（机械制造及其自动化专业论文）热浸锌生产线及自动控制系统设计.pdf

摘要 目前热浸锌生产大多数为手工操作，生产效率低，产品质量不能保证，工作 环境恶劣，工人劳动强度大。因此，需要研制一种自动化热浸锌生产线及自动控 制系统。 本文在调研的基础上，从实际需要出发，改进了传统的热浸锌工艺，研制了 一种热浸锌自动化生产线及控制系统；分析热浸锌工艺过程和要求，设计了热浸 锌生产线；采用i b m p c 机、西门子s 7 3 0 0p l c 设计了一种集散式热浸锌生产 线控制系统；采用c 8 0 5 1 f 0 0 0 型单片机和p i d 控制算法，利用一阶惯性环节和 一个延迟环节近似助镀池和浸锌锅炉体对象，设计了温度控制系统，模拟实验结 果表明该系统的控制精度达到了设计要求；开发了p r o f i b u s 接口，编写了通信软 件，实现了西门子s 7 3 0 0p l c 与上位机的通信；采用w i n c c 组态软件开发了上 位机软件，其良好的人机界面，能够使操作人员在中央控制室的上位机上了解生 产过程，进行故障诊断，设置变频器参数，控制电机的启停等操作，实现了热浸 锌生产线的自动化控制。 计算机控制系统的控制精度和稳定程度都远远高于手工操作，对提高生产效 率和产品质量、降低成本具有显著意义。本系统为热浸锌生产线的自动化控制提 供了一个切实可行的方案，对更大规模的热浸锌生产具有一定的参考价值。 关键词：热浸锌；p l c ；恒线速度；组态软件；变频器 a b s t i - a c t a tp r e s e n t ，m o s to fh o tg a l v a n i z i n gp r o d u c ti sm a n u a lo p e r a t i o n ，t h ep r o d u c t i v i t y i sl o w , q u a l i t yc a nn o tb eg u a r a n t e e d ，w o r k i n ge n v i r o n m e n ti sb a d ，l a b o ri n t e n t i o ni s g r e a t t h u s ，aa u t oh o tg a l v a n i z i n gl i n ea n di t sa u t oc o n t r o ls y s t e mi sn e e d e d b a s e do ni n v e s t i g a t i o na n dp r o d u c t i o nd e m a n d ，t h i sa r t i c l ei m p r o v e dt r a d i t i o n a l h o tg a l v a n i z i n gt e c h n i c s ，r e s e a r c ha n dd e s i g n e dh o tg a l v a n i z i n gl i n ea n di t s a u t o c o n t r o ls y s t e m ；a n a l y s et e c h n i c sc o u r s ea n dd e m a n do fh o tg a l v a n i z i n g ，d e s i g n e d h o tg a l v a n i z i n gl i n e ；d e s i g n e dad i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mo fh o tg a l v a n i z i n gl i n e w i t hi b m - p ca n ds i e m e n ss 7 3 0 0p l c ；u s ec 8 0 51 f 0 0 0m c ua n dp i dc o n t r o l a r i t h m e t i c , u s eas t e p si n e r t i al i n ka n dad e l a yl i n kt oa p p r o x i m a t ep l a t ep o o la n d z i n c - p l a t e d b o i l e r b o d y , d e s i g n e dt e m p e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m ，t h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l to ft h ec o n t r o ls y s t e mi n d i c a t e st h a tt h ep r e c i s i o no ft h i sc o n t r o l s y s t e mh a sr e a c h e dt h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n t ，t h es c h e m ei sf e a s i b l e d e v e l o p e d p r o f i b u si n t e r f a c e ，w r o t ec o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e ，r e a l i z e dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n s i e m e n s es 7 3 0 0p l ca n dc o m p u t e r d e s i g n e dc o m p u t e rs o f t w a r eb a s e do n w i n c cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，i t sg o o dm a n m a c h i n ei n t e r f a c el e to p e r a t o rk n o w p r o d u c t i o np r o c e s s ，d i a g n o s ef a u l t ，s e tu pp a r a m e t e ro ft r a n s d u c e ls t a r ta n ds t o p e l e c t r o m o t o ri nc e n t r a lc o n t r o lr o o m ，r e a l i z e da u t o c o n t r o lo fh o tg a l v a n i z i n gl i n e t h ep r e c i s i o na n ds t a b i l i t yo fc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi sb e t t e rt h a nh a n d w o r k ， t h es y s t e mh a sp r o m i n e n tm e a n i n g si ni m p r o v i n gp r o d u c te f f i c i e n c ya n dp r o d u c t i o n q u a l i t y , l o w e r i n gc o s t s t h i ss y s t e mp r o v i d e saf e a s i b l es c h e m ef o ra u t o c o n t r o lo fh o t g a l v a n i z i n gl i n e ，h a sar e f e r e n c ev a l u et ob i g g e rs c a l eh o tg a l v a n i z i n gp r o d u c t k e yw o r d s ：h o tg a l v a n i z i n g ；p l c ；c o n s t a n tl i n e a rv e l o c i t y ；c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e ；t r a n s d u c e r 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： j 甥 签字日期柳年月罗同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞注王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者虢了动 签字同期： 彳年月肜日 导师签名：翊紊夏 签字日期：办帕黟年月膪日 学位论文的主要创新点 一、采用i b m p c 机，西门子s 7 3 0 0p l c 与c 8 0 5 1 f 0 0 0 型单片机组 合成的小型集散式计算机控制系统实现了热浸锌生产线的自动化。 二、研究了被控对象的温度特性，建立了数学模型，提取了模型参数， 分析了生产线中的关键设备助镀池和浸锌锅炉体的温度控制原理，在 此基础上设计了温度控制系统，实现了温度的闭环控制。 第一章引言 1 1 课题相关领域的现状 1 1 1 热浸锌生产的国内外现状 我国在热浸锌生产方面起步比较晚，8 0 年代中期才着手进行锌铝合金镀层 产品的研发。尽管近年来随着我国国民经济的发展，对热浸锌产品的需求无论从 品种上还是数量上都有很大的提高，但是热浸行业的整体水平仍然很低，提供的 产品从质量到品种同国外相比都存在较大差距l 。 为提高产品质量和劳动生产率并考虑节能和环保等因素，热镀行业普遍采用 了大盘重连续化生产技术、变频调速技术、连拉技术，并在明火加热、沸腾粒子 加热奥氏体化、沸腾粒子加热等温转变、大型工字轮收放线、大盘重倒立式下线、 合金镀层技术等方面有了长足的发展。目前，国外热镀行业正逐步淘汰落后生产 工艺，朝着连续化，集约化，智能化方向发展，并实现了环保清洁型生产1 2 j 。 国内金属制品行业的企业有上万家，其中年产量1 万吨以上，工艺装备水平 较高的企业只有约4 0 家【3 j 。为数众多的中小企业工艺装备水平比较差，至今仍 处于半机械化的状态，自动化水平低，生产过程控制主要依赖操作工人的经验。 生产环境差，工人劳动强度大，产品质量得不到保证。以生产线中的关键设备浸 锌锅来说，先进设备可达5 的精度。而国内精度一般却在1 5 。c 左右1 4 j 。我 国的浸锌设备还存在着很大的改进空间。这就迫切要求我国热浸锌行业尽快提高 工艺装备水平，以期减少生产成本，提高产品质量，满足我国经济建设的需要。 1 1 2 可编程控制器的应用与发展 作为通用工业控制计算机，3 0 年来，可编程控制器从无到有，实现了工业 控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，其功能从弱到强；实现了逻辑控制到数字 控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、 过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控 制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用【5 1 。 ( 1 ) n - n - 丁编程控制器的定义 可编程控制器，简称p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，是指以计算机技 第一章引言 术为基础的新型工业控制装置。在1 9 8 7 年国际电工委员会颁布的p l c 标准草案 中对p l c 做了如下定义：“p l c 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运 算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑 运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟 式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。p l c 及其有关的外围设备都 应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计f 6 j 。 ( 2 ) p l c 的特点 高可靠性是电气控制设备的关键性能。p l c 由于采用现代大规模集成电路技 术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的 可靠性。此外，p l c 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信 息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 p l c 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护1 7 1 。这样，整个系统具有极高的可 靠性也就不奇怪了。 p l c 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备，接口容易，编 程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电 路图相当接近，只用p l c 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器 电路的功能，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从 事工业控制打开了方便之门。 p l c 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系 统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设 备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 f 3 ) p l c 的应用领域 目前，p l c 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制 造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳 为如下几类： l ) 开关量的逻辑控制 这是p l c 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻 辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控制及自动化流 水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水 线等。 2 ) 模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和 速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量( a n a l o g ) 和数字量( d i g i t a l ) 之间的a d 转换及d a 转换。p l c 厂家都生产配套的a d 和 第一章引言 d a 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制f 8 j o 3 ) 运动控制 p l c 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接 用于开关量i o 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制 模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 p l c 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电 梯等场合。 钔过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算 机，p l c 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。p i d 调节是一般闭环 控制系统中用得较多的调节方法。大中型p l c 都有p i d 模块，目前许多小型p l c 也具有此功能模块。p i d 处理一般是运行专用的p i d 子程序。过程控制在冶金、 化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5 ) 通信及联网 p l c 通信包括p l c 问的通信及p l c 与其它智能设备间的通信。随着计算机 控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各p l c 厂商都十分重视p l c 的通信 功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的p l c 都具有通信接口，通信非常 方便。 ( 4 ) p l c 的国内夕 状况 世界上公认的第一台p l c 是1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 研制的i9 1 。限 于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的p l c 主要由分立元件和中小规 模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。2 0 世纪7 0 年代 初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使p l c 增加了运算、数 据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟 悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图 类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继 电器命名。此时的p l c 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 2 0 世纪7 0 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术己 全面引入到可编程控制器当中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型 体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、p i d 功能及极高的性价比奠定了 它在现代工业中的地位。2 0 世纪8 0 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已 获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、 产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增 多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶到1 0 l 。 第一章引言 2 0 世纪末期，可编程控制器的发展特点更加适应于现代工业的需要。从控 制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了 各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合； 从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控 制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化 工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展【l 。 1 1 3 变频调速的发展现状和前景展望 ( 1 ) 全数字化控制系统 随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活当中，人们对数字化信息的依 赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨 骼和肌肉。它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。为了使交流调速系统与 信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速 系统实现全数字化控制1 1 2 j 。 单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。例如由i n t e l 公司1 9 8 3 年 开发生产的m c s 一9 6 系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、 高精度的工业控制。其高档型：8 1 9 6 k b ，8 1 9 6 k c ，8 x1 9 6 m c 等在通用开环 交流调速系统中的应用较多1 1 3 1 。 由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡 尔曼滤波、f f t 、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种 交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。因此，d s p 芯片在全数字化的高性能 交流调速系统中找到了施展身手的舞台i l 训。如1 i 公司的m c s 3 2 0 f 2 4 0 等d s p 芯片，以其较高的性价比成为了全数字化交流调速系统的首选。最近t l 公司推 出的m c s 3 2 0 f 2 4 0 系列产品更将价格降低到了单片机的水平。 在交流调速的全数字化过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角色。s t d 总线、工业p c 总线、现场总线以及c a n 总线等1 1 5 】在交流调速系统的自动化应 用领域起到了重要的作用。 ( 2 ) p w m 技术 p w m 控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是 以各种p w m 控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的p w m 控制方案 就不下十几种，关于p w m 控制技术的文章在很多著名的电力国际会议上，如 p e s c ，i e c o n ，e p e 年会上已形成专题。尤其是微处理器应用于p w m 技术并使 之数字化以后，花样更是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的 正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，p w m 4 第一章引言 控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程1 1 6 1 。到目前为止，还有 新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。 其中，空间矢量p w m 技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小 等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用1 1 。丌。 ( 3 ) 高性能交流调速系统 w f 恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统 基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动静态 性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于，其系 统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控 制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的 性能尚不能令人满意。 考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统【l 引，很难 直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参 考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中励磁 电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变 换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可像直流电动机那样进行 快速的转矩和磁通控制即矢量控制。 和矢量控制不同，直接转矩控制抛弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换， 简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空问矢量理论计算电机的磁链和 转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制【1 9 1 。 尽管矢量控制与直接转矩控制使交流调速系统的性能有了较大的提高，但是 还有许多领域有待研究1 2 0 j ： 1 ) 磁通的准确估计实现 2 ) 无速度传感器的控制方法 3 ) 电机参数的在线辨识 4 ) 极低转速包括零速下的电机控制 5 ) 电压重构与死区补偿策略 6 ) 多电平逆变器的高性能控制策略。 1 2 本课题的目的和意义 热浸锌生产线自动化控制的目的在于控制热浸锌生产工艺过程，提高控制精 度和稳定程度，进而降低工人的劳动强度，提高生产效率和产品的质量。 本系统为热浸锌生产线的自动化控制提供了一个切实可行的方案，对更大规 模的浸锌生产具有一定的参考价值。系统的构建思想和方法对于其他自动化系统 5 第一章引占 也有一定借鉴意义。 1 3 本文的主要研究内容及结构 提出了用i b m p c 机与c 8 0 5 1 f 0 0 0 型单片机组合成的小型集散式计算机控 制系统对现有热浸锌设备进行自动化改造的方案。选用i b m p c 机、c 8 0 5 1 f 0 0 0 型单片机、西门子s 7 3 0 0 p l c 、k 型恺装热电偶、d z 5 1 g 1 型温度变送器、z k - 0 3 触发器、晶闸管等设备对热浸锌生产线进行自动控制系统的硬件设计。生产线要 保证生产的连续性和产品的质量，需要保持工件运动速度和锌液温度的恒定。根 据生产工艺的特点，采用可编程控制器和变频调速技术，并在此基础上进行硬件 电路设计和软件设计。 本文的组织结构如下： 第一章主要阐述课题研究的背景及意义，对热浸锌生产的国内外现状及相关 领域进行分析。 第二章主要介绍热浸锌的生产工艺，并在此基础上详细阐述了热浸锌生产线 的要求。最后介绍生产线的结构原理。 第三章在生产线结构原理上提出了控制系统的总体设计，并详细描述了水平 传动与升降控制系统的软硬件设计。 第四章主要分析了助镀池和浸锌锅炉体数学模型的建立和参数的提取，在此 基础上设计了温度控制系统。 第五章介绍了组态软件w i n c c ，并设计了监控界面。 第六章详细阐述了控制系统的通信实现，通过串行和并行总线实现了上位机 和p l c ，单片机的通信。 第七章详细描述了抗干扰措施。 最后对全文进行总结，指出了控制系统中的一些不足，并提出今后工作的重 点以及研究方向。 6 第二章热浸锌工艺，过程分析及生产线设计 第二章热浸锌工艺过程分析及生产线设计 2 1 热浸锌的工艺过程 热浸锌生产的工艺流程f 2 1 】如图2 - 1 所示。 囹日 圆圆圆审 图2 - 1 热浸锌生产工艺流程图 工件表面脱脂：工件浸锌前表面沾有油污，主要含有硬脂酸及其盐、动物油 ( 如牛油) 、矿物油等。这些物质不仅在酸洗时阻碍酸液与铁锈的充分浸润，而且 也会影响浸层质量，出现局部或大部浸不上锌的质量缺陷。因此在浸锌前必须进 行表面脱脂。低碳工件为保证机械性能在浸前需经过一道退火工序，低碳工件退 火和脱脂在这里一步完成。工件经过马弗炉加热，在退火同时，其表面油脂等有 机物在马弗炉炉膛内被燃烧掉。高碳工件一般经化学碱洗脱脂。油污分为饱和脂 肪酸甘油脂和不饱和脂肪酸甘油脂，它们都可和碱液发生皂化反应被除去。另外 还有非皂化性油，如矿物油、石蜡等，可以利用表面活性剂的乳化作用，脱离工 件表面，进入碱洗液中。提高碱液温度可提高皂化反应速度及其产物的溶解度。 同时碱液温度必须高于油类的滴点( 油开始熔化的温度) ，一般碱液温度应在8 5 以上。较高的温度可降低油脂的粘度，加快溶液对流，使油水溶液表面张力降 低，从而促进乳化作用。通常温度控制在8 5 9 5 。 7 第二章热浸锌工艺，过程分析及生产线设计 水洗：处于高温的工件进入水池后，温度骤然下降，体积收缩。附着在表面 上的灼烧残渣及氧化铁皮，会产生压应力而脆裂进入水池后沉于水底。 酸洗：工件在空气中形成的铁锈，其主要成分是f e ( o n ) ，和f c ：o ，呈红 褐色。工件在热处理时，形成氧化铁皮，大致从工件而起向外分三层即f e o ， f e ：o ，f e ，o 。可采用硫酸或盐酸酸洗法。热浸锌生产大多采用盐酸酸洗法， 其优点是：比硫酸法除锈速度快，反应时间短，故不易发生过酸洗，且可以在室 温下进行。 清沈：酸洗后的工件在进入助浸池之前须清洗干净，以防止f e2 + 离子被空 气氧化为难于洗掉的f e 3 + 离子，以铁盐形式带入助浸剂池，污染助浸剂。 助浸处理：工件表面经清洗处理后，在工件表面上还可能因为酸洗而带入残 余铁盐等污物，在进入锌锅前还可能与空气发生反应而生成薄的氧化膜，锌液表 面在高温下与空气作用生成z n o ，可能在锌锅工件入口处污染工件。为了避免这 些污染，同时为了降低锌液的表面张力，使工件能被锌液浸润并在锌锅内正常地 进行界面扩散作用，需经过助浸处理，即涂溶剂。助浸剂的主要成分是氯化铁水 溶液。温度一般控制在8 0 以上，通常8 5 左右。 烘干：蒸发工件表面的水分，以免带入锌锅后引起剧烈反应。 浸锌锅：这是整条生产线的核心设备。目前较为先进的是电阻内加热方式。 电阻内加热是将加热元件置于锌锅两边加热区的锌液内，使之形成高温区熔融 锌。通过锌液导热，使工作区达到热浸工艺的要求。内加热元件被置于锌液面以 下4 0 0 m m 深处，故加热元件所供热量基本全在锌液之内，热损失降到了最小限 度，热效率最高，并且大大减少了锌灰的数量。锌液温度要求控制在一定的范围 内，热浸纯锌要求为4 6 0 5 ，随着合金的加入，热浸温度将会升高，不同合 金温度相差很大，热浸g a l v a l u m e 合金的最佳温度在6 5 0 7 1 0 之间，热浸g a l f a n 合金的最佳温度为4 6 0 - 4 7 0 之间。 钝化：铬酸钝化处理，是指用三氧化铬( 俗称铬酐c r 0 3 ) 为钝化剂的水溶液对 浸锌层进行钝化处理，称为铬酸钝化处理。钝化膜的厚度一般在0 5 1 m 范围 内，它的性能很稳定，且组织细密，呈透明的金属色彩，封闭了浸锌层的空隙， 制止了锌的阳极性溶解，从而延长了浸锌件的使用寿命，提高了抗腐蚀能力。 漂洗：浸锌工件在钝化处理后，一般要进行漂洗，其优点如下： 1 ) 防止钝化液继续溶解纯锌层。 2 1 洗掉钝化薄膜中的重铬酸锌，避免它从空气中吸收水分而助长“白锈”的 产生。 8 第二章热浸锌工艺，过程分析及生产线设计 3 ) 防止了铬酸锌与氢氧化锌反应而生成不溶性的碱性铬酸锌，并逐渐变为红 褐色点，并且与空气接触久后会剥离。 4 ) 增加钝化薄膜的粘着性。 2 2 热浸锌生产线的要求 浸锌工序为连续生产线作业，必须严格按操作规程执行。完成助镀并干燥的 工件，人工装卡在生产线的悬挂卡具中。装卡时一定要按要求卡牢，并保证小端 开口朝下，避免以后锌液堆积。每个卡具都要装卡工件，不得出现空位，减小对 锌液的温度造成影响。 生产线要保证工件入、出锌锅时与水平面成4 5 。角，但需要注意观察工件 是否有篡位现象，防止工件内藏有空气。出锅前自动刮锌灰器先将锌灰打扫干净， 确保工件表面没有皱纹、锌灰等杂物。出锅后在4 0 秒之内完成两次4 5 。振动， 保证工件表面无锌液居留。 锌锅的温度实现闭环控制，计算机控制台可以监控锌液的温度，按锌层厚度 设定浸锌时间，其时间调整通过改变驱动电机的速度来实现。 2 3 热浸锌生产线的设计 热浸锌生产线组成如图2 2 所示。 图2 2 热浸锌生产线示意图 整条环形生产线由上下两层导轨组成，生产线启动后，顶部的环形传动装置 按一定的速度匀速运动，运动的速度由不同工件的浸锌时间决定，并由变频器控 制异步电机实现。悬臂梁由上下两部分组成，上半部分带有滑轮，在铰链的拉动 下在第一层导轨上滑动，下半部分可以升降，用来实现卡具的升降。 酸洗槽的上面有三个限位开关，到达第一个限位开关后，引起气缸动作，悬 臂梁的下半部分被提升到第二层导轨，继续向前运动，到达第二个限位开关后， 9 第二章热浸锌1 1 艺，过程分析及生产线设计 引起气缸动作，悬臂梁下降卡具下降至酸洗槽液面以下完成相应的工艺操作， 当到达第三个限位开关后，悬臂梁被提升到第二层导轨，卡具被提升到相应的槽 体的上沿咀上，完成出槽操作，并开始下一个工艺操作。 清洗槽和助镀剂槽的上方各有两个限位开关，悬臂粱到达第一个限位丌关 后，引起气缸动作，悬臂梁下降，从而卡具下降至液面以下完成相应的工艺操作， 当到达第二个限位开关后，悬臂梁被提升到第二层导轨，卡具高度上升到相应的 槽体的高度以上，完成出槽操作，并开始下一个工艺操作。 干燥部分采用电热妒加热方式干燥，工件从加热炉中间匀速通过，完成烘干 操作。 木控制系统的重点和难点是热浸锌部分。由于热浸锌炉的温度比较高，其上 ( ：的导轨上不适合安装限位开关，所以在对面对称的导轨位置上安装限位开关。 工件经过电热炉烘干以后开始热浸锌操作。当悬臂梁到达热浸锌炉前的第一个限 位开关后，引起气缸动作，悬臂粱被提升到第二层导轨，继续向前运动，到达第 一个限位开关后，引起气缸动作，悬臂粱下降，卡具下降至液面以下3 0 0 m m 开始 浸钟操作，浸锌工艺要求搜锌过程中工件需上下振动数次，以保证锌层的均匀 性兰悬臂梁到达锌炉中间对应位置的限位开关时，启动上下振动装置，振动频 率为i h z 。振动完成以后。悬臂粱继续向前运动，通过爬升装置，悬臂梁被提升 到第二层导轨继续向前运动，开始下一个工艺操作。 1 饺链2 悬挂输送系统3 卸件气动装置 轨道8 主提升气动装置9 主升降轨道 装置 4 卸件轨道5 振源装置6 振动轨道7 爬升 1 0 件气动轨道1 1 二层轨道1 2 升件气动 目2 - 3 热浸锌部分结构凹 蝣型举0 霄 掣一仁卜 禽 裁。 第二章热浸锌工艺，过程分析及生产线设计 当悬臂梁到达钝化槽上方的限位开关时，工件掉入钝化槽中的传送带完成钝 化操作，然后传送到漂洗槽完成漂洗操作，再由漂洗槽中的传送带把工件传送到 码装台，至此整个浸锌过程完成。 热浸锌部分结构如图2 3 所示。整条环形生产线包括水平传动部分和卡具升 降部分。为了保证锌层的均匀，在工件出锌锅的时候设计了爬升部分。悬臂梁到 达升件气动装置，触动行程开关，把工件提升至锌锅沿以上，当悬臂梁到达入件 气动装置，触动行程开关，启动装置把工件下降到液面以下开始浸锌。基于工艺 要求，锌锅上方有振动装置，最后通过爬升轨道完成浸锌操作1 2 2 j 。 2 4 本章小结 本章主要介绍了改进后的热浸锌生产工艺，并在此基础上详细阐述了热浸锌 生产线的要求。最后介绍了生产线的组成和结构原理。 1 l 第三章热浸锌生产线控制系统方案设计 第三章热浸锌生产线控制系统方案设计 3 1 控制系统总体方案设计 控制系统采用i b m p c 机，西门子s 7 3 0 0p l c 与c 8 0 5 1 f 0 0 0 型单片机组合 成的小型集散式计算机控制系统实现热浸锌生产线的自动化控制，如图3 - 1 所示。 广 l i i l i l i i i i 一 图3 1 控制系统总体设计图 上位机用来监视整个生产过程，用组态软件w i n c c 编写了监控软件，可以 在上位机上监控整个生产流程、进行产品计数、修改变频器的参数，进而可以调 整异步电机的转速。p l c 采用s i e m e n ss 7 3 0 0 ，通过p r o f i b u s 总线与上位机 通信，用来控制水平传动与升降系统。p l c 通过编码器检测异步电机的转速；开 关量主要是开、关按钮，行程开关通断信号等。单片机采用c 8 0 5 1 f 0 0 0 型号， 采用r s 4 8 5 串行总线与上位机通信。传感器采用k 型恺装热电偶检测浸锌锅的 温度值，毫伏信号经d z 5 1 g 1 温度变送器转换成0 5 v 的标准电压信号，然后送 入c 8 0 5 1 f 0 0 0 型单片机的1 2 位舳转换器中转换成数字量，对此数字量进行数 字滤波之后，作为本次采样值，并与设定值进行比较和控制计算，把计算后的输 出值送入c 8 0 5 1 f 0 0 0 型单片机的1 2 位d a 转换器，经电平转换后，接入z k 0 3 触发器，调节晶闸管的导通率以改变加热功率，达到控制温度的目的。 1 2 第三章热浸锌生产线控制系统方案设计 3 2 矢量控制变频调速方案的选择 异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过三相 轴系到两相静止轴系再到旋转轴系的数学变换，虽然使之降阶并简化，但也改变 不了其非线性、多变量的本质。 这是由于在交流异步电动机中，电流、电压、磁通和电磁转矩各变量之间是 相互关联的，属于强耦合的状态；变频调速系统中有电压、频率两个控制变量， 且电压是三相的，系统为多变量系统；又因为在异步电动机中，转矩正比于主磁 通与电流，而这两个物理量是同时变化的，决定了异步电机数学模型中有两个变 量的乘积项，系统又为非线性系统【矧。 当前矢量控制和直接转矩控制都是已获得广泛应用的高性能电机调速控制， 两者都采用转矩和磁链分别控制，但直接转矩控制易产生转矩脉动，降低了调速 性能，只适用于调速范围要求不高的场合。矢量控制强调解耦，有利于分别设计 转速与磁链调节器，且实行连续控制，调速范围宽。按照转子全磁通幅值：丸= 。恒值进行控制的矢量控制变压变频调速技术，可以得到与直流调速系统相媲美的 静动态性能。因此选用矢量控制变压变频调速。 矢量变换控制的基本思想是通过数学上的坐标变换方法，把交流三相绕组 a 1 ，b 。，c 。中的电流i a ，i b ，i c 变换到两相静止绕组a ，卢中的电流i 。，i 一， 再由数学变换把i 。，i 口变换到两相旋转绕组m 。，t 皿中的直流电流i m ，i t 。实 质上就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流分解成两个分量，一个是用 来产生旋转磁动势的励磁分量i m ，另一个是用来产生电磁转矩的转矩分量i t 。 在此基础上加上直流电机的数学模型就可以找出矢量变换控制的三相异步电动 机的数学模型，通过控制i m ，i t 的大小去等效的控制三相电流的瞬时值，从而 调节电机的磁场和转矩以达到调速的目的。 3 3 水平传动与卡具升降控制系统主回路设计 3 3 1 变频器的基本结构和原理 ( 1 ) 变频器的基本结构【2 4 】如图3 - 2 所示。 第三章热浸锌生产线控制系统方案设计 图3 - 2 变频器结构图 电力半导体器件已经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管 ( g t o ) ，巨型晶体管( g t r ) ，功率m o s f e t 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 为代表的 功率集成器件( p i d ) ，以智能化功率集成电路( s p i c ) ，高压功率集成电路( h v i c ) 为代表的功率集成电路( p i c ) 等三个发展时期。从晶闸管以换相电流过零关断的 半控器件发展到p i d ，p i d 通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全 控器件。在器件的控制模式上，从电流型控制模式发展到电压型控制模式，不仅 人人降低了门极( 栅极) 的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速 度，从而使器件的工作频率不断提高。在器件结构上，从分立器件发展到由分立 器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓 冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。 1 ) 整流电路 一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工 频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流 电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。直流中间电路的 作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较 高的商流电源。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制 动电阻以及其它辅助电路。 2 ) 逆变电路 逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三 相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频 率的三相交流电输出。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电 动机处于电动还是发电制动状态，变频器功率因素总不会为1 。因此，在直流环 节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠中间直流环节的储能 元件来缓冲。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源 转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出， 1 4 第三章热浸锌生产线控制系统方案设计 它被用来实现对异步电动机的调速控制。 3 1 控制电路 控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以 及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性 能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制 以及完成各种保护功能。 4 ) 控制算法 随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展，促进了电力变频技 术新的突破性发展，7 0 年代后期发展起来的脉宽调铝l j ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ， p w m ) 技术成了现在最常用的变频器功率开关器件的控制策略。p w m 控制利用 采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环 节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果相同，指环 节的输出响应波形基本相同。根据这个原理，可以用一系列等幅而不等宽的脉冲 来近似正弦波，且脉冲的宽度按正弦规律变化，这种方法称为s p w m ( s i n u s o i d a l p w m ) 。 s p w m 各脉冲的宽度和间隔可以准确计算出来，按照计算结果控制电路中 各开关器件的通断，就可以得到所需要的s p w m 波形。但这种计算很繁琐。较 为常用的方法是采用调制的方法，即把正弦波作为调制信号，把接受调制的信号 作为载波，通过对载波的调制即可得到s p w m 波形。通常采用等腰三角波作为 载波，因为等腰三角波上下宽度与高度成线性关系，且左右对称，当它与正弦波 调制信号相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正 比于正弦波幅值的脉冲，这正好符合s p w m 控制的要求。三角载波的频率f ，和 正弦调制波的频率f ，之比即：f c f ，= n c 称为载波比。用生成的s p w m 波控制 逆变器开关器件的通断，可得到等幅且脉冲宽度按正弦规律变化的矩形脉冲列输 出电压。正弦调制波的频率f ，即是逆变器的输出频率f 1 ，改变f ，便可改变f 1 。三 角载波的幅值恒定，因而改变正弦调制波的幅值就改变了矩形脉冲的面积，由此 实现输出电压幅值的改变。 根据以上介绍的s p w m 逆变电路的基本原理和控制方法，可以用模拟电路 构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时 刻对功率开关器件的通断进行控制，就可以生成s p w m 波形。但这种模拟电路 结构复杂，难以实现精确的控制。微机控制技术的发展使得用软件生成s p w m 波形变得比较容易。 ( 2 ) 变频调速的基本原理 第三章热浸锌生产线控制系统方案设计 当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生 一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中 的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流， 而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转 磁场旋转。当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场 的方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。 异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电 动机的磁极个数和电源频率所决定： 咒，= 5 0 l n p n ，：同步频率 厂l ：电源频率 ( 3 1 ) 刀p ：磁极对数 异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给 n = ，( 1 - s ) = 5 0f l ( 1 - s ) n p( 3 2 ) 式中：n ：电动机实际转速 s ：异步电动机的转差率 由式( 3 2 ) 可知，改变参数 ，s 中的任意一个就可以改变电动机的转速，即 可实现对异步电动机进行调速控制。因此，可以通过改变该电源的频率来实现对 异步电动机的调速控制。从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频率的 交流电源。 在电动机调速时，一个重要的因素就是希望保持每极磁通量中。为额定值不 变。磁通太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费：若要增大磁通，又会使 磁通饱和，从而导致过大励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直 流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持。不 变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生的。三相异 第三章热浸锌生产线控制系统方案设计 步电机定子每相电动势的有效值是：