（控制理论与控制工程专业论文）水平连铸机列伺服控制系统的设计与应用.pdf

论文题目：水平连铸机列伺服控制系统的设计与应用 专业：控制理论与控制工程 硕士生：屈浩( 签名)区：生 指导教师：侯媛彬 ( 签名) 4 色型埤 摘要 本课题是以湖北十堰益民铜材厂的3 撑水平连铸机列的自动控制系统为背景，按照工 艺要求设计并实现了水平连铸机列的自动控制系统，其中包括对牵引机、卷曲机和液压 站等设备的控制。在分析了国内外连铸机控制方法的基础上，设计了一种基于西门子 s 7 3 0 0p l c 、富士u g 4 2 0 触摸屏及伦茨e v s 9 3 0 0 系列伺服控制器的水平连铸机列伺服 控制系统，这种方法针对传统铸坯震荡方式定位精度不高而造成带坯质量低以及现场线 路复杂等问题，提出了在s i e m e n ss 7 3 0 0 主站、触摸屏、伺服控制器之间采用2 m b p s 的p r o f i b u s d p 总线连接的控制方案，实现了自动控制设备间信息高速稳定的传递。 硬件方面，在分析了系统的控制对象的基础上，以西门子s 7 3 0 0p l c 为控制核心， 设计了一种基于p r o f i b u s d p 通讯网络的现场总线控制系统，该网络中包括用于过程计 算和控制的可编程序控制器s i e m e n ss 7 3 0 0p l c 、富士u g 4 3 0 h 触摸屏和伦茨 e v s 9 3 0 0 系列交流伺服控制器，并选用德国伦茨公司交流伺服电机、减速机、制动单元、 旋转变压器等硬件设备。 软件方面，在s 7 3 0 0 编译环境s i m a t i cs t e p 7v 5 4 下，进行了p l c 软件的设计 与调试，实现了硬件的配置和整个系统的所有控制功能；实现了触摸屏监控软件的设计； 通过g d c 对伦茨伺服控制器的编程及参数调整，实现了对伺服电机的控制要求；通过 对s i m a t i c 的硬件组态，实现了作为系统主站的p l c 与作为系统从站的触摸屏和伺服 控制器之间的p r o f i b u s 通信。 通过对设计的“水平连铸电控系统 的电气安装及现场调试，表明该系统运行稳定， 实现了预期的全部功能；现场的实际应用表明，它对提高水平连铸设备生产效率、保证 产品质量具有积极的意义，取得了较好的结果。 关键词：s 7 3 0 0p l c ；触摸屏；伺服控制器；水平连铸；现场总线；p r o f i b u s ； 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h ed e s i g na n d a p p l i c a t i o no fs e r v oc o n t r o ls y s t e mi n h o r i z o n t a ic o n t i n u o u s c a s tl i n e s p e c i a l t y ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g n a m e ：q uh a o i n s t r u c t o r ：h o uy u a n b i n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) t h es u b j e c ti sm a d eu n d e rt h eb a c k g r o u n do fn o 3h o r i z o n t a le o n t i n u o u s c a s tl i n e a u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fs h i y a ny i m i n gb r o n z ef a c t o r yi nh u b e i p r o v i n c e a na u t o m a t i o n c o n t r o ls y s t e mo fh o r i z o n t a lc o n t i n u o u s - c a s tm a c h i n ei sd e s i g n e da n dr e a l i z e da c c o r d i n gt o t h et e c h n i q u ed e m a n d s al o to fd e v i c e si n c l u d i n gd r a f t e r s ，m i l l i n gm a c h i n e ，c r i m p e r , h y d r a u l i cs t a t i o na n ds oo na r ec o n t r o l l e di nt h es y s t e m b ya n a l y z i n gc o n t i n u o u s - c a s tc o n t r o l m e t h o da th o m ea n da b r o a d ，ah o r i z o n t a lc o n t i n u o u s c a s tl i n ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d b a s e do nt h ed e m a n d so fm a n a g e m e n ta n d m o n i t o r i n gi nm o d e mm e t a l l u r g yf e l d t h es y s t e m i sb a s e do ns i m a t i cs 7 3 0 0p l c ，f u j iu g 5 2 0h m ia n dl e n z e9 3 0 0 e ps e r v 0c o n t r o l l e r b a s e do nt h ep r o b l e mt h a tt r a d i t i o n a lc a s t i n gi sn o ts oa c c u r a t et h a tt h ep r o d u c t sa r eb a di n q u a l i t ya n dt h a tt h ef i e l d sc i r c u i t s a r ec o m p l e x ，an e wm e t h o di s p r e s e n t e d i nt h en e w m e t h o d ，2 mp r o f i b u s - d pb u si su s e da m o n gs i e m e n ss 7 3 0 0m a s t e rs t a t i o na n ds l a v e s t a t i o n , h m ia n df u l l yd i g i t a ld r i v e re q u i p m e n t i nt h i se a s e ，t h ei n f o r m a t i o nc a nb e t r a n s m i t t e dw i t h i na u t o m a t i o nc o n t r o ld e v i c e ss t e a d i l ya tah i g hs p e e d a st ot h eh a r d w a r e ，af i e l db u sc o n t r o ls y s t e mb a s e do np r o f i b u s - d pc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ki sd e s i g n e db ya n a l y z i n gt h ec o n t r o lo b j e c to ft h es y s t e m i nt h es y s t e m ，s i e m e n s $ 7 - 3 0 0p l ci st h ec o r eo fc o n t r 0 1 i nt h en e t w o r k , t h e r ei sa1 0 to fh a r d w a r ei n c l u d i n g s i e m e n ss 7 3 0 0p l c ，f u j iu g 4 3 0 hh m i ，l e n z ee p 9 3 0 0a l t e r n a t i n g - c u r r e n ts e r v oc o n t r o l l e r , a l t e r n a t i n g - c u r r e n ts e r v om o t o r ，d e c e l e r a t i o nd e v i c e ，b r a k eu n i t s ，r o t a t i o nv o l t a g et r a n s f o r m e r a n ds oo n i nt h eh a r d w a r e ，s i e m e n ss 7 3 0 0p l ci sak i n do fp r o g r a m m i n gl o g i cc o n t r o l l e r , a n di ti su s e df o rp r o c e s sc a l c u l a t i n ga n dc o n t r o l ，a n df u j iu g 4 3 0 hi su s e da sm o n i t o r i n t e r f a c e a sf o rt h es o f t w a r e ，i nt h ec o m p i l i n ge n v i r o n m e n ts i m a t i cs t e p 7 v 5 4o f $ 7 3 0 0 ，t h e p l cs o f t w a r ei sd e s i g n e da n dd e b u g g e d ，a n dt h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n da l lt h ef u n c t i o n s o ft h es y s t e ma l er e a l i z e d t h em o n i t o r i n gs o f t w a r eo fh m ii sd e s i g n e d b yp r o g r a m m i n gt h e l e n z es e r v oc o n t r o l l e ra n da d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r si ng d c ，t h es e r v om o t o rc a nb e c o n t r o l l e da c c o r d i n gt ou s e r s d e m a n d s b yc o n f i g u r a t i o no fs i m a t i ci nh a r d w a r e ，p f o f i b u s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li su s e db e t w e e nm a s t e rs t a t i o na n ds l a v es t a t i o n , w i t hp l cb e i n g m a s t e rs t a t i o no ft h es y s t e m ，h m ia n ds e r v oc o n t r o l l e rb e i n gs l a v es t a t i o no ft h es y s t e m i n a d d i t i o n , t h es o f t w a r ep r o c e d u r ed i a g r a mo f e a c hf u n c t i o nm o d e lo ft h es y s t e ma n dp a r to ft h e s o u r c ec o d e sa r ep r e s e n t e di nd e t a i li nt h ep a p e r b yi n s t a l l i n ga n dd e b u g g i n gt h es y s t e mi n t h ef i e l d ，i ti sc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h e s y s t e mc a n r u ns t a b l y , a n da l lt h ee x p e c t e df u n c t i o n sh a v eb e e nr e a l i z e d t h e r e f o r e ，t h ed e s i g n i d e a st u r no u tt ob ec o r r e c t w h a t sm o r e ，b yt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n si nt h ef i e l d ，i ti sp r o v e d t h a tt h es y s t e mc a np r o m o t et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fh o r i z o n t a lc o n t i n u o u s - c a s td e v i c e s ， a n dc a ng u a r a n t e et h eq u a l i t yo fp r o d u c t s ，a n dt h ee f f e c ti ss a t i s f a c t o r y k e y w o r d s ：s 7 3 0 0 p l ch m is e r v oc o n t r o l l e rh o r i z o n t a lc o n t i n u o u s - c a s t f i e l d b u sp r o f i b u s d p t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：舀；毫 日期：抄矿扩矽甜 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 烤 指导教师签名： 1 疆卅 h g 年辱月咯日 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 绪论 进入二十一世纪，铜加工业面临着重大抉择，铜材市场需求向深层次宽领域拓展， 环境和资源对铜加工行业发出了新的呼唤，提出了新的要求，这都需要先进技术装备的 支持。国内外经验表明，采用新工艺、新技术、新型设备是达到高产、高效、优质、节 能降耗和低成本的目的有效办法 h 1 2 。近几年来，市场对铜带需求量不断增加，企业原 有的生产规模和技术水平已无法满足市场的需求，因此，湖北十堰益民铜材厂在原有生 产基础上投资新建了水平连铸生产线。本课题正是来源于“湖北十堰益民铜材厂3 群水平 连铸机列电控系统项目。 我国自加入w t o 以来，己逐渐成为世界的加工中心，特别是金属加工业得到了蓬 勃的发展，在我国很多地方有许多中小型铜加工企业，这些企业由于资金和历史的原因， 水平连铸控制系统大多仍采用继电器控制，该控制方式有很多弊端，首先，绝大多数继 电器会由于长期工作造成磨损和处于疲劳状态，很容易损坏，而且继电器的触点容易产 生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果【3 】。其次，对一个装有上百个继 电器的设备，其控制柜将是庞大而笨重的，在全负荷运行的情况下，大的继电器将产生 大量的热量和噪声，同时也消耗了大量的电能，并且继电器控制系统必须是手工接线、 安装，即便有简单的改动，也需要花费大量的时间和人力物力去改线、安装和调试。而 且这种控制系统响应时间较长，精度不够，没有人机界面。这样就极大地影响了铜坯的 质量和生产效率，近几年铜原材料价格猛增，使这些中小型铜加工企业与其他现代化企 业的竞争中不能占据有利地位，如何进行技术更新困扰着这些企业。 近几年来，水平连铸机列不仅在数量上增长很快，而且在生产技术上的发展也是非 常迅速，其特点是设备大型化、生产高速化、工艺连续化和控制自动化。国内外在提高 设备的稳定性和生产效率等控制技术上取得了许多新的发展，随着现场总线技术及数字 传动装置在水平连铸机列上的应用，对简化设备现场的连线，降低设备的故障率、运行 成本，提高设备的可靠性、稳定性、生产效率起到了极大的促进作用。水平连铸在铜加 工工业中能优化工艺流程，提高产品质量、生产效率和经济效益，它对加强炼铜与轧铜 之间的生产衔接具有重大意义【4 】【5 】。连铸技术的完善与发展已经提高了生产效率，改善 了铸坯质量。在连铸机列控制技术中采用了智能化控制手段，从品种规格和产品质量等 方面强化炼铜与轧铜之间的衔接，从而可以提高经济效益。 随着材料技术、电力电子技术、控制理论技术、计算机技术、微电子技术的快速发 展以及电机制造工艺水平的逐步提高，交流伺服控制系统逐渐成为水平连铸机列的主导 西安科技大学硕士学位论文 控制手段。本系统采用p l c 和伺服控制器来控制伺服电机的正转、反转、停止，利用 了p l c 具有自动化程度高、控制精度高、易于设置、易于管理的特点以及现场总线的 开放性、交互性、自治性、安全性的优点，在各设备之间实现了p r o f i b u s 总线通讯网络 的连接【6 】【7 1 。该系统是连铸控制的一个大型系统，不论是点数、数据采集的类型，还是 通信都完整地体现了该系统强大的控制功能，大大提高了牵引精度和输出响应，还采用 了人机界面更作为友好的触摸屏作为监控设备。本系统可以在不停机时改变牵引速度和 牵引距离，很好地保证了由于铜原料变化、铸造温度的波动或冷却强度的变化而造成的 铸锭表面开裂等问题，从而最大限度地提高了成品率【8 】。 1 2 铸铜水平连铸技术概述 连续铸铜是把冶炼好的铜水直解、连续浇注成铸坯的工艺过程。铜水被连续不断地 浇注在一个或几个实行强制冷却的结晶器内，待铜水凝成一定厚度的坯壳后，凝壳便与 引锭头粘结在一起，用拉坯辊咬住引锭杆，伺服装置牵引拉坯装置，这样铸坯就会连续 不断地从结晶器中被拉出来，形成各种不同断面的铸坯，这就是铜的水平连铸过程【8 】。 这种连续铸铜工艺的出现及快速发展是对传统铸铜工艺的重大突破，不但可以大大 提高生产效率，还可以提高铸坯的质量，在实现连铸和连轧的连续化生产时，还能大大 地节约能源。随着连铸技术的不断发展，使得连铸工艺日益完善，并在大型化、机械化 和自动化方面有了较大的突破，铸机的高度经历了一个从立式连铸、弧形连铸到目前的 水平连铸的发展过程，其高度不断地降低 9 1 1 4 1 。水平连续铸铜系统是铸铜技术与计算机 控制技术相结合的产物，不但提高了铸铜生产的自动化水平，并且可以显著地节能。 1 2 1 铸铜水平连铸技术的基本原理 水平连铸设备是高度最低的铸机，其工艺中心线完全为水平线。水平连铸机的主要 设备有：熔化炉、保温炉、结晶器、牵引机、切割机、双面铣、卷取机等。其结构示意 图如图1 1 所示。 ( 1 ) 保温炉：它将铜液保持在拉铸温度，一般采用工频感应炉，其额定电功率由炉 子的容量决定，1 5 t 炉子的电功率约为2 5 0 k w 。 ( 2 ) 结晶器：它由紫铜水冷套和石墨内模组成。铜液在石墨模内迅速冷却结晶形成 铸坯，铸坯的形状和尺寸由石墨模决定。冷却强度和均匀程度对铸坯质量和结晶速度影 响很大，它是保证铸坯质量的关键设备之一。 ( 3 ) 牵引机：它包括牵引电动机和两对牵引辊两大部分。牵引电动机通过谐波减速 器传动两对牵引辊，平稳夹住带坯按一定的工作方式进行拉铸，控制牵引电动机的速度 就可以实现所要求的牵引工作方式，这是伺服控制系统的主要任务。 ( 4 ) 双面铣床：它由进给辊和上下铣刀组成，它夹紧带坯匀速给铣刀喂料。交流电 2 1 绪论 动机传动上下铣刀高速旋转，将铸坯上下表面铣削l m m 左右，保证表面平整光洁，利 于后续冷轧加工，得到高质量的铜带。 ( 5 ) 剪切机：采用液压驱动，6 5 0 x 1 4 ( m m 2 ) 断面的锡磷青铜带坯，额定剪切力为 1 5 t 。由计算机根据带坯长度换算为重量，达到设定的剪切重量就发出控制信号，使剪 切机动作，得到给定卷重的坯料。 ( 6 ) 卷取机：它使连铸带坯成卷，使水平连铸生产能连续进行，其结构为三辊卷取 机。卷取机安装在滑动轨道上，轨道两端装有行程开关，构成控制系统，使平均卷取速 度和平均拉铸速度同步。 i 编器n 恁 l 熔化炉 u _ 查己l 知对而锭浦1前卷廓| 图1 1 水平连铸机列结构示意图 其中牵引机及其控制系统是水平连铸机的关键部件和核心设备。结晶器的一端固定 在中间保温包的前壁上，另一端固定在冷却系统上。金属液经由结晶器入口进入型腔， 在结晶器中凝固后由牵引系统拉出结晶器，得到铸坯【l o j 。在水平连铸中，结晶器与中间 包紧密连接，结晶器前端有一个陶瓷分离环。铜坯凝固是从分离环和结晶器之间的角落 里( 称为三重点) 1 1 】开始的。分离环的热传导与拉坯方向相反，金属液分别在分离环处 和旧坯壳处凝结。由于分离环与己凝固坯壳的冷却条件不同，金属液从两边结晶的速度 也是不一样的，故两个结晶面在某点汇合，此处为沿拉坯方向上坯壳厚度的最薄处( 称 为热点) 0 2 1 ，随着两个结晶面的长大，热点也随之发生移动。如果拉坯时热点强度不 够，坯壳将在此处断裂。为此，在拉坯过程中对铸坯实行暂停或反推，可使热点坯壳继 续增厚，新老坯壳稳固联结，再继续拉坯时，就能把整个新形成的坯壳与分离环脱开， 又开始下一个拉坯周期。如此反复实现连铸拉坯。这样在分离环处结晶的坯壳在铸坯表 面留下了明显的标记。如果新旧凝固壳焊合不良，特别是初生坯壳与分离环和结晶器接 触的三重点温度过低而导致焊合不良，会产生裂纠乃儿副。 由此可见，为了提高拉坯速度，保证铸坯质量，就必须采用间歇拉坯方式，即在一 个拉坯周期内作拉停推停的动作。 1 2 2 铸铜水平连铸生产线设备及工艺发展概况 1 9 5 2 年a n m y a s s o y d o v 和l r d u d i k 提出了灰铸铁型材的连续铸造设想，1 9 5 4 年 3 西安科技大学硕士学位论文 h a r o l d a d r e w s 公司解决了结晶器的密封系统，成功地用于垂直系统的连铸机，接着英 国的s h e e p b r i e d g ea l l o yc a s t i n g 公司又将水平连铸机投入生产【1 4 儿引。1 9 5 8 年由瑞士的 w e r t l i 公司设计制造出第一台目前普遍应用的短结晶器的密封式水平连续铸造机，以后， 前苏联、美国、日本也引进了此项技术。德国的t e c h n i c a - g u s s 公司的水平连续铸造机 有5 4 种类型，分布在3 0 多个国家，其中三分之一用于铸铁，每条生产线只需1 - 2 人控 制【1 4 】【8 】。瑞士的w e r t l i 公司已制造了1 3 0 台水平连铸机提供给世界2 0 多个国家应用， 不仅生产灰铁、球铁，而且掌握了生产高c r 及n i 的白口铸铁生产工艺【1 5 1 。拥有比较成 熟和先进的铸铁型材连续铸造技术的主要国家有瑞士、德国、美国、日本等工业发达国 家。1 9 9 0 年，国内第一条铸铁型材生产线由西安理工大学铸铁研究所自行研制开发制造 成功。1 9 9 2 年，z s l 0 2 型连铸生产线正式研制开发成功，并向国内7 家推广。1 9 9 4 年 底安装在西安理工大学新华安公司的z s l 0 2 型连铸生产线正式投产运行，能够生产 4 0 2 5 0 m m 、5 0 x 5 0 至2 0 0 x 2 0 0 及相应尺寸的矩形、六方形及其他等截面的各种牌号灰铸 铁、球墨铸铁型材【1 6 】【1 。7 】【墙】。 同其它各种技术的发展一样，连铸技术及现场总线技术、全数字传动装置的发展也 经历了由低到高的发展过程。 第一阶段：2 0 世纪三十年代以前，近代水平连铸机列的控制理论处于萌生期。在这 一阶段，水平连铸的装机水平较低，传动的控制以简单的控制为主，无法实现动态下的 高精度的铸造定位，由于当时各种检测手段尚不完善，水平连铸机列( 包括牵引机，铣 床，以及卷曲电机) 的调整和过程的适时调节主要是凭借操作人员的经验进行的，然而 单凭经验很难达到较高要求，以至于水平连铸机列的各项技术指标都比较低。 第二阶段：2 0 世纪三十年代到六十年代，是水平连铸机列的初步发展阶段。该阶段 中水平连铸机列的控制理论的发展和完善为板带连铸的自动控制奠定了基础，同时，随 着自动调节理论和技术的发展，并逐步应用于水平连铸机列的控制过程，使水平连铸机 列的控制步入了常规模拟式调节的自动控制阶段。单回路的各种调节系统不断出现，主 要体现在对牵引机速度调节系统，位置调节系统等。这些自动调整系统的实现，为完善 水平连铸机列的自动控制提供了先决条件。该时期的水平连铸机列控制技术还很不成 熟，水平连铸牵引速度低，主要采用单回路的速度和位置调节系统，并没有出现有一定 精度的定位检测元件，控制精度非常低，动态性能非常差。 第三阶段：从二十世纪六十年代起，这一时期由于机械、电气等一系列技术问题得 到相应的解决，水平连铸机列的自动化也进入了一个新阶段。主机的调速系统由电动机 放大机发电机电动机调速系统，发展到晶闸管电动机的调速系统，对工艺参数的控制， 也由人工手动加上单机自动化阶段进入到单机自动化、程序逻辑控制器和计算机并存的 新时期。这一阶段也是电液伺服和步进电机伺服系统的全盛时期【1 9 1 1 2 0 。电液驱动具有惯 性小、反应灵敏、刚性好等特点。但电液驱动设备复杂，效率低，发热大，噪音大，维 4 1 绪论 护困难。步进电机开环伺服系统，具有结构简单、价格低廉、使用维修方便的优点，在 当时被大力推广。 第四阶段：从二十世纪七十年代起至今，水平连铸机列已进入高速、巨型水平连铸 机列的领域，不仅在工艺和设备等方面取得很大的进步，而且在整个生产控制过程中采 用计算机、p l c 、现场总线技术，使高速、高精度的过程控制成为可能。8 0 年代以后， 由于交流( a c ) 伺服电机的材料、结构、控制理论及方法均有突破性进展，使交流伺 服系统得到很快发展，并有逐渐取代直流伺服系统之势。交流伺服系统最大的优点是电 机结构简单，不需要维护，适合在较恶劣的环境中使用【2 1 2 2 1 。 连铸是炼铜生产的最复杂过程之一。近几年来，世界各国为了以不同方式利用数学 模型和数学模拟来描述炼铜工艺过程做出了不少努力。在一些领域获得了良好的模拟效 果，这些模型经过了物理模拟和实际测量数据检验。近年来，随着计算机技术的快速发 展，研制出了越来越复杂的数学模型。完善后的模型然后可以用于有序工艺过程控制和 优化。 我国在高精度水平连铸技术方面也作了大量的研究开发工作。新中国成立后为实现 工业化，从国外引进了大型冶金设备和技术，我国技术人员经过多年的研究，在此基础 上结合我国的实际情况，提出一些有关提高产品精度的基础理论，自行开发出先进的工 艺装备，其中有些技术已达到或超过国外的先进水平。但总体来说，许多理论问题以及 所采用的先进技术，有待进一步研究。自行研制的水平连铸机组技术含量不高，生产出 的产品竞争力不强，尚不能令人满意，设备自动化水平、产品质量稳定性、控制精度等 有待提高，许多理论和技术上的问题还有待研究 2 3 1 5 1 。 1 3 主要研究内容 随着金属加工业的发展，对水平连铸带坯成品质量的要求越来越高。传统的金属连 铸生产是用模拟控制，直流电动机作牵引动力，由于响应时间的误差，影响拉出的带坯 的质量。若改用数字控制和伺服电机驱动，可以缩短响应时间，提高动作的准确度，从 而提高带坯的质量，还能大大减少故障率、降低能耗、减少成本，是一种值得推广的先 进方法。在本论文的研究工作中，主要完成了p l c 控制系统的硬件配置、控制程序设 计及通信网络的组建工作以及伺服装置的控制，并完成了最终的调试过程。其主要内容 如下： ( 1 ) 研究连铸机列的工作原理，通过对连铸机列的生产过程和工艺的分析，进一步 研究连铸机列对工艺精度要求的影响、机列控制问题和控制参数的检测问题。 ( 2 ) 进行连铸机列p l c 控制系统的硬件选型，通过对伺服控制系统的技术分析和对 控制系统的组成原理的研究，对控制系统进行硬件配置，进而设计系统的控制原理图。 ( 3 ) 设计并实现连铸机列控制系统的软件，包括触摸屏监控软件的设计和p l c 的控 5 西安科技大学硕士学位论文 制软件的设计，重点研究对伺服电机的控制问题和控制算法的软件设计。 ( 4 ) 采用p r o f i b u s 现场总线实现p l c 与触摸屏以及各传动装置之间的p r o f i b u s d p 网络通信。 ( 5 ) 设计触摸屏界面，包括参数调整界面、逻辑控制界面、生产监控界面等。操作 人员通过对触摸屏的操作，可以实现对现场的监控。 ( 6 ) 在现场完成了整个系统的调试工作，解决了整个调试过程中所遇到的问题。 6 2 系统的控制要求分析与总体方案设计 2 系统的控制要求分析与总体方案设计 本章首先分析水平连铸伺服控制系统的控制要求和技术指标，包括拉坯方式的选 择、反推的要求等，并对各控制精度进行详细的研究；其次讨论传统的控制手段的缺点， 并在此基础上提出总体的控制方案，包括硬件和软件总体方案。 2 1 系统的控制目标 2 1 1 水平连铸机的拉坯方式要求 根据水平连铸拉坯理论，牵引系统采用非连续的拉坯方式。水平连铸设备按结晶器 振动方式可以分为两种类型，一种为结晶器与中间包联合振动式铸机；另一种为结晶器 与中间包固定不动，采用间歇拉坯方式的铸机。间歇式拉坯方式由基础动作“拉和另 外两个基本动作“停、反推 中的一个或两个组合而成。按照工艺要求，本次设计采用 拉停推停式间歇拉坯，我国国内的水平连铸机多采用此种拉坯方式。拉坯方式如图2 1 所示。 v 图2 1 水平连铸机列拉坯方式示意图 图中t 1 、t 2 、t 3 为拉坯过程，t 4 为推程停止时间，t 5 为推程距离、t 6 为推程停止 时间，拉程范围：o - 4 3 m m s ，推程范围：0 - 4 3 m m s ，工艺要求参数可任意修改( 拉坯 生产前设定和生产过程中在线修改) 。 正确地选择反推量和反推速度，在拉坯过程中监视反推量的数值，是拉坯工艺中的 重点。因为反推量能将坯壳压胀，从而减小坯壳与结晶器内壁的间隙，提高导热效果和 拉坯速度。及时的反推，可以及时补缩铸坯的冷缩量，消除冷缩热应力，焊合热裂纹， 保证铸坯质量。反推量正常，可以减少拉坯阻力，有“松脱 坯壳的作用【1 2 】。 拉坯方式的选择是与金属强度有关的。对于强度高的金属，选用拉推拉推的拉坯 方式较为合适；对于强度低的金属用拉- 停一推- 停的方式较为理想；对于中强度的金属， 7 西安科技大学硕士学位论文 选用拉推停推的拉坯方式更为合适。振荡式类似弧形连铸机拉坯方式，双反推式是我 国研究反推作用研究的一种新式拉坯模式。这种拉坯方式的特点是 2 1 1 6 】： ( 1 ) 拉完之后紧推，可以及时补偿初期坯壳的冷缩量，为热点焊合制造更好的条件， 减小铸坯表面的冷隔热隔等缺陷； ( 2 ) 推之后有较长的停推时间，使热点有充分的冷却时间从而使热点加厚，使之具 有足够的强度而不被拉裂； ( 3 ) 停推之后又一次反推，可以再一次补偿中停时间冶金长度全长铸壳的冷缩，并 将铸壳推松，降低拉坯阻力； ( 4 ) 在拉坯过程中有两次铸壳压胀，更有利于减少结晶器内的气隙，提高结晶器导 热能力。 2 1 2 反推的要求和作用 ( 1 ) 反推 在连铸拉坯生产过程中，为使坯壳与结晶器内壁顺利“脱模 ，在每一个拉坯周期 内，铸坯与结晶器之间都有一个沿拉坯方向相反的运动。为完成这个动作，弧形连铸机 是靠结晶器的振动来完成的，结晶器作正弦波振动，拉坯机等速拉坯，当结晶器向下振 速大于拉速时，坯壳与结晶器冷却套内壁间产生负滑脱；而在水平连铸中，结晶器一般 是静止不动的，要完成这个动作，就要靠拉坯机的反向动作驱动铸坯反向运动来完成， 在水平连铸工艺中将这个动作简称为反推【1 4 1 。 ( 2 ) 反推的作用 反推是水平连铸工艺中特有的拉坯动作。水平连铸的反推类似于弧形连铸的负滑 脱动作，起到松脱坯壳，减小拉坯阻力的作用。在连铸生产时，由于钢水静压力的作用， 会将坯壳压胀，坯壳与结晶器冷却套内壁是紧密相连的，如没有反推或负滑脱动作，坯 壳与结晶器冷却套内壁粘接力加大，使拉坯阻力增大，严重时会将坯壳拉裂，造成铸坯 表面重皮和结疤。 在水平连铸的一个拉坯周期中，由于存在着拉、停、推动作，坯壳表面会产生冷 隔和热点裂纹，加入反推动作后，可减轻冷隔和热点裂纹深度。 在坯壳拉出结晶器后，当冷隔和热点裂纹处坯壳强度不足以抵抗拉坯机的拉力 时，会造成拉漏、拉断等生产事故，加入反推动作后，使冷隔和热点处的坯壳厚度增大， 提高此处的坯壳强度。 在水平连铸中，铸坯从分离环开始到拉坯机间一直会凝固收缩，所以在拉坯动作 中加入反推动作，可以补偿收缩量。 从生产能力来讲，带反推动作的拉坯方式由于拉坯阻力小，坯壳表面与结晶器冷 却套内壁间粘接附着力小，可以采用较高拉坯速度进行拉坯，因此生产效率高，而不带 8 2 系统的控制要求分析与总体方案设计 反推的拉坯方式只能采取较低拉速，生产效率较低。 所以，在设计本次水平连铸工艺控制中反推动作不可缺少。 2 1 3 控制精度要求 牵引机是水平连铸的关键设备之一。它必须要实现精确而可重复的运动，并将这些 运动精确的传递给铸坯，因此它的工作特性直接影响着连铸工艺是否能正常进行，并影 响着连铸坯的产品质量，必须采取伺服控制系统。水平连铸对牵引系统的要求如下： 工艺要求：从浇注开始，随着三重点温度的上升，等待若干秒钟后，开始起铸。从 开拉之后，在较短的时间内要过渡到正常的高速拉坯。整个起铸过程拉速平稳，再实现 高拉速，得到尽可能高的平均拉速，以获得表面质量和内部质量较好的铸坯。特别是获 得稳定可靠的结晶器前沿初期坯壳，以减少拉坯阻力。其拉坯实际动态曲线如图2 2 所 示。理想动态曲线如图2 3 所示。 u 0 u o 图2 2 牵引机实际动态曲线图2 3 牵引机理想动态曲线 设备要求：要求设备系统准确无误地执行工艺设计的牵引动作，易于调节牵引过程 中适应各阶段拉坯工艺的工艺参数；对牵引动作偏离工艺要求应能自动调整，使之及时 恢复正常，特别是牵引动作的再现性和多辊伺服驱动的同步性。 为了满足上述要求，牵引机伺服驱动系统除了需要满足一般伺服驱动装置机械的要 求外，还有以下特点：要有较高的传动精度，拉程与反推量控制精度要求不超过o 1 m m ， 暂停时间要求控制在0 1 s 以内。因此伺服驱动减速机要采用无间隙传动，最好是直接传 动；牵引机处于高温工作区，要求要有较好的防护措施，如加装良好的完善的循环冷却 水装置，防止铸坯热辐射的影响；由于铸坯表面温度较高( 1 1 0 0 。c - 1 2 0 0 c ) ，为避免把 铸坯压扁，所以对铸坯的传动辊压力要求合适。为了增加伺服驱动力矩，一般小断面铸 坯采用双对辊。根据铸铜凝固的特点及连铸生产的过程，对牵引机拖动控制系统的要求 可归纳为： ( 1 ) 速度给定控制： 正常稳定生产时拉拔速度v = o , 一4 3 m m s ，反推速度v = o , - 4 3 m m s 并连续可调，以 满足不同直径铸铁型材生产及不同生产率拉拔调整的要求。带坯平均速度 1 6 0m m m i n 。 拉拔运动平稳，以保证拉拔步长基本恒定，避免生产中裂纹、疤皮等缺陷的出现。 9 西安科技大学硕士学位论文 牵引机行程精度 l m m ，带坯横向尺寸偏差 隔离变压器：2 2 0 2 2 0 v1 5 0 w 。 主变压器：3 8 0 2 2 0 v 3 p 。 制动单元：e m b 9 3 5 2 e p r o f i b u s 通讯模块：e m f 213 3 i b 交流接触器：3 t b 4 0 2 2 0 x m 0a c 2 2 0 v 熔断器：r t l8 3 2 x 6 a 断路器：5 s x 23 0 6 8 c c 直流电压表：c p c 9 6 v - + 1 0 v 按钮：l a 3 9 ( b ) 一1 0 g 指示灯：a d l 6 - 2 2 d r 2 3d c 2 4 v 3 2 水平连铸机列伺服控制系统控制原理图的设计 电气控制柜是整个系统中非常重要的一部分，它将系统中主要的控制仪表集中在一 起，供操作员察看或操作。同时触摸屏、一些报警灯、开关和急停按钮等也集中在控制 面板上，当发生报警时可以及时快速地得到处理。总之，与操作相关的弱电部分基本都 集中在控制柜。在本次设计的控制系统中，主要分为两部分控制柜的设计，一个是p l c 控制柜的设计，另一个是传动控制柜的设计。详细电气控制原理图见附录所示。 1 8 3 水平连铸机列伺服控制系统的硬件设计 3 2 1p l c 控制柜原理图设计 在p l c 控制柜中包括了水平连铸系统非常重要的组成部分。根据实际生产需要， 设计出控制系统控制原理图。它是由输入环节、执行环节等组成。控制系统主要由两部 分组成： ( 1 ) 输入环节 按生产工艺要求，各个信号及动作的输入与各被控对象之间相互制约，其中这些输 入包括限位开关、变送器、输入按钮等，各工作程序之间的逻辑运算和控制均离不开输 入信号。所以它是控制系统的主要部分，也是线路设计的重点，所用的元件主要是按钮、 转换开关、行程开关、限位开关等。p l c 的一个输入信号模块接线原理图如图3 5 所示。 牵5 i 机液压剪 台同分用 l #己#钧 手畦 手啦 龋液压站 液压坫 言t 限恤 觥恻1t # 下m 触f 赫位 麦紧夹紧县毡复位启动庠止 辚叮戮瓯 斗抖拌半嘏将晋愕hh 爿斟料群拌卅船 i + t l _ 一 2 0 n 16 e s 73 2 1 1b l 0 0 一o a a o 3 23 33 43 5 3 63 73 83 94 0 1 3 d l l 3 i i l 3 2 1 1 3 。3 1 1 3 4 1 1 3 5 j 】3 6 1 1 3 7 lh i ) d ( 0 9 l x k l o l k 1 l k k l s a 剥翮嘲 卷取机弯曲电机卷取机弯曲电机 1 释珊2 女秀飘 确i 反转l 埔丘j 硼郁融棚后1 曩位后旗t礴扁上| 耻t 黜韧黜i 穰t l 目- l 丘姐啦 图3 5p l c 的输入模块接线图 在图3 5 中，1 0 肚1 3 7 为p l c 的一个输入模块，p 1 、m 1 分别是为该模块供电的2 4 v 直流电源和地。其中i o 0 - 4 0 7 用来实现对牵引机的控制，1 0 0 、i o 1 分别用来控制牵引 机的合闸、分闸信号、牵引机的起停，1 0 2 、1 0 3 为两个限位开关，用作控制牵引机的 夹紧信号、i o 4 1 0 6 分别为手动自动切换信号和手动操作推拉信号；1 1 o 1 1 7 用来实 现对液压剪的控制，1 1 0 、1 1 1 为控制液压站的起停的按钮开关，由此来启动液压站。1 1 2 、 1 1 7 分别为一些限位开关，其作用是用来保证液压剪的正常工作，保证生产的安全。 1 9 西安科技大学硕士学位论文 1 2 0 - - 4 2 7 为对l 拌卷取机的操作，1 2 0 、1 2 1 为一个二位的转换开关，用来控制卷曲机的 正反转，1 2 3 1 2 7 为限位开关，用来对卷曲机和带材进行定位。1 3 0 1 3 7 用来对2 撑卷曲 机进行操作，功能和l 群相同。图3 5 是数字量输入模块中的一个，其余的见附录。 ( 2 ) 执行环节 执行环节是直接控制被控制对象的动作和工作的部分，它的主要元件是接触器和电 磁阀和一些指示灯等。这些元件都是由p l c 的输出模块的数字量输出来控制的。p l c 的数字量输出模块如图3 6 所示。 匪k m 7km瑚ok m l 霎k m 3 霉1k 弱m 4 1 睦k m 2 拍王瑟盈 iii 枷il h j 2 ii m 2 ij 糊i 髓l 髓l 蛔i 蝇l 醐i 龇i r 链一p 1 n 戗一7 p tq 0 0q o 1q o 己q 0 4 q 0 5 q 0 6 q o 7h lp l0 1 0q 1 jq 1 己q 1 3q l 4q 1 5 q 1 6 q 1 7h l i23456789oi l坨i 31 4i 51 61 71