毕业论文)基于plc的铜材成型机水平牵引电控系统的设计

毕业论文)基于plc的铜材成型机水平牵引电控系统的设计内容摘要：

四步流程，可使坯料在结晶器中的阻力减小，并使坯料在结晶过程中晶粒细化，有较高的致密性，导致力学性能和电学性能的改善。 其二，在引锭机构动作的控制模式上，既可使用自动连续运行，也可以手工点动控制。 本课题研究的主要内容： 设计出由可编程控制器、变频器和变频调速异步电动机组成的水平牵引驱动控制系统。 水平牵引机构的推拉时间比为 1: 3 ~1: 4，连铸周期为 5 ~ 20 s，牵引节矩为 10 ~ 40 mm。 具体指 标为： ⑴、牵引 — 停牵 — 后推 — 停推四步流程每段时间在 [0 ]秒可调，并用 LED 分别显示； ⑵、牵引电机进行变频调速；能双向连续运行和点动控制，速度分别可调。 ⑶、系统起动从牵引阶段开始，系统停止在停牵阶段内完成。 5 第 2 章 系统方案的 设计 一个产品是否有市场，不但要看能否满足我们的要求，同时也要考虑到的性价比以及它的发展前景是否很好，同样，我们设计一个系统会有很多种途径来实现，具体用那种我们就要通过相互比较从中选优，这样才能使系统功能更加完善，与之相应的资源配制就更加合理。 在这个设计中 ， 我 们要对进行一系列的方案比较与选择 ， 从中选择出适合的方案。 总体设计框图 本章是该设计的方案部分，对设计中所采用的芯片从多方面综合的进行比较，最后经过仔细的研究后决定所选的器件由于我国的铜型材加工企业绝大多数是中、小型企业，它们的经济承受能力有限，技术维护能力较弱，采用新型数控交流伺服调速技术，短期内难以打开市场；若采用直流调速技术又面临着在较短时间内被交流调速技术淘汰的困境。 因此针对客户群的实际，开发一种采用新型数控变频技术的水平牵引连铸设备就显得尤为必要。 其核心工艺要求控制功能较为简单，从高 可靠性和高性价比方面考虑，我们提出了采用 PLC 控制器、 VVVF、 电源、变频调速异步电动机和高达 60： 1 的减速器组成的驱动控制系统，不仅可以完成水平牵引工艺的四节拍流程，系统还便于维护和调试。 这种方案与采用晶闸管整流器和直流电机，配以测速发电机构成闭环直流调速驱动方案相比，在性能和价格相当的条件下，具有可靠性高、节约电能、维护工作量小的优点；与采用工业计算机控制交流伺服电动机的方案比同样具有可靠性高、节约电能等优点的同时，还具有投资省、维护工作量小的优点 [3]。 本设计采用途径的总框图如图 21 所示。 6 PLC控制器V V V F 变 频 器水 平 牵 引 连 铸 设 备减 速 箱工 频 电 网频率给定变 频 电 机M 图 21 图 基于 PLC 的铜材成型机控制系统的框图 根据铜加工生产工艺技术与装备对拖动电机的要求，牵引机构在每个周期中速度的变化规律包含四个时段，如图 22 所示。 图中为  设定的牵引机的线速度， t 为电动机运行的时间。 T 1T 2T 3T 4tv 图 22 电动机运行时间要求 控制要求如下 : （ 1）设置四段时间 T1— 正向牵引时间、 T2— 正向停止时间、 T3 反向后推时间和 T4—反向停止 时间； （ 2） T1, T2, T3, T4 时间在 []秒间独立可调； 7 （ 3）电机用变频器进行变频调速； （ 4）起动从 T1 开始，停止在 T2 进行； （ 5）有正、反向点动控制，点动速度单独可调； （ 6）频率调节范围 0~100Hz，频率调节精度。 本设计采 用 PLC 控制器控制变频电机的正转、停止、反转、停止，通过控制这四种状态的时间来控制变频电机实现铜材水平牵引连铸工艺独特的牵引一停牵一反推一停推四节拍的流程来取代炉振、打链、棘轮或继电器方式控制的垂直牵引连铸工艺。 并可在线调整工艺参 数、改变铸造速度、牵引频率和节距。 铜加工工艺要求电机频繁正、反转，且调速范围要求较高。 故须采用带专用于散热的恒速风扇的专用电动机，考虑到变频器供电的特殊性，我们选用专用的变频调速电动机。 实现对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器： VVVF（ Variable Voltage Variable Frequency） 装置。 通过变频器可任意改变电源输出频率从而任意调节电机转速 ,实现平滑的无级调速。 根据铜加工生产工艺技术与装备对拖 动电机的要求，牵引机构在每个周期中速度的变化规律包含四个时段。 用水平牵引连铸工艺替代目前国内尚广为沿用的垂直牵引连铸工艺是一项革新的趋势，因它省去了一道对产品校直的工序，如何为水平牵引连铸工艺配套引锭机构的驱动控制有多种方案可供选择。 通过方案论证 ， 本文选用了 PLC 控制器、 VVVF 电源和调频调速电动机与蜗轮减速箱的组合，实现了可以在线调节生产工艺参数的定时开环控制。 连续铸造工艺过程 连续铸造工艺指的是将具有合适温度的待铸熔体导入通水强迫冷却的结晶器中 , 当熔体凝固成具有一定强度的凝壳后 , 借助于引 锭杆和牵引辊将已凝固的坯料连续地拉出结晶器 , 而当坯料达到其所设定的长度时 , 将被同步地自动切断。 设备结构 设备结构 如图 23 所示 8 12 345661 工 频 感 应 线 圈 2 炉 体 3 结 晶 器4 引 锭 装 置 5 自 动 锯 6 导 轨 图 23 水平牵引连续铸造设备示意图 设备的特征 该设备具有两大特征：其一，特有的周期性的牵拉 — 停牵 — 反推 — 停推四步流程， 可使坯料在结晶器中的阻力减小，并使坯料在结晶过程中晶粒细化，有较高的致密性，导致力学性能和电学性能的改善。 其二，在引锭机构动作的控制模式上，既可使用自动连续运行，也可以手工点动控 制。 前者是在对不同批号产品的各种规范工艺参数已摸准的情况下进行的 ， 操作人员只要面对控制屏值班监控就可以了 ， 后者则在需要摸索优化工艺参数和每炉铜料引锭初始阶段使用。 引锭工艺参数： a、 牵引周期 T  21 mm mR S fV pk  (21) R 为牵引半径， p 电动机级对数， mk 机械减速比， S 电动机转差率， mf 为 VVVF 电源的输出频率。 T = ABt + BCt + cdt + DAt (22) 9 A BC DA 180。 VmV / ( m m • s 1)t / s 图 24 引锭机构速度变化波形图 ABt 为牵拉时间， BCt 为牵拉停止时间， cdt 为反推时间， DAt 为反推停止 时间中速度波形有两次升和降，它是由 VVVF 电源中频率的升降速率所引起的，时值。 为了适应不同截面、形状和不同规格产品生产的需要，在保证产品截面上金相质量和较高生产率的前提下，对周期 T 的选择应能做到在较宽的范围内在线可调。 b、 反推时间与牵拉时间的比值 CDABtt (23) 显然，  愈小，生产率愈高，但从铸坯在结晶器中所受的摩擦阻力 和在结晶过程中 对坯料内应力控制方面考虑，  的设置是必要的，它的取值不能太小，较佳的  才有较 好的截面晶粒品相，根据调试经验，  的最佳范围在 1:3— 1:4。 c、 牵拉停止延时间 它反映从控制器发出牵拉停止指令到发出反推启动指令之间的延时，其中包括了 0. 1 s的频率下降延时，设置 BCt 为的是使铸坯在结晶器的出 口达到合适的冷却温度，具体数值的选择需要根据铜水的温度和型材的几何尺寸综合考虑。 d、 牵拉节矩 它是一个周期中坯料被牵拉的净长，可由 (1)， (2)可以导出   2 1 1m ABmR f s aytpk  (24) 其 R 为牵引辊半径 p 为电动机极对数 ， mk 为机械减速比 ， S 为电动机转差率 ， mf 为VVVF 电源的输出频率， mf 、 ABt 和  可供优化选择。 10 核心控制器的比较与选择 常见的控制器比如 PLC、单片机、继电器控制等等。 所谓单片机系统就是采用目前市场上的单片机 CPU 及其它外围芯片，根据不同系统设计电路板，最终设计成一台简易的计算机系统，并在此基 础上设计程序以达到所要求的控制功能。 这种形式在 80 年代国内很流行，但由于受到本身可靠性及其它方面 的限制，目前除了仪表上仍然采用外，在工业现场的应用已逐步被 PLC 所代替。 单片机的可靠性：由于目前国内市场上的单片机芯片的品质良莠不齐，很大一部分还是国外筛选出来的次等品，加上其它外围元件（如电阻、电容等）的参数离散性也很大，批量小的产品不可能经过筛选配对等技术处理，因此这样的产品很难做到很好的一致性和高可靠性，因为任一元件的参数偏离设计要求都会引起系统的不稳定。 另外，单片机的所有器件均不是工业级的 ，抗干扰性特别是抗电源干扰能力很弱，而国内的电源一般都很差，加上压片机的变频调速对电源的干扰很大，因此，更可能引起单片机系统的不稳定。 单片机的可扩展性：由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的，所以要增加一个功能就要重新设计线路，而且对应的程序都要重新设计。 这样对于增加功能的开发成本和周期都 会增加。 单片机的可维护性：一旦单片机系统出现故障，很难诊断出故障元件，最简单的方法是更换整个系统，这样维修成本增加了。 操作：现在国内单片机系统的操作均采用自设计的键盘，设定数据用拨码开关，显示用 LED， 整个面板显得繁锁，而且为了减少操作键，设计时往往一键多用，操作人员很难脱开说明书操作。 特别是故障显示只能显示故障代码，一旦发生故障，操作人员必须翻阅说明书方能发现故障所在，最终按说明书指示排除故障，这样排除故障的时间相对较长。 总之，这样的人机对话不够友善 [4]。 而继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其连线多而复杂，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。 另外继电器触点数目有限，每只只有 4— 8 对触点，因此灵活性和扩展性很差。 而 PLC 采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序，其连线少，体积小，功耗小。 11 （ 1）工作方式：当电流接通时，继电器控制线路中各继电器都处于受约状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的因某种条件限制不能吸合。 而 PLC 的控制逻辑中，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。 （ 2）限时控制：继电器控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制。 时间继电器一般分外为空气阻尼式，半导体等，其定时精度不高，且受环境和温度的影响，调整时间困难等问题。 PLC 使用半导体集成电路作定 时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，定时范围一般从 到若干分钟甚至更长，用户可根据需要在程序中设定定时值，后由软件和硬件计数器来控制定时时间，定时精度小于 10ms 定时时间不受环境的影响。 （ 3）设计与施工：使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计，施工须依次进行，周期长，而且修改困难。 而用 PLC 完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。 （ 4）可靠性和可维护性：继电器逻辑控制所有大量的机械触点，连线多。 触点开 闭时会受到电弧的影响，因此可靠性和可维护性差。 而 PLC 采用微电子技术，大量开关动作由无触点的半导体电路来完成，它体积小，可靠性高。 PLC 还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障。 可编程控制器（ PLC）： 所谓 PLC 系统就是采用目前市场上各大工业控制厂家生产的可编程控制器，根据要求选用不同的模块，在此基础上设计程序以达到所设计的功能。 这种形式目前在工业现场应用最为广泛。 PLC 的可靠性：进口 PLC 采用的 CPU 都是生产厂家专门设计的工业级专用处理器，其余各元件也是直接向生产厂家购买的，经过严格 挑选的工业级元件，另外它的电源模块也是集各大公司工业控制的经验而特别设计的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力有很大提高，即使在电源很差和变频调速的干扰下仍能正常工作。 PLC 的可扩展性：要增加一个功能只要增加相应的模块和修正对应的程序，而 PLC的编程相对比较简单，这样对于开发周期会缩短。 PLC 的可维护性： PLC 本身有很强的自诊断功能，一旦系统出现故障，根据自诊断很容易诊断出故障元件，即使非专业人员也能维修，如果故障由于程序设计不合理引起，由于它提供完善的调试工具，要找出故障也较为简单。 特点：价格与前二种控 制器相比略贵，可靠性好，操作简单。 综合以上的分析和比 12 较，最终决定采用 PLC。 调速方案多。