系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可 互联为系统并实现信息交换。这里的开放是指对相关标准的一致性、公开性，强 调对标准的共识与遵从。一个具有总线功能的现场总线网络，系统必须是开放的， 开放系统把系统集成的权力交给了用户。用户可按自己的考虑和需要把来自不同 供应商的产品组成大小随意的系统。现场总线就是自动化领域的开放互联系现场 总线就是自动化领域的开放互联系统。 ( 2 ) 互可操作性与互用性。这里的互可操作性，是指实现互联设备间、系统 间的信息传送与沟通；而互用则意味着对不同生产厂家的性能类似的设备可进行 更换而实现相互替换。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处 理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本 功能，并可随意诊断设各的运行状态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的 体系结构，从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系， 简化了系统结构，提高了可靠性和对现场环境的适应性。 基于上述的分析，现场总线控制系统从设计、安装、投运到正常生产以及维 护，都体现出其显著的优越性【1 6 , 1 7 。 ( 1 ) 提高了系统的准确性和可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化， 大大降低了信号传输过程中的外部环境的干扰，从而提高了现场仪表的精度，减 少了信号传送误差。 ( 2 ) 节省硬件数量与投资。由于现场总线控制系统中分散在现场的智能设备 能将底层控制、累计、报警监视等功能在现场仪表中直接实现，不需要d c s 系 统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，从而节省了一大笔硬件投 资，还减少了控制室的占地面积，大大降低了成本。 ( 3 ) 节省维护开销。由于现场控制设备的智能化，具有自诊断与简单故障处 理的能力，并且可通过网络将现场设备相关的诊断信息送往控制室，用户可以在 监控站点查看所有设备的运行信息，这样大大缩短了维护停工时间，同时由于系 统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权a 用户可以自由选择不同厂商所提供的 5 硕士学位论文第一章绪论 设备来集成系统。不会为系统中协议不兼容而一筹莫展。使系统集成过程中的主 动权牢牢掌握在用户手中。 1 4 论文章节安排 论文分为五章，第一章简要概述了铝合金半连续铸造的发展及研究现状，现 场总线在网络控制系统中的应用研究，以及论文研究的背景与意义；第二章主要 阐述了铝合金半连续铸造工艺及其网络控制要求；第三章阐述了铝合金半连续铸 造生产过程的网络监控系统设计，包括系统的总体设计，基于以太网的远程监控 系统的设计，基于c a n o p e n 现场监控系统的整体设计以及上位监控机的结构与 通信实现设计；第四章主要阐述了基于c a n o p e n 的复合磁场控制系统设计，包 括系统主电路设计、系统软硬件设计以及与上位监控主机之间的通信；第五章给 出监控级调试实验结果并对结果进行分析。 6 硕士学位论文 第一二章铝合金半连续铸造工艺及网络控制要求 第二章铝合金半连续铸造工艺及网络控制要求 在铝合金半连续铸造过程中施加复合磁场，使铸造区中产生几个方向、不同 频率和不同强度的电磁力，从而改变铸造区中的结晶与变形条件，获得高质量的 铸锭。因此，根据复合磁场控制系统的控制要求设计一套合理的电磁铸造电气控 制装置具有十分重要的意义。为了达到此目的，必须了解电磁半连续铸造工艺原 理，并且掌握铸造过程中复合磁场的形成原理。 同时，铝合金半连续铸造过程中存在大量的企业管理信息和现场实时信息需 要协调处理，客观上需要构建一个网络监控系统，为此必须结合网络技术与铝合 金半连续铸造技术，得出设计满足铝生产实际需求的网络监控要求。 2 1 铝合金半连续铸造原理 2 1 1 铝合金半连续铸造工艺原理 图2 1 半连续铸造电磁场作用原理图 在铝合金半连续铸造过程中施加特殊的交变电磁场，铸造区中将产生几个方 向、不同频率和不同强度的电磁力，从而改变铸造区中的结晶与变形条件，最终 获得高质量的铸锭【2 3 1 。通过旋转电磁力替代添加铝钛硼晶粒细化剂，来改变 晶体成长的线速度，使正在成长中的枝晶受到振动冲击而破碎，使晶核数量大 量增加，凝固界面演变成新的凝固结晶模式，从而改变了在自然或强冷条件下的 凝固结晶过程，达到了使其组织及成分均匀，晶粒细化的效果。 电磁场作用下铝合金半连续铸造工艺过程如图2 1 所示，可知在结晶器外设 7 硕1 二学位论文第二章铝合金半连续铸造下艺及嘲络控制要求 置电磁感应线圈，施加交变电磁场，根据电磁感应理论，通过电磁场与熔体内部 的感生电流交互作用使熔体受到l o r e n t z 力的作用【1 8 1 。 由洛伦兹力表达式f = j b ，电磁力各分量的瞬时表达式为： 只= 一b y 。，z ，= ! 竺必2 r 2e 一2 肛 屈 1 - c o s 2 ( 研一砂一层工+ 臼) 1 ( 2 1 ) 一pr s i n 2 ( c o t r y p i x + 8 、) 、 e ：鼠3 j z 3 ：c r c o _ b i g d 一3 2 p 一2 p 一 1 - c o s2 ( c o t - r y - f l f x + 秒) 】( 2 2 ) 由以上的推导可知： ：盈： f p t ( 2 - 3 ) 在复合磁场的作用下，铝液除受沿行波磁场运动方向的电磁力r 作用以外， 还受到垂直于行波磁场运动方向的电磁力r 的作用，其数值较沿行波运动方向 的电磁力小得多。 由于行波磁场是由在时间和位置上均相差1 2 0 0 的三相电流形成，在铝液中 所受导的电磁力是由三相电流分别产生的电磁力之和。脉振电磁力y e 可表示 为式( 2 4 ) 。 c ：c r c _ o g i g l o 广f e - ：p 一 f l i 1 - c o s 2 ( c o t 一秒一层x + 秒) 一屏s i n 2 ( c o t 一秒一屏工+ 护) + 尼 1 一c o s 2 ( c o t r y 一屈x + 9 + 1 2 0 。) 卜屏s i n 2 ( c o t r y f l j x + 秒+ 1 2 0 。) ( 2 _ 4 ) + 屈 1 一c o s 2 ( c o t r y 一层x + 矽一1 2 0 。) 卜屏s i n 2 ( 耐一r y 一层x + 0 1 2 0 。) 行波电磁力e 可表示为式( 2 - 5 ) 。 c = ! 兰掣e - 2 肛 3 一c 0 s 2 ( a j t 一砂一层z + 秒)( 2 5 ) 一e o s 2 ( c o t r y 一屈x + p + 1 2 0 。) 一e o s 2 ( c o t r y 一屈x + 0 1 2 0 。) 】 铝熔体在该电磁力r 的作用下产生r - h 向的左右运动，促进柱状晶的形成， 只则使得柱状晶折断、破碎。在实际铸造过程中，由于单一的脉振磁场或者单一 的行波磁场都不能达到很好的细化效果例，因此采用行波磁场和脉振磁场复合而 成的特殊交变电磁场。 实验表明，脉振磁场对金属凝固组织形成有很大影响。不但能有消除宏观缩 松现象，减小集中缩孔的侵入深度，而且能增加合金密度，提高铸件的致密性， 硕士学位论文第二章铝合金半连续铸造工艺及网络控制要求 明显细化晶粒。而由于非对称电流产生的电磁搅拌作用，产生了垂直于铝液流动 方向的脉动电磁力。它的存在，一方面大大增加了铝液中的紊流，促进了铝液中 热量的耗散和晶核的形成，阻止了柱状晶组织的形成核生长，从而有利于等轴晶 凝固组织的形成；另一方面，减弱了铝液定向流动对凝固前沿枝晶间溶质的冲洗， 并增强了固液界面之问的换热，提高了铸坯的凝固速度。 2 1 2 复合磁场形成原理 实际上电磁感应装置是依据直线电机的原理设计的，而直线电机在结构上是 从旋转电机演变而来，其工作原理与旋转电机相似。从旋转电机中旋转磁场的形 成原理容易引申出直线电机的行波磁场形成原理，再对由于直线电机的边端效应 而引起的脉振磁场进行分析，可以得到电磁感应装置中复合磁场的形成原理。 ( 1 ) 行波磁场的形成 将图2 2 所示的旋转电机在顶上沿径向剖开，并将圆周拉直，便成了图2 3 所示的直线电机。 、 从 此 处 剖 开 图2 2 旋转电机的结构简图 图2 3 直线电机的基本原理( 1 初级2 次级3 珩波磁场) 在这台直线电机的三相绕组中通入三相对称交流电后，也会产生气隙磁场。 不考虑由铁心两端开断引起的纵向边端效应，这个气隙磁场的分布情况与旋转电 机的气隙磁场相似，即可看成沿展开的直线方向成正弦分布。当三相电流随时间 变化时，气隙磁场将按a 、b 、c 相序沿直线移动。由于这个磁场不是旋转的， 而是平移的，因此成为行波磁场【1 9 捌。 9 硕士学位论文第二章铝合金半连续铸造t 艺及网络控制要求 ( 2 ) 脉振磁场的形成 在直线电机中，由于铁心和安置在槽中的绕组在两端的不连续，各相之间互 感就不相等，即使在初级绕组中通入对称三相交流电压，各相绕组也将产生不对 称的电流【2 l 】。利用对称分量法可以把它们分解为正序、负序和零序电流，对应这 三种电流将有正序正向行波磁场、负序负相行波磁场和零序脉振磁场。 下面详细分析脉振磁场的产生。如图2 4 所示，取三相对称电流通入三相绕 组的情况。设初级绕组的电流密度沿x 轴方向呈正弦分布，则当该电流密度行 波在初级铁芯的两端边界过零( x = 士p r ) 时，相应的磁动势波在边界取得最大值 a t l ，如图2 4 ( b ) 所示【2 2 1 。图中取z 轴正方向作为a t ( 磁动势) 、b ( 磁通密度) 的正方向，y 轴正方向作为j ( 感应电流) 的正方向。 a t ，j a tba t b 肌缈辱抟 锩锩x d 】e ) 图2 _ 4 脉振磁场的形成 分路磁通的气隙磁通密度b 。沿x 轴方向的分布可以认为是不变的，如图 2 - 4 ( d ) 所示。因此，在有效区域内，合成磁场的磁通密度分布曲线b = b + b 。比 原来的e 曲线下移了一段距离b 。当时间经过四分之一周期后，由于上、下铁 芯两端的磁动势减小到零，因此分路磁通不存在，此时气隙中只有行波磁场( 见 图2 4 ( c ) ) 。可以推知，再过四分之一周期后，上、下铁芯两端的磁动势将达到 反向最大，分路磁通。和磁通密度b “也将达到反向最大，而使合成磁通密度 分布曲线b 比原来的曲线e 上移一段距离b 。( 见图2 - 4 ( e ) ) 。由于随着时间的变 化，磁动势曲线相对初级铁芯是移动的，因此在上、下铁芯的端面之间所作用的 磁动势将随时间作正弦变化。与此相对应，分路磁通，。和磁通密度曰。随时间 作正弦脉振。这种磁场在有效区域内与空间位置无关，因此，它与通常的行波磁 场不同，常被称为脉振磁场。 1 0 硕上学位论文第二章铝合金半连续铸造工艺及网络控制要求 2 2 铝合金半连续铸造生产网络监控系统设计要求 2 2 1 生产工艺过程的网络监控要求 铝合金半连续铸造生产系统是一个复杂大系统，包含复合磁场控制系统、直 流辅助电源系统、温度与熔炼控制系统和半连续铸造控制系统等多个地理分散的 子系统【2 5 】。为了达到将分散在现场的多个控制子系统进行综合管理和信息集成的 目的，客观上需要采用分布式网络解决方案，构建一个网络化的生产监控系统， 使分布在不同地域的控制节点和控制系统有机地连接成一体，达到生产过程的管 控一体化的目的。 铝合金半连续铸造生产要求网络监控系统能够很好地保证生产过程的连续 性和监控的实时性，而且要求处理数据量多，所有设备的自动化程度高。同时要 求数据采集周期短，刷新速率快，特别对通讯网络而言，数据传输速率、网络稳 定性和正确性尤为重要【2 6 1 。因此在设计这个网络监控系统时应该满足下述要求： ( 1 ) 可靠性要求 这是网络监控系统设计时首要考虑的性能要求。一方面，监控网络将现场运 行的各种信息传送到远离现场的控制室，同时又将各种控制、维护、组态命令等 送往位于现场的测量控制现场设备中；另一方面，监控机通过通信电缆与工厂管 理层方便地进行数据通信，实现数据资源的共享和传输。这两方面的控制都需要 选择高可靠性的通讯网络及设备。 ( 2 ) 稳定性要求 这是网络监控系统设计时必须考虑的一个非常重要的问题。可以采取硬件或 软件的方法保证网络系统的稳定性，比如采用设备冗余设置，系统可以从一套受 损设备中自动切换到另一套相同设备，从而保证了系统的平稳运行。 ( 3 ) 实时性要求 现场设备层中包含的大量信息需要通过通信网络传递到上位监控机，而且为 了满足任务的实时要求，要求信息的传递必须在一定的通信延迟时间内。因此， 通常采用具有确定的、有限排队延迟的专用实时通信网络。 ( 4 ) 高性价比 基于项目资金和工艺条件的限制，在保证生产高质量产品的同时，选用合理 的通讯网络设备，并且力求获得最优的设备运行条件。 另外在构建网络系统时，还应该尽量考虑到系统的通用性、适应性、可扩展 性等性能指标。 硕士学位论文第二章铝含金半连续铸造t 艺及网络控制要求 2 2 2 复合磁场的控制要求 复合磁场控制系统是铝合金半连续铸造生产系统的关键部分，它处于网络监 控系统的最底层，即现场设备层。设计一套合理的复合磁场控制系统是是产生满 足铝合金半连续铸造工艺所需磁场和实现电磁半连续铸造运作的关键技术之一。 在铝合金半连续铸造生产系统中，通过在铸造区施加复合电磁场，改变铸造 区中的结晶与变形条件，使在凝固过程中生长的枝晶及柱状晶受到机械剪切和振 荡而碎断、剥落，并迅速地均匀扩散到熔体中形成新晶核，从而使得晶粒组织细 化，获得高质量的铸锭。满足上述条件的电磁场是以低频行波磁场为主的复合磁 场。该磁场的移动方向与铸造方向平行，同时叠加了频率较高的脉振磁场。这个 交变磁场在凝固区中沿铸坯轴线的水平和垂直两个方向上都产生磁势。经过多次 改进目前已能达到多次频率叠加、且磁场运动方向可以按工艺要求换向。由于复 合磁场是由电流激发而产生的，所以电流的频率和三相电流的幅值都要求可以单 独连续地进行调节和设定。 电磁低频半连续铸造设备在铸造生产中应稳定可靠，便于操作，装卸方便， 保证连续稳定生产。电磁感应器必须与半连续铸造设备配合良好，并在尽可能小 的电流强度下产生尽可能大的磁感应强度，充分搅拌铝熔体，保证铝带坯晶粒组 织的细化效果。 为了产生符合电磁半连续铸造工艺要求的复合磁场，必须选择适当的电气参 数，设计一个合理的电气控制系统， 复合磁场控制系统的设计要求如下： ( 1 ) 电源：三相变频电源； ( 2 ) 单相电流波形：基波为正弦波，能迭加高次谐波，谐波幅值可在基波幅 值的0 1 0 0 范围内连续可调，并形成工艺要求的电流波； ( 3 ) 单相电流幅值：0 - - 6 0 0 a ，独立可调； ( 4 ) 单相电流基波频率：0 5 - 8 h z ，独立可调； ( 5 ) 电磁换相周期：l - - - 5 个周波内任选； ( 6 ) 换向频率：0 5 - - - 5 h z 范围内任意调节和设定； ( 7 ) 相位差：1 2 0 。； ( 8 ) 铝熔体中通入直流电流为0 1 - - 0 2 a c m 2 。 2 3 本章小结 本章首先介绍了铝合金半连续铸造工艺原理，即复合磁场作用下的半连续铸 造工艺过程，然后分析了铝合金半连续铸造过程中复合磁场形成原理；另一方面， 1 2 硕+ 学位论文第二章铝合金半连续铸造工艺及网络控制要求 结合网络技术与铝合金半连续铸造工艺，得出设计满足铝合金半连续铸造生产实 际需求的网络监控系统设计要求，包括网络监控要求，以及复合磁场的控制要求， 这些将为网络监控系统总体设计奠定理论基础。 硕士学位论文第三章铝含金半连续铸造生产网络控制系统设计 第三章铝合金半连续铸造生产网络监控系统设计 铝合金半连续铸造生产系统是一个复杂大系统，包含着多个地理分散的子系 统，客观上需要将分散在现场的多个控制子系统进行综合管理和信息集成，为此 设计了铝合金半连续铸造生产过程的网络监控系统。 3 1 网络监控系统的总体设计方案 3 1 1 总体方案确定 在现代工业生产控制系统中，信息网络往两个技术方向发展【2 7 2 8 1 。一个是用 于工厂管理层的工业以太网技术，一个是用于底层生产过程控制和信息交换的现 场总线技术。 现场总线是一种现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字 化、智能、双向、多变量、多点和多站的通信系统，真正把控制功能彻底下放到 现场，实现对现场设备的运行状态在线监控，将其诊断数据传给上位机，及时进 行故障诊断，采取有效措施及时排除，将安全隐患降到最低，完全满足生产过程 对底层控制网络的基本要求，实现真正的全分布式系统，为彻底打破自动化系统 的信息孤岛创造了条件。但是现场总线存在标准不统一、难以接入因特网等缺点。 相比现场总线，以太网的最大优势在于它是全世界的网络标准【2 们，具有统一 的通信协议；另一方面又有助于控制系统网络与互联网和其他采用以太网技术的 外网的融合，无需经过通信协议转换即可直接连至互联网和其他外网，实现与 i n t e m e t 的无缝连接。而在工厂自动化控制系统的管理层和监控层，不仅完成数据 传输的功能，还需要根据数据和指令去执行一些控制计算与操作功能，这需要多 个网络节点协调完成，在应用层等高层协议与规范上满足开发系统的要求，实现 互操作，为此引入了以太网，在这些层次采用工业以太网标准。 结合这两个过程和技术内容的不同特点，将它们分别应用于工业生产控制系 统分布式网络结构的不同层次，使其在工业生产控制系统中既发挥着各自的优 势，又相互融合促进，在现场设备层采用现场总线，在监控层加装以太网接口和 技术，共同构成了混合网络控制系统【3 0 】。 混合网络系统的组建采用的方法为：在现场设备层采用现场总线，在工厂管 理层和监控层使用以太网，向上和i n t e m e t 连接，向下读取现场各个控制子系统 的状态信息。现场总线网与以太网之间通过工业以太网交换机或工业以太网模块 连接，实现远程控制。如图3 1 所示为e t h e r n e t f i e l d b u s 混合控制网络组建结构 1 4 硕一l 学位论文第三章铝合金半连续铸造生产网络控制系统设计 示意图。混合网络系统的集成一方面达到了控制信息的共享和综合，实现了设备 的互换性和互操作性，另一方面也满足了不同的控制要求。因此在本系统中采用 混合网络控制系统结构。 网 图3 - 1 混合网络组建结构示意图 图3 1 所示的混合控制网络结构为系统的全分散、全开放和不同种类的现场 总线系统集成创造了条件。但由于现场总线和以太网有很大的不同，还必须解决 它们之间的异质互连问题。可以通过引入网关来解决这个问题，图3 2 所示为混 合网络控制系统采用的互联模型。在这个混合网络互连模型中，以太网互联参考 模型中应用层下面的传输控制、i p 路由等层，对应用程序是完全透明的，并且 应用层是由程序自定义的。网络上层计算机上的应用程序完全可以根据现场总线 标准，通过软件来模拟现场总线站点，实现计算机应用程序和现场仪表、设备应 用程序的高层互连 3 1 , 3 2 】。因而以太网和现场总线的互连，对应用程序而言可以是 透明的，应用程序只是知道不在同一网段上，而不会感觉系统是由两种网络构成。 网关模型 虚拟站点模型 虚拟站点虚拟站点 系统 现场总线 系统 现场总线 管理虚拟