（机械电子工程专业论文）铸型机用恒容量自动定量浇注系统控制技术研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 近年来，由于汽车、通信、电力、交通等行业的发展，免维护蓄 电池行业发展迅猛，作为电池板栅用的铅钙系列合金发展十分迅速且 需求增加很快。但由于目前圆盘式铸型机铸锭生产技术难以解决铅钙 合金造渣严重、铸锭的合金成份不合格的问题，国内铅钙浇注生产仍 然采用人工方式。人工浇注生产铅钙合金存在生产效率低、劳动强度 大、成本高、产品质量参差不齐的不足，不能满足目前对铅钙合金生 产技术的需求。在此背景下，与国内某冶炼企业合作，研制了一套直 线铸型机恒容重自动定量浇注系统。 本文对该浇注系统的恒容重自动定量浇注系统控制技术进行了 研究。为了使研制的自动浇注系统与直线铸型机相匹配，并达到熔体 低氧化、锭重精确且在线可调等目标，论文在如下方面开展了研究： 1 ) 设计了一个具备与直线铸型机同步运动、一次浇注四锭、锭 重精确、熔体箱容重恒定( 无回流) 等功能的机电气一体化 自动浇注系统，与直线铸型机匹配，可实现合金铸锭的高效、 优质生产。 2 ) 构建了一个以“p l c + 变频器 为核心、含熔体称量浇模位置 检测触摸屏输入等多种传感与输入元件的自动浇注控制系 统，并开发了相应的控制软件。实现了系统与直线铸型机的 同步、锭重精确控制并在线可调等功能。 3 ) 对恒容重控制这个难点技术进行了重点分析。建立了控制对 象的数学模型，并进行了p i d 虚拟仿真，获得了控制参数， 实现了浇注过程中熔体箱容重( 液位) 恒定，保证了浇注管 出流稳定性。 4 ) 对补液控制参量与管内熔体流动特性的关系进行研究。在保 证熔体箱容重( 液位) 恒定、无回流的前提下，为了获得一 最佳熔体泵流量，使熔体在输送管路中不凝结，基于f l u e n t 分析软件，对不同熔体泵控制频率下的输液管温度场进行了 分析，由此获得了熔体泵变频控制的最佳频率。 5 ) 对研制的恒容重自动定量浇注控制系统在工业现场进行了生 产试验，实现了与直线铸型机的匹配和合金铸锭的连续自动 生产，锭重均匀，在线调节方便、造渣率低，达到了预期目 中南人学硕士学位论文摘要 标。该系统的控制技术研究成果对易氧化合金的自动浇注提 供了有效途径。 关键词铅钙合金，浇注系统，p l c ，触摸屏，p i d 控制，数值仿真 i i 中南大学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，a u t o m o t i v e ，c o m m u n i c a t i o n s ，e l e c t r i cp o w e r , t r a n s p o r t ，a n ds ot h ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r y , m a i n t e n a n c e f r e e b a t t e r yi n d u s t r yi sd e v e l o p i n gr a p i d l y , a sab a t t e r yg r i dw i t ht h es e r i e s l e a d c a l c i u ma l l o yd e v e l o p e dv e r yr a p i d l ya n dt h ei n c r e a s e dd e m a n d q u i c k l y h o w e v e r , a sl i n e a rc a s t i n gm a c h i n e s ，d i s cp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y i n g o tc a s t i n gm a c h i n ed i f f i c u l tt or e s o l v es e r i o u ss l a g g i n gl e a d c a l c i u m a l l o y , a l l o yi n g o tc o m p o n e n t sf a i l ，d o m e s t i cp r o d u c t i o no fl e a d - c a l c i u m c a s t i n g i ss t i l lu s e da r t i f i c i a l a r t i f i c i a ll e a d - c a l c i u m a l l o yc a s t i n g p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo ft h ep r o d u c t i o no fl o w , a n dl a b o ri n t e n s i v e ，h i g h c o s t ，l a c ko fu n e v e nq u a l i t ya n dc a nn o tm e e tt h ec u r r e n tl e a d c a l c i u m a l l o yp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yn e e d s a g a i n s tt h i sb a c k g r o u n d ，w ea n da d o m e s t i cs m e l t i n ge n t e r p r i s e sh a v ed e v e l o p m e n t e dac o n s t a n tw e i g h ta n d q u a n t i t a t i v ea u t o m a t i c a l l yg a t i n gs y s t e mt h a tw a sb a s e do nt h el i n e a r c a s t i n gm a c h i n e i nt h i sp a p e r , w eh a v ed ot h er e s e a r c hi nt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo f c o n s t a n tw e i g h ta n dq u a n t i t a t i v ea u t o m a t i c a l l yg a t i n gs y s t e m i no r d e rt o e n a b l et h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t e dg a t i n gs y s t e ma n dl i n e a rc a s t i n g m a c h i n et om a t c h ，a n dr e a c h e dal o wm e l t o x i d a t i o n ，s p i n d l e s a n d r e a d j u s t a b l ep r e c i s i o nt a r g e t s ，w eh a sc a r r i e do u tt h er e s e a r c hi n t h e f o l l o w i n gp a p e r ： 中南人学硕士学位论文 1 ) d e s i g n e dam a c h i n et h a tw i t hl i n e a rs y n c h r o n o u sm o v e m e n t ，a f o u rc a s t i n g ，i n g o t - p r e c i s i o n ，m e l tk e e pc o n s t a n tl e v e l ( n or e t u r n ) ， f e a t u r e sa n de l e c t r i c a l i n t e g r a t e d a u t o m a t i cc a s t i n gs y s t e m s ，a n dt h e s y s t e mm a t c hw i t hl i n e a rc a s t i n gm a c h i n e ，a l l o yi n g o ta c h i e v et h e e f f i c i e n t ，h i g h q u a l i t yp r o d u c t i o n 2 ) w ec o n s t r u c t e dt h ea u t o m a t i c p o u r i n gc o n t r o ls y s t e m ，w h o s ec o r e i st h e p l c + c o n v e n e r ，c o n t a i n i n gm e l tw e i g h i n g w a t e r e d - p o s i t i o n d e t e c t i o ntt o u c hs c r e e ni n p u t ，a n do t h e rc o m p o n e n t so ft h es e n s o ri n p u t ， a n dd e v e l o p e dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls o f t w a r e i tr e a l i z e dp o u r i n g s y s t e mk e e ps t e pw i t hl i n e a rc a s t i n gm a c h i n e ，h e a v ys p i n d l e sa n dp r e c i s e c o n t r o lo fo n l i n ea d j u s t a b l ef u n c t i o n s 3 ) w ef o c u s e da n a l y s i st h ed i f f i c u l tc a s t i n gt e c h n o l o g yo fc o n s t a n t w e i g h t ，a n de s t a b l i s ht h em o d e lo fc o n t r o lo b j e c t ，t h e nd ot h ep i dv i r t u a l s i m u l a t i o n ，a c c e s s e d t ot h ec o n t r o l p a r a m e t e r s ，a c h i e v e dt h ew e i g h t ( l e v e l ) c o n s t a n ti nt h ec a s t i n gp r o c e s sm e l t sa n de n s u r eaf l o wo fp o u f i n g s t a b il i t y 4 ) w eh a v ec a r d e do u tt h er e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e p a r a m e t e r so fr e h y d r a t i o nc o n t r o la n dt h em e l tf l o wc h a r a c t e r i s t i c si nt h e p i p e l i n e u n d e rt h ep r e m i s eo fm e l ti ne n s u r i n gaw e i g h t ( 1 e v e l ) c o n s t a n t a n dn or e t u r n ，i no r d e rt oo b t a i na l lo p t i m u mm e l tp u m pf l o wt om a k et h e m e l td on o ts o l i d i f i c a t ei nt h et r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e ，w eu s e dt h ef l u e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n a l y s i st h ed i f f e r e n tf r e q u e n c ym e l tp u m pu n d e r i v 中南人学硕士学位论文 c o n t r o li n f u s i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l d ，o b t a i n e dt h eb e s tf r e q u e n c y i n v e r t e rc o n t r o lo ft h em e l tp u m p 5 ) w ed i d t h e p i l o tp r o d u c t i o n o ft h ec o n s t a n tw e i g h ta n d q u a n t i t a t i v ea u t o m a t i c a l l yg a t i n g c o n t r o l s y s t e m i nt h ei n d u s t r i a l s c e n e ，r e a l i z e dt h es y s t e ma l l o yi n g o tm a t c h i n gw i t ht h el i n e a rc a s t i n g m a c h i n ea n dc o n t i n u o u sa u t o m a t i cp r o d u c t e d ，i n g o tw e i g h t ，c o n v e n i e n t o n l i n ea d j u s t m e n t ，e v e n l ys l a g g i n gl o wr a t ea n da c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e d g o a l t h er e s u l t so fc o n t r o lt e c h n o l o g yr e s e a r c hp r o v i d ea ne f f e c t i v ew a y f o re a s i l yo x i d i z e da l l o yc a s t i n ga u t o m a t i c a l l y k e yw o r d s l e a d - c a l c i u m a l l o y ；c a s t i n gs y s t e m ；p l c ； t o u c h s c r e e n ；p i dc o n t r o l ；f l u i ds i m u l a t i o n v 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己在论文中作了明确的说明。 作者签名：塑叁雏 日期：迎呈年月日 关于学位论文使用授权说明 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，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；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 名：埠翩签芦嗍盟年互月二 中南人学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 本研究依托于中南大学机电工程学院与株洲冶炼集团有限公司合作课题“铸 型机用恒容重自动定量浇注系统控制技术研究。 铅钙合金自1 9 9 2 年在株洲冶炼集团公司原铅精炼分厂规模生产以来，今年 年产量可望突破3 万吨，累计生产2 1 4 5 6 万吨，出口1 0 万多吨，合金品种已由 当初的出口同本的三个，发展到现在的1 l o 种，已成为国内最大的铅钙合金生产 企业。但目前株洲冶炼集团公司合金浇注系统仍然采用人工浇注，铅分厂也尝试 过用电铅铸型机浇注铅钙合金，因合金造渣很多，物规很差而作罢，因此完全照 搬现有的电铅浇注模式生产铅钙合金肯定行不通，必须对浇注方式进行改进，关 键是防止合金浇注过程的氧化，可目前又没有成熟的浇注工艺可循，因此研制出 一套既能防止合金浇注过程氧化使浇注出的铅钙合金的物理规格满足用户需求、 又能提高合金的浇注速度的设备，对于铅钙合金实现自动化浇注，提高合金产能 具有重要意义i 。 此外，人工浇注铅钙合金生产，生产过程人力投入多，劳动强度和安全隐患 大，生产效率较低，成本较高，浇注的每锭重量误差大。铅钙合金浇注生产现状 不能满足企业经济效益提高的目标，也不适应企业信息化发展的需要。在此形势 下，开发铅钙合金浇注技术是改变目前铅钙合金浇注生产现状的一项迫切工作。 1 2 铅钙合金浇注技术概况 1 2 1 合金人工浇注简介 把液体合金浇入铸模的过程称为浇注。浇注是铸造生产中的一个重要环节。 浇注工作组织的好坏，浇注工艺是否合理，不仅影响注件质量，还涉及工人的安 全。 ( 1 ) 浇注工具 浇注常用工具有浇包( 如图卜1 ) 、挡渣钩等。手提浇包和抬包完全靠人力 进行浇注，一般用于小铸件浇注和生产条件较差的车间。吊包是由吊机来吊运， 用人手转动手轮倾转浇包进行浇注工作。株冶现在铅钙合金的浇注就是使用的手 提浇包方式。在盛装金属液前，应对已使用过的浇包进行清理和修补，内表面要 中南人学硕+ 学位论文 第一章绪论 涂覆耐火材料，并对浇包和挡渣钩等工具进行烘干，以免降低铁液温度及引起铁 水飞溅。 ( a ) 手动浇包( b ) 抬包 ( c ) 吊包 图卜1 合金人工浇注工具 ( 2 ) 浇注工艺 1 ) 浇注温度：浇注温度过高，金属液在铸模中收缩量增大，易产生缩孔、 裂纹及粘砂等缺陷；温度过低则金属液流动性差，又容易出现浇不足、冷隔和气 孔等缺陷。合适的浇注温度应根据合金种类、铸件的大小、形状及壁厚来确定。 对形状复杂的薄壁灰铸铁件，浇注温度为1 4 0 0 。c 左右；对形状较简单的厚壁灰 铸铁件，浇注温度为1 3 0 0 ( 2 左右即可：而铅合金的浇注温度一般在5 5 0 ( 2 左右。 2 ) 浇注速度：浇注速度太慢，金属液冷却快，易产生浇不足、冷隔以及夹 渣等缺陷；浇注速度太快，则会使铸模中的气体来不及排出而产生气孔。同时， 易造成冲砂、抬箱和跑火等缺陷。铅钙合金液浇注时勿断流，以防铅钙液氧化。 3 ) 浇注的操作：浇注前应估算好每个铸模需要的合金液量，安排好浇注路 线，浇注时应注意挡渣，浇注过程中应保持外浇口始终充满。这样可防止熔渣和 气体进入注型。 目前，在较先进的铸造车间里，浇注工作可以完全自动化【2 】【3 1 。 1 2 2 合金自动化浇注现状 对自动浇注系统的研究，国内的冶炼行业起步较晚，特别是大部分的有色 金属行业的浇注仍然处在人工浇注的状态。而国外已经有了很成熟的技术，他们 对浇注系统作了详细的分类。实际上在国际上对几种浇注机比较通用的称呼是： 手工浇注机；机械化浇注机；预测式浇注机或者半自动浇注机；全自动浇注机 4 1 5 l 。 国内往往把后面三种浇注机均称为全自动浇注机，而在国外却一般仅仅把最后一 种浇注机称为自动浇注机。 机械化浇注机是指由人工控制机械化浇包工作的浇注设备，例如许许多多茶 壶包浇注机往往就是属于这种类型。同手工浇注的主要区别是，人工不必直接接 触浇包进行浇注。 预测式浇注机，国内也有人称为半自动浇注机，是指浇注机或者根据重量传 2 中南人学硕士学位论文第一章绪论 感器，或者根据时间，或者学习和模仿人工浇注的过程( 教学式浇注) ，来执行 浇注的浇注设备。这类型浇注机的一个共同特点就是：假设每次浇注的铸模都是 一样的，假设每次浇注的过程都是相同的。例如重量传感器式浇注机，每次都只 浇注一定重量的铅水，8 公斤或者1 0 公斤；时间传感器浇注机则每次浇注8 秒 或l o 秒；教学式浇注机却是先由人工浇注一次，而后由电脑记录下来，再由电 脑模仿这次人工浇注的过程进行浇注。以上这些浇注机都可以在一段时间内做到 无人浇注，由电脑执行浇注。世界上由于它们的工作都基于一个假设：每次浇注 的情况完全一样，是不会变化的。因此在国外一般将这些浇注机统称为预测式浇 注机。这种浇注机的最大问题是：它们的假设和前提常常是不成立的。例如如果 氧化渣挡住了一部分浇嘴，浇注速度大大减少，这时候如果采用时间控制浇注机 或教学式浇注机，当结束浇注的时问到达时，浇注机会自动停止浇注，可是实际 上这时尚未完成浇注，立即造成废品。如果采用重量控制的浇注机呢，就会发生 浇注管已经移出了铸模，浇注机却继续浇注的情况发生；即使浇注机同造型线采 用连锁控制，那么一方面将大大降低造型线生产效率，一方面浇注的质量也非常 差。以此类似的是液面变化、浇嘴扩大、铁水温度变化、氧化渣数量和注件材质， 均会引起浇注速度的变化。另一个例子是，如果铸模发生变化，例如浇注系统堵 塞，过滤网损坏等等，如果采用任何一种预测式浇注机，它们都将继续浇注，造 成严重后果。 自动浇注机在国外往往是指全自动浇注机。它们采用视频或者激光，直接扫 描浇口杯的会属液面，而后根据浇口杯金属液面的高低，自动调整浇注速度，始 终保持浇口杯液面充满( 液面高度往往可以随时随意调整和设定) ，确保浇注质 量达到最佳浇注的效果。这种浇注机往往把预测式浇注机的一些技术，作为备用 技术来使用。例如国外的某公司全自动浇注机全部带有教学式浇注的功能，一旦 全自动浇注失败，立即可以启动教学式浇注方式，变为半自动浇注机。一旦教学 式也失败，还可以改用手动操作，变为机械化浇注机使用。甚至在个别产品上， 还装有重量传感器，确保达到最佳浇注的效果。 我们自行开发研制的铅钙合金自动浇注系统，由于时间，资金和技术等原因， 与国外的全自动化浇注系统还有一定差距。这也是我们需要继续改进的地方。 1 2 3 定量浇注的国内外发展状况 关于定量浇注技术国内外资料均有，但采用的方法各异，有机械定量、气压 式定量、时间定量等。在现代铸造生产中，自动化和半自动化的定量浇注装置应 具备下述大部分条件，才能充分发挥作用【6 】： ( 1 ) 保证铸件的浇注质量； 3 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 浇注装置应具备与铸型线相适应的生产率； ( 3 ) 对浇注参数的变更应具有较大的适应性； ( 4 ) 浇注装置应操作方便、迅速、安全可靠。金属液对浇注作业指令的应 答要尽可能灵敏； ( 5 ) 作业环境应清洁，热辐射小； ( 6 ) 装置本身结构应牢固，维修和易耗零件更换方便； ( 7 ) 占地面积小； ( 8 ) 经济性高。 国内传统的定量浇注通常是人工凭经验进行控制，劳动强度大，环境恶劣； 由于浇注的整个过程是由人力来控制，所以很难控制流速和流量，致使生产的产 品薄厚不均匀，而且容易形成铸造缺陷，定量的精度不易控制；在浇注过程中金 属液和外界直接接触，容易使产生夹杂和气泡，产品的废品率高；生产效率低。 近三、四十年来，各国铸造行业都致力于定量浇注装置的自动化和半自动化 的研制工作，并陆续在规模生产中得到了应用。目前，铸造车间得到应用的浇注 形式有：倾侧式浇注、电磁泵式浇注、气压式浇注、塞杆底注式浇注以及气压一 塞杆式浇注【7 】【8 1 。 人们对机械化浇注作业的最早设想和尝试是倾侧式浇注，即用气缸或油缸来 代替人力倾转浇包，减轻人力浇注时的繁重劳动和作业的紧张。出于这种浇注机 不带有金属液体的保温装置，浇包内金属液的温度随着时问的延续逐渐下降，以 至常有大量剩余金属液因温度不足而倒掉，加之精度不高，造成这种浇注形式未 被广泛采用。 国外电磁泵在定量浇注方面主要用于压铸机的定量给料，其电磁泵为交流浸 入式电磁泵，使用的电磁泵是浸入在高温金属液体中，因此对泵体材料性能要求 很高。定量方式是通过电磁泵的输送管向铸造机的容器中输送金属液并控制其液 位高度，利用时间控制浇注流量。 六十年代末在欧洲问世的气压式浇注，由于它显示出的一系列优点，目前已 成为自动、半自动浇注装置中应用较为广泛的形式。其原理犹如气压式保温瓶的 出水原理。它是利用压力介质( 通常是氮气) ，将金属液从密闭的炉膛熔池通过 升液流槽压入浇注流槽，然后从浇注流槽前端的浇口流出，注入其下方的铸型。 金属液的温度依靠炉体侧面的感应体输出的功率来维持。该方法由于采用气体作 为推动金属液的介质，因此容易产生央杂和气泡，从而影响铸件的质量。 塞杆底注式浇注技术是利用操纵塞杆的上下移动来推动金属液体。该技术虽 然结构简单，操作方便，但浇注金属液的定量精度不高。所以该技术很难满足于 挤压铸造生产定量精度的要求。 4 中南大学硕十学位论文第一章绪论 气压一塞杆式浇注的原理是：浇注流槽内金属液由自动气控系统控制，使它 始终维持在所需的浇注液位，而浇注作业由塞杆的升降动作来完成。气压一塞杆 式浇注系统也存在一定的不足之处：( 1 ) 该系统虽然能够保证较高的浇注精度， 但在提高浇注造型速度这一问题上出现“瓶颈 现象，这是本系统浇注原理上存 在的不可逾越的局限性。( 2 ) 该系统的液位检测装置由直流差动变压器式位移传 感器、浮球机两者之间得联接机构组成，在金属液液位变动幅度较大时，浮球不 能即时跟踪液位的变化，导致液位检测精度的下降。为了在现有的条件下尽可能 提高液位检测精度，就在一定程度上限制了升液速度，延长了浇注时间。 就目前来说，气压式浇注机的定量浇注策略主要有以下三种【9 1 ： ( 1 )冒口探测定量法 这是一种较简单的定量方法。光电检测器( 或红外线检测器) 安装在铸型冒口 ( 或专用检测冒口) 上方，由于灼热的金属液和型砂分别反射出亮暗反差很大的两 种光线，在铸型注满时，光电检测器获得信号。气控系统接收到该信号后，立即 撤除炉内气压，终止浇注作业。该定量浇注法的气控系统简单、可靠，但要求浇 注金属液对操作指令的应答性强，其应用场合受到限制。 ( 2 ) 称重定量法 称重定量法有两种形式。一种形式是在浇口砖孔前，增设一个能自动倾侧的 金属液称量包，由安装在称量包底座下的电子称量装置计量。这种形式的浇注工 序较复杂，且增添了设备，占地面积也增大，但称重包的设置有利于提高浇注速 度。另一种形式是在浇注炉体底座下设置荷重传感器。浇注时，用荷重传感器测 出未浇前与浇注完毕时的电动势差值，其值应恰等于相应浇注重量所代表的电动 势值。这种形式易于实现浇注自动化，但铸件浇注重量较小时，荷重传感器的测 量精度和灵敏度满足不了对浇注精度的要求。 ( 3 ) 定时定量法 这是一种不需要附属设备或专用计测冒口的定量法，实用性最广。目前，各 国制造和应用的气压式浇注机采用该法实现定量浇注的较多，一般可达到较高的 浇注精度。 采用定时定量法时对其精度的分析，首先要研究铁液的流量特性。而流量特 性又与浇注流槽的形式有关。浇注流槽的发展经由倾斜式流槽，到底注式流槽， 直到目前最常用的带塞杆的底注式流槽。 铁液通过倾斜式流槽的流速q 与槽内会属液高度h 成3 2 次方的比例关 系，即铁液流速q = c h 引2 ，c 为常数。 金属液通过底注式流槽时，金属液的流速q 与h 值有如下关系：q = c h “2 ，c 与上述相同，为常数。因此，与倾斜式流槽相比，q 值受h 值变化的影响小得 5 中南入学硕十学位论文 第一章绪论 多，对气控系统的要求也相应降低。这一特点使得底注式流槽在目前的气压式浇 注中用得最多。 带塞杆的底注式流槽的金属液流量特性较未带塞杆的底注式流槽的流量特 性更佳。其原因是此时每次的气压补充仅仅是补偿被浇注的金属液容积，即相应 的金属液压头降低。这种情况下少量的进气和缓慢的气压上升速率，使得炉膛内 气体的惯性相当小，从而避免了未带塞杆底注方式中快速升液时，由于气体惯性 所引起的浇注流槽内的金属液液面波动。同时，这种形式的浇注方法，对浇注命 令的应答性方面不存在明显的滞后现象。因此，这；f ：浇注方式，具有很高的浇注 精度，并且浇注周期明显缩短【1 0 1 。 下面简要介绍一下某公司生产的气压塞杆式浇注机的工作原理： 该系统由被控对象、炉压控制模块、浇注槽液位( 简称液位) 控制模块、塞杆 ( 启闭) 控制模块和辅助部件5 部分组成。 如图1 - 2 ，熔体包1 中的合金熔液在压力气体的作用下经升液通道5 进入浇 注槽9 ，在自动控制系统的作用下保持液而高度处于设定值。通过塞杆7 的启闭 运动，控制经出浇口1 0 流入铸模8 的熔液流量，进而保证铸件的浇注量。 控 伟日 系 统 广一匝萤逦挣一一 - i _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - _ l _ r o _ - _ - - _ _ _ - _ _ _ _ 鼍壅堑堡堡丝型墨堡h 墨望墼绑： 1_-_j_-oooi一 一 i 厂叫压叁竖帅| lio _ _ 一 监夏匿刚西到il 盈摊： o 一 图1 - 2 气压塞杆式浇注机的工作原理 1 一熔体包；2 一感应圈：3 一底座：4 一加料槽：5 一开液槽：6 一位移传感器： 7 一塞杆：8 铸模：9 一浇注槽：1 0 一浇口 1 3 自动浇注控制系统相关技术基础 1 3 1p l c 技术 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o ll e r ) 简称为p l c ，是以微处 6 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 理器为基础通用工业控制装置。国际电工委员会( 1 e e ) 在1 9 8 5 年的标准草案第 3 稿中，对p l c 作了如下定义：p l c 是一种数字运算操作的电子系统，专为在工 业环境下应用而设计，它采用一种可以编程序的储存器，用于其内部储存程序， 执行逻辑运算，顺序控制，定时，记数和算术操作等面向用户的指令，并通过数 字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。总之，p l c 是一台 专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入，输出接口，并且具 有较强驱动能力。不针对某一具体的工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实 际需要进行配置，其软件则需要根据控制要求进行设计编制。可编程控制器及其 有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则设 计【1 1 1 。p l c 功能强大，应用面广，使用方便，已经成为当代工业自动化的主要技 术之一，在现代工业生产的所有领域得到了广泛的使用。 1 p l c 的主要特点 ( 1 ) 高可靠性，抗干扰能力强，可适用于恶劣的工业环境。 ( 2 ) 丰富的i 0 接口模块。p l c 针对不同的工业现场信号( 如交流或直流，开 关量或模拟量，电压或电流，脉冲或电位等) 有相应的i o 模块与工业现 场的器件或设备( 如行程丌关，传感器及变送器，电磁线圈，控制阀等) 直接相连。 ( 3 ) 采用模块化结构。为适应工业控制的需要，绝大多数p l c 均采用模块化结 构。系统的规模和功能根据用户需要自行组合。由于采用模块化结构，因 此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复 运行。 ( 4 ) 编程简单易学。p l c 编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图进行。 ( 5 ) 安装简单，维修方便。p l c 可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需 要将现场的各种设备与p l c 响应的i 0 端相连，系统便可以投入运行。 ( 6 ) 系统设计，调试周期短。系统硬件的设计任务仅仅是依据对象的要求配置 适当的模块，因此简化了系统硬件的设计工作，从而缩短了整个系统的设 计，调试周期。 2 p l c 的应用范围 p l c 的上述特点使得p l c 迅速渗透到工业控制的各个领域，从单机自动化到 工厂自动化，从机器人，柔性制造系统到工业局域网。p l c 的功能来看，它的应 用范围大致包括以下几个方面：开关量逻辑控制，定时技术控制，运动控制， 闭环过程控制，数据处理，通信联网等【1 2 】。 3 p l c 的发展趋势 随着大规模，超大规模集成电路技术和数据通信技术的不断进步，p l c 的发 7 中南人学硕十学位论文第一章绪论 展十分迅速，现在的p l c 在算术运算，数据转换，过程控制，数据通讯等功能已 大大加强，能够完成大型而复杂的控制任务。现代p l c 的发展有两个主要趋势： 其一是向体积更小，速度更快，功能更强，价格更低的微小型p l c 方面发展；其 二是向大型网络化，高可靠性，好的兼容性，多功能方面发展。 ( 1 ) 缩小与工业控制计算机之间的差距。随着超大规模集成电路技术的发展， 产生了一系列高性能器件，其中包括专用的集成电路芯片，使得p l c 也能 采用高性能的微处理器，这样将会有更多中，小型p l c 采用这类专用微处 理器作为c p u ，缩小与工业控制计算机之问的差距。 ( 2 ) 多功能。为了适应各种特殊功能的需要，各个公司陆续推出了多种智能模 块，智能模块是以微处理器为基础的功能部件，它们的c p u 与p l c 的c p u 并行工作，有利于p l c 的速度和完成特殊的控制要求。智能模块主要有模 拟量i o ，p i d 回路控制，通信控制，机械运动控制，高速记数，中断输 入等。由于智能i o d 的应用，使过程控制的功能和实时性大为增强。 ( 3 ) 大型网络化。网络化和强化通信能力是p l c 发展的一个主要方面，向下将 多个p l c ，多个i o 框架相连；向上与工业计算机，以太网，m a p 网等相 连构成整个工厂的自动化控制系统，现场总线技术在工业控制中将会得到 越来越广泛的应用。将主要朝d c s 方向发展，使其具有d c s 系统的一些功 能。 ( 4 ) 高可靠性。控制系统的可靠性同益受到人们的重视，一些公司已将自诊断 技术，冗余技术，容错技术广泛地应用到现有产品中，推出了高可靠性的 冗余系统。 ( 5 ) 良好的兼容性。现代p l c 作为整个控制系统中的一部分或一个环节。好的 兼容性p l c 深层次应用的重要保证。 ( 6 ) p l c 通信的易用化。p l c 的通信联网功能使它能与个人计算机和其他智能 控制设备交换数字信息，使用系统形成一个统一的整体，实现分散控制和 集中管理。为了尽量减少用户在通信编程方面的负担，p l c 厂商是设备之 间的通信自动地周期性进行，不需要用户进行通信编程，用户的工作只是 在组成系统时作一些硬件或软件上的初始化设置。 ( 7 ) 编程语言向高层次发展。p l c 的编程语言在梯形图，指令表，顺序功能块 基础上，不断丰富和向高层次发展。有些p l c 还采用b a s i c ，c 以及汇编 语言等编制用户程序。多种语言并存，互补不足将是今后p l c 编程语言发 展趋势【1 3 】。 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 1 3 2 人机界面监控系统概述 从第一个按钮开关被研制出来，人机界面监控系统( 下文简称h m i ) 便成为 工业生产中一个必不可少的部分。h m i 发展历程中最为重要的突破在于完全可编 程h m i 设备的出现，从此它代替了传统的按钮和指示灯。在c r t 显示器上绘制出 可编程的按钮、指示灯灯虚拟对象，工程师再对这些虚拟的按钮和指示灯进行编 程，让它们按要求显示出来。当前的h m i 系统取得了长足的发展，实现了过去难 以想象的功能，同时其价格也更利于人们的接受。开发及编程人员使用专门的程 序来进行系统开发，这样便可以胜任h m l 日益增加的功能同时又保持低廉的丌发 承办。现在的h m i 系统能够提供多路按钮和显示画面，从而用多个画面对工厂中 所有相同的设备进行控制。这样，开发人员仅需设定从哪个设备采集数据用于 h m i 显示目的，所示用的功能将通过文字列表显示出来。基于p c 的h m i 系统凭 借技术优势，已经显著改进了上述缺点，特别是在价格上更是有较大的吸引力。 随着触摸显示屏和基于w i n d o w sc e 操作系统的h m i 监控设备的广泛应用，基于 p c 的h m i 系统将是未来发展的方向【m 】。彩色触摸显示屏已经开始在商业领域的 h m i 系统中应用。应用市场的增长将有助于降低不同尺寸平板显示器的价格，从 而消除价格上的障碍，为更广泛的工业应用提供可能。随着小型平板彩色触摸显 示屏的出现，便携式人机界面越来越受到人们的欢迎。用户可以直接拿着这些设 备走到机器跟前进行控制。 h m i 系统在发展过程中将不断增强其功能，同时压缩总体成本，随着p c 市 场的发展，可能会有如下几个发展方向： ( 1 ) 三维可视化 为了克服机器可视化图形设计所需的高昂费用，今后的h m i 系统可能会直 接共享机器设备在设计阶段的参数数据。不再需要花费大量的时间去制作二维的 视图，可以将机器设备的参数数据导入，从而在h m i 系统中生成更为直接的三维 画面【1 5 】。 ( 2 ) 逻辑控制与h m i 系统的集成 目前，自动化设计过程只关注于最初的设计，在h m i 发展的下一个阶段将 会提供贯穿于整个系统生命周期的自动化设计工具。当前，在h m i 系统和逻辑控 制系统之间存在着密不可分的联系，因此今后很有可能将两者集成在一起。 ( 3 ) 使用w e b 集成技术 h m i 系统不断的革新以来于与其它设备连接性的增强。有一天，h m i 用户可 以通过浏览器来观看其它设备状态，甚至能够进行控制。车间主管也能够使用嵌 入w e b 技术的h m i 系统获取整个车间设备的信息，以便集中进行管理。 9 中南人学硕+ 学位论文第一章绪论 ( 4 ) n e t 一应用项目动态传输 浏览器的功能终究不能满足客户端的需要。为了不至于将整个客户端应用 项目嵌入到h m i 中，应用项目可以直接在设备端提供对h m i 的支持。n e t 技术 为这一应用奠定了基础，大大减少了不同平台、不同硬件设备之间的沟通障碍。 未来的h m i 系统为我们展现出了美好的前景，但是今天，用户在选择m t i 系 统时所考虑的首要问题还是成本和可靠性，有时甚至可能把那些功能强大的高端 系统排除在外。随着最新技术的发展一无论是小规模试用还是正在处于测试阶 段，厂商势必都将为用户提供价格更为合理，功能更强，性能更稳定的h m i 系统， 从而满足未来生产力提升的需型1 6 】。 1 3 3 变频器技术发展趋势 变频器是把工频电源变换成各种频率的交流电源以实现电机的变速运行的 设备。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直 流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。 对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转 矩计算的c p u 以及一些相应的电路。当今的运动控制系统包含多种学科的技术领 域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智 能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能 变压变频的交流电源而得到迅猛发展【1 7 】。 随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频 器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现 变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努 力。变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响；二要看对 电网的谐波污染和输入功率因数；三要看本身的能量损耗如何。这里仅以量大面 广的交一直一交变频器为例，阐述它的发展趋势【1 8 】： ( 1 ) 主电路功率开关元件的自关断化、模块化、集成化、智能化；开关频率不 断提高，开关损耗迸一步降低。 ( 2 ) 变频器主电路的拓扑结构方面。变频器的网侧变流器对低压小容量的装置 常采用6 脉冲变流器，而对中压大容量的装置采用多重化1 2 脉冲以上的变 流器。负载侧变流器对低压小容量装置常采用两电平的桥式逆变器，而对 中压大容量的装置采用多电平逆变器。对于四象限运行的转动，为实现变 频器再生能量向电网回馈和节省能量，网侧变流器应为可逆变流器，同时 出现了功率可双向流动的双p w m 变频器，对网侧变流器加以适当控制可使 输入电流接近正弦波，减少对电网的公害。 1 0 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 脉宽调制变压变频器的控制方法可以采用正弦波脉宽调制控制、消除指定 次数谐波的p w m 控制、电流跟踪控制、电压空间矢量控制( 磁链跟踪控制) 。 ( 4 ) 交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动态性能 的矢量控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的矢量控制和直接转 矩控制系统方面。 1 4 本文结构及研究方法 本文本文针对铅钙合金浇注系统的功能目标，分析了现有自动浇注控制技术 的优劣，提出了自动浇注系统的方案。对自动浇注控制系统的软硬件进行了总体 设计。重点对自动浇注系统的恒容重控制这一难点技术进行了研究。多传感器称 重的信号处理方法上进行了探讨。分析了恒容重控制对象的动态特性，并利用 m a t l a b 仿真工具对控制对象进行p i d 控制仿真【1 9 1 【2 0 1 【2 1 1 ，获得了系统的控制特性。 考虑到铅钙合金的物理化学特性，进行了控制相关部分的虚拟仿真，为后面现场 实验提供了可靠的理论依据。结论部分指出了本文得出的重要结论和创新点。本 文的分析思路如图1 - 3 展开。 对恒容重控制难点技术进行 分析研究 专 墓嚣萋垂耕羹 藕嘉容篓篓橐蓉替籍巽 现场安装i 殳餐，进行相关实验，对实验 结果进行分析 全文总结 图1 - 3 本文研究思路 竺盐 雩翠墅警 匮哑 中南人学硕十学位论文 第二章自动浇注控制系统软硬件设计 第二章自动浇注控制系统软硬件设计 2 1 自动浇注系统的功能要求 2 1 1 现有浇注系统分析 目前直线连续铸型机普遍采用全敞开直线往复式浇注技术，由机械挂钩保持 与铸型机的同步【2 2 】。目前浇注系统不能满足铅钙合金浇注的主要原因在于： ( 1 ) 全敞开式，熔体完全与空气接触，造渣严重； ( 2 ) 浇注流速大，造