徐　進，陳先鋒，邵黎軍，劉志明，李　軍

(江蘇共昌軋輥股份有限公司，江蘇 宜興　214253)

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噴射成形沉積體PLC運動控制建模方案*

徐進，陳先鋒，邵黎軍，劉志明，李軍

(江蘇共昌軋輥股份有限公司，江蘇 宜興214253)

介紹了噴射成形沉積體運動方式的設計及PLC運動控制的建模方法，分析了系統(tǒng)控制難點和解決方案；對于長軸面的噴射成形作業(yè)具有通用性的借鑒意義，對于新材料的開發(fā)具有積極的推動作用。

粉末冶金; 噴射成形； PLC控制； 系統(tǒng)建模

引言

噴射成形是上世紀60年代提出的學術思想，該技術是從傳統(tǒng)的快速凝固粉末冶金(RS/PM)工藝基礎上發(fā)展起來的快速凝固近終成形材料制造技術。它是一項涉及粉末冶金、液態(tài)金屬霧化、快速冷卻和非平衡凝固等多領域的新型材料制備技術。其基本工作原理是利用惰性氣體將合金熔體霧化成不同尺寸的熔滴，然后沉積到接收基體上，凝固成結(jié)合良好的接近完全致密的坯件；通過調(diào)整沉積體的形狀和控制沉積體相對于噴嘴的移動，可以制成不同形狀的沉積坯件。噴射成形技術相對于傳統(tǒng)的粉末冶金工藝，制備的材料晶粒更加細小，組織更為均勻，且能夠抑制高合金化材料中的宏觀和微觀偏析，材料的力學性能幾乎沒有各向異性，致密度高。此外，由于噴射成形制成的合金含氧量低，耐磨性和耐腐蝕性也大大提高，被廣泛應用于航空航天等軍事領域。但噴射成形技術的難點在于復現(xiàn)性差，不易于找到統(tǒng)一的控制模式，本文旨在從實際應用之角度對長軸面沉積體的噴射成形作業(yè)進行控制方案的分析、設計，尋找一些規(guī)律和技巧，以達到生產(chǎn)出高質(zhì)量產(chǎn)品的效果。

1　系統(tǒng)總體控制方案設計

不同生產(chǎn)條件下，噴射成形原理上沒有多大差別，但生產(chǎn)裝置和控制方法等方面是解決該技術的關鍵。江蘇共昌軋輥股份有限公司(以下簡稱“江蘇共昌”)通過對國家“十二五”科技支撐計劃項目的組織實施，成功研發(fā)出適合噴射成形軋輥的成套設備，如圖1所示，包括熔煉系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、霧化沉積系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、沉積體精確運動控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，及PLC上位機控制系統(tǒng)、霧化沉積監(jiān)控系統(tǒng)等。

圖1　噴射成形總體控制示意圖

真空熔煉感應爐置于中間包上方，熔煉鋼水經(jīng)除渣、脫氧后直接傾倒至中間包坩堝，以減少由于運輸造成的熱量損失。中間包坩堝采用感應加熱進行鋼水恒溫處理，主要采用鎢錸熱電偶進行測溫和信號反饋，閉環(huán)控制中頻電源輸出功率，保證了鋼水的澆鑄過程溫度一致。對中間包坩堝進行了特殊設計，采用雙室坩堝，一方面隔墻底部開孔的連通器可以保證鋼水的純凈度，另一方面讓水口位保持一定的壓強，有效地防止了堵嘴及噴射不均等異常情況的發(fā)生。

設備的傳動系統(tǒng)包括熔煉坩堝的傾倒、沉積體裝載小車的進出、沉積體的升降及自轉(zhuǎn)、沉積體U型加熱器的定位與加熱控制、噴射艙的閉鎖和密封、霧化氣的控制等。其中沉積體的升降及自轉(zhuǎn)需要精確的變頻調(diào)速控制，選用Micro Master440系列變頻器，MM420變頻器由微處理器控制，采用具有現(xiàn)代先進技術水平的絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性及功能的多樣性。MM420變頻器的控制方式有多種，可以通過數(shù)字量加模擬量實現(xiàn)簡單控制，也可以通過USS或PROFIBUS的方式與其他控制單元通信連接。在變頻調(diào)速控制上我們采用PLC輸出模擬量控制變頻器輸出頻率和開關量控制啟停來實現(xiàn)。設計的噴射成型控制系統(tǒng)(如圖2所示)主要由可編程序控制器PLC、工業(yè)控制計算機、上位組態(tài)控制軟件(WINCC)、現(xiàn)場傳感變送器、執(zhí)行器(如電動機等)、閥門機構(gòu)等組成。

圖2　噴射成形組態(tài)控制示意圖

下位機選用的是西門子S7-300系列PLC，包括CPU模塊、信號采集模塊、電源模塊等。選用SIMATIC工控機作為上位監(jiān)控系統(tǒng)，以及西門子組態(tài)軟件WINCC。工控機上安裝有CP5611通訊卡，上、下位機之間采用MPI方式進行通訊連接。WINCC組態(tài)軟件可以實現(xiàn)人機交互界面，可以對噴射過程進行方便直觀的監(jiān)視、控制及數(shù)據(jù)的歸檔和報警信息的處理；PLC和現(xiàn)場具體設備相連，PLC程序?qū)崿F(xiàn)對設備整體工作流程的具體控制實現(xiàn)；PLC通過協(xié)議與WINCC實時交換數(shù)據(jù)。

2　上位監(jiān)控系統(tǒng)WINCC軟件設計

2.1設計方案

WINCC組態(tài)軟件是一個集成的人機界面HMI和監(jiān)控管理系統(tǒng)，WINCC中提供了ANSI-C和VBS語言腳本，具有標準的應用程序接口，通過ODBC和SQL能訪問WINCC所集成的數(shù)據(jù)庫歸檔數(shù)據(jù)。WINCC主要由控制中心、系統(tǒng)控制器和數(shù)據(jù)管理器等模塊組成，其中控制中心組合了系統(tǒng)操作所需的全部數(shù)據(jù)，并確保按等級數(shù)據(jù)進行存儲，系統(tǒng)控制器進行通訊管理，而數(shù)據(jù)管理器主要是用于處理變量值。在設計控制軟件時之所以選用WINCC組態(tài)軟件，除了因為其功能強大之外，還兼顧考慮到其本身提供有下位機S7-300PLC的驅(qū)動程序，可以嵌入編程工具STEP的管理器，使得上位機程序和下位機PLC程序可以被統(tǒng)一管理，二者鏈接非常容易實現(xiàn)。監(jiān)控主畫面(如圖3所示)根據(jù)實際生產(chǎn)需要主要對噴射過程進行動態(tài)管理與監(jiān)控，有工藝參數(shù)設置部分、沉積體負載小車4個方向及自轉(zhuǎn)控制部分、沉積小車模擬運行動態(tài)畫面、各電機轉(zhuǎn)速及位移隨動顯示部分、報警單元、沉積體加熱器及安全門聯(lián)鎖運動控制部分等，其中一些子畫面由按鈕調(diào)用。

圖3　噴射成形監(jiān)控主畫面設計圖

畫面中左側(cè)中上部顯示模擬的各部件單元的運動狀態(tài)，左下部分分別顯示了X，Y，Z軸的運動速度曲線的實時監(jiān)控，畫面右側(cè)分別是噴射成形工藝參數(shù)設置、噴射沉積體的手動定位，啟?？刂?，下方為子畫面調(diào)用按鈕。

2.2控制程序

2.2.1工藝參數(shù)的設置與修改

圖4　噴射成形系統(tǒng)工藝參數(shù)設置畫面

點擊“設置參數(shù)”會自動進入?yún)?shù)設置畫面，如圖4所示。在獲取參數(shù)修改權(quán)限后可以對控制工藝參數(shù)進行修改。主要的參數(shù)分為三塊內(nèi)容：1)X軸、Y軸的單圈移動距離及Y軸的提升速度控制；2)X，Y，Z軸的減速機的減速比；3)運行參數(shù)設置的極限值，防止超出安全控制的參數(shù)范圍。而對于復現(xiàn)性的產(chǎn)品生產(chǎn)，也可以從預先存入的數(shù)據(jù)庫中直接進行參數(shù)調(diào)用(如圖5所示)，為數(shù)據(jù)管理及工藝改進提供方便。

圖5　噴射成形系統(tǒng)參數(shù)調(diào)用與存儲畫面

2.2.2啟動或停止作業(yè)

在參數(shù)修改或調(diào)用程序結(jié)束后，需要手動定位沉積體的起始點，通過點擊主畫面右側(cè)的“手動定位”按鈕獲取權(quán)限，通過調(diào)節(jié)四個方向?qū)㈧F化噴嘴定位在沉積體左側(cè)的起點位置。定位結(jié)束后，沉積體進行預熱，紅外測溫儀檢測預熱溫度并自動反饋至中頻裝置，達到預設溫度后，中頻裝置關閉，沉積體裝載小車運行至起噴點位置，鐵水霧化氣壓(40 MP)正常、中間包坩堝內(nèi)鐵水溫度滿足后，點擊“啟動按鈕”，鐵水泄流閘閥打開，沉積體自轉(zhuǎn)同時沉積體裝載小車按預設方向開始移動，噴射成形作業(yè)按設定的工藝路線開始運行。噴射作業(yè)直到沉積體直徑達到目標直徑時自動終止。

在噴射成形加工過程中，暫停按鈕可以隨時終止噴射作業(yè)，再次點擊暫停按鈕，將按照原先的加工進度上繼續(xù)執(zhí)行噴射作業(yè)。急停按鈕用于在系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況下切斷伺服電機電源之用。報警子畫面列出了故障信息，如圖6所示。

圖6　噴射成形系統(tǒng)故障信息畫面

畫面上顯示出X，Y，Z軸伺服電機及電源模塊的工作狀態(tài)，當出現(xiàn)故障報警時，可以查看相應的報警代碼。同時，也可以通過操作相對應的復位按鈕將報警進行復位。

2.2.3動態(tài)監(jiān)控

曲線畫面主要用于噴射過程中對X，Y，Z軸伺服電機運行轉(zhuǎn)速的動態(tài)實時監(jiān)控，如圖7所示。

圖7　噴射成形系統(tǒng)電機轉(zhuǎn)速監(jiān)控畫面

3　控制系統(tǒng)建模方案

軋輥長軸噴射成形要兼顧多種條件因素，要在鐵水霧化噴射掃描速度、往返運行速度、基軸變速下降、霧化氣體壓力的調(diào)節(jié)等方面達到和諧的統(tǒng)一，才能在保證較高的沉積收得率的前提下噴射出致密的冶金結(jié)合良好的產(chǎn)品。軋輥基材在真空噴射倉內(nèi)用U型中頻感應加熱器預熱到1200 ℃，真空環(huán)境預防了基材氧化，高溫預熱保證了冶金結(jié)合。

3.1建模相關參數(shù)的定義與設定

工件沉積區(qū)長度：X(mm)，

工件起始直徑：Y(mm)，

工件目標噴射直徑：Z(mm)，

鐵水流量：A(kg/min)，

工件旋轉(zhuǎn)線速度：B(mm/min)，

沉積帶寬：C(mm)，

起始橫向速度：E(mm/min)

沉積率：H(%)。

3.2噴射成形工作狀態(tài)的運動控制和算法

3.2.1堆積厚度(D)

D=(鐵水流量*沉積率)/(7.85×線速度×帶寬) =(A×H)/(7.85×B×C)。

3.2.2工件起始速度(F)

F=工件線速度/(起始直徑×∏)=

B/(Y×∏)。

3.2.3工件旋轉(zhuǎn)的速度控制

工件線速度/(工件直徑×∏)=B/(Y+2×D)×∏=B/[Y+2×A×7.85/(B×C)]×∏。

3.2.4工件橫向行走速度

起始橫向速度*起始直徑/工件直徑=

起始橫向速度*起始直徑/(起始直徑+2×堆積厚度)=E×Y/(Y+2D)。

3.2.5工件橫向運動的次數(shù)N(以改變運動方向計數(shù))

N=(工件目標直徑-工件起始直徑)/(2×堆積厚度)=(Z-Y)/(2×D)。

3.2.6下降位移控制(以每個橫向運動行程結(jié)束時下降一次)

每次下降的距離=堆積厚度=D。

3.3關鍵控制點—起噴點的設置方案

1) 設置原則：從一端向另一端進行鐵水噴射掃描堆積，起噴點改變了傳統(tǒng)的以中心點為基準向兩側(cè)掃描的方式，實際證明，設計為端點定位的控制方式更加合理；

2) 噴射起噴位設置有接近開關，當沉積體工件裝載小車到達此位置時，信號反饋至主程序，主畫面有到位信號指示燈，而噴射過程中該信號將直接控制沉積體裝載小車橫向位移的反向動作。

通過將以上的建模方案定義至S7-300，對應的PLC程序設計將異常簡便。

4　結(jié)束語

噴射成形設備結(jié)構(gòu)形式復雜多樣，比如有單噴嘴、雙噴嘴和多噴嘴等；有沉積體工件水平方向和豎直方向移動，或沉積體固定而噴嘴移動等方式；設備配置不同其控制方案也相差迥異。本文僅就江蘇共昌沉積體工件水平移動方式(包括隨著沉積厚度的增加為保證鐵水噴射霧化距離而進行的本體下降運動)做出了控制方案設計說明，對關鍵的結(jié)構(gòu)件如U型中頻感應加熱器、恒壓雙室保溫中間包坩堝、霧化噴嘴系統(tǒng)等進行了自主開發(fā)設計，部分申報了國家專利。PLC控制系統(tǒng)設計先進，運行可靠，保證了噴射成形工藝執(zhí)行過程中的零誤差。系統(tǒng)可維護性好，提高了項目的自動化作業(yè)率和工作效率，鐵水霧化沉積率在80%以上，在行業(yè)中有比較好的借鑒意義。

[1]張濟山，熊柏青，崔華.噴射成形快速凝固技術——原理與應用[M].北京：科學出版社，2008.

[2]許加星，噴射成形設備控制系統(tǒng)研究與應用[D].西安：西安電子科技大學，2009.

2016-03-21

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