王焱玉，秦展田

（1．湖南工業(yè)職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410208；2．桂林航天工業(yè)學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

電磁攪拌作為改善金屬元素分布和組織的一種有效的工藝方法已廣泛應用于鋼、鋁、鈦等合金的熔鑄控制技術中［1，2］。電磁攪拌裝置包括電磁攪拌器、變頻電源、控制設備以及冷卻水處理系統(tǒng)。電磁攪拌器的工作頻率一般在幾赫茲左右，處于低頻區(qū)域，但是其逆變器裝置的載波開關頻率卻超過1kHz，處于中頻區(qū)域。攪拌形式主要有旋轉攪拌、直線攪拌和雙邊行波磁場產生的旋轉攪拌。目前該方面可實現的電路很多，有的采用調節(jié)電阻的大小來改變輸出電流幅值，其輸出電流精度不高，控制不方便；有的直流、交流分開實現，交流采用行波磁場（TEMS）或旋轉磁場（REMS），直流在交流基礎上整流濾波獲得，加上電流閉環(huán)控制，其硬件電路復雜。

本文提出了一種基于歐陸數字調速器P590＋的電磁攪拌控制系統(tǒng)，配合SIMENS可編程控制器方便實現交直流形式，并能通過軟件設定和修改電流大小和交流電流的運行周期，其輸出電流精度高，自動化程度高，控制柔性強。

1 控制系統(tǒng)的結構

本系統(tǒng)能夠向穩(wěn)弧線圈提供直流和交流兩種工作方式，電流在0A～60A范圍內連續(xù)可調，同時交流電流的變化周期為0．1s～300s。電磁攪拌系統(tǒng)應用于真空自耗電弧爐，產生可調的直流、交流形式的穩(wěn)弧電流，其系統(tǒng)結構如圖1所示。

由圖1可知，該系統(tǒng)主要由電子攪拌控制、PLC、P590＋硬件電路以及攪拌線圈等幾部分組成。其中采用P590＋使得系統(tǒng)簡單緊湊，配合其內部的PID控制，可獲得高精度的線圈電流，從而獲得了較好的攪拌效果。

圖1 電磁攪拌系統(tǒng)結構方框圖

2 系統(tǒng)控制原理

操作者根據不同的工藝要求在工控機OPT界面設定電磁攪拌所需要的電流形式和數值，交流形式還可設置電流周期。該設置通過工控機和PLC的通訊傳遞給可編程控制器，由PLC根據設定參數執(zhí)行程序，產生電流信號加載于硬件電路。電流實時采樣值反饋回P590＋，調速器通過內部比較和自整定（Selftune）算法［3］輸出符合精度要求的電流加載到電磁線圈，從而產生與設定參數對應的攪拌磁場，在工作中進行有效攪拌。該系統(tǒng)包含兩個重要過程：電流的放大及精度控制、交直流電流的實現。

2．1 電流的放大和精度控制

PLC輸出的模擬信號范圍為4mA～20mA或－10V～＋10V，若將該信號直接放大至所需的電磁攪拌工作電流如40A，則增益將達到1 000倍。由于具有如此大增益的放大器件很少，同時為保證工作電流的精度和穩(wěn)定的電弧還需對工作電流進行采樣反饋和PID控制，因此系統(tǒng)選用歐陸數字直流調速器P590＋，系統(tǒng)硬件電路圖如圖2所示。P590＋調速器內部集成了一些控制模塊，其響應快、控制簡單方便；同時還具有結構緊湊、體積小、可適應性強、維護方便的特點。

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

本系統(tǒng)采用變壓器將三相工頻交流電降壓至一定值作為調速器的輸入，該電壓對應電磁攪拌的所需功率，這樣可以減少直接連接三相電源帶來的干擾，對系統(tǒng)起到了很好的隔離作用。在P590＋的端口中，當C8接上＋24V時，A3為電流設定輸入，其輸入范圍為－10V～＋10V，當輸入為－10V時，對應為100%正電流給定；當輸入為＋10V時，對應為100%負電流給定。其中A5、A6分別為電流幅值的正、負鉗位，將電流很好地控制在安全允許的范圍內。采用電流采樣反饋回A9、B1端口，再利用P590＋內部的PID自整定模塊，通過面板預先設置的相關參數和形式來實現電流精度的控制，該方法減少了PLC的程序設計，控制方便，該電流加載于電磁攪拌線圈，使其產生穩(wěn)定的磁場，對液態(tài)金屬攪拌更均勻，同時對熔煉電弧起到了很好的穩(wěn)弧作用，從而使金屬鑄坯能達到良好的結晶組織和性能。

2．2 交直流的實現

P590＋的輸出為直流形式，信號簡單、可控，通過改變輸出信號的方向和時間來實現交流輸出。本系統(tǒng)采用PLC軟件編程輸出可調的直流電流給定加載于P590＋的A1、A3端口，將A＋、A－端口對應輸出的電流加載于電磁攪拌線圈，系統(tǒng)程序詳見流程圖3。

由圖3可知：采用直流形式獲得交流輸出的實現方法是先由P590＋輸出獲得DC＋，再通過PLC程序對DC＋采用0－（DC＋）的計算來獲得方向相反的直流信號，同時由PLC通過調節(jié)DC＋和DC－的時間設定交替輸出一定周期的脈沖電流給定，調用自編模塊scale來確定上位機設定的輸出與給定電流之間的關系，從而確定了攪拌電流的交直流形式和電流大小值。再通過D／A轉換輸出正負交變的模擬電壓信號加載于數字調速器P590＋，調速器的輸出端口A＋、A－對應輸出交變的幅值相等、方向相反的電流來實現交流形式的攪拌。

圖3 PLC程序流程圖

3 結論

該系統(tǒng)采用了數字給定、電流實時采樣反饋和PID閉環(huán)控制來實現對電弧電流的精度控制，且結構簡單緊湊，柔性強，可用于各種熔煉爐，以滿足不同鑄坯不同工藝的要求。

該系統(tǒng)用于電弧爐控制，在實際應用中能滿足不同熔煉攪拌工藝要求，同時對電弧熔煉爐還具有穩(wěn)定電弧的作用，能夠補償因熔池的旋轉對電弧的影響，使其移動到坩堝壁的幾率減小，同時使熔池的漩渦效應減輕，實際熔池變淺，獲得了良好的攪拌效果。

［1］ 王曉東，趙恂，李挺舉，等．磁力攪拌法的研究與開發(fā)［J］．材料科學與工藝，2000，8（4）：1－5．

［2］ 趙明寬．S7－300PLC在線連續(xù)鑄鋼電磁攪拌工程中的應用［J］．電氣時代，2009（10）：104－105．