魯逸帆 王庭有

（昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

我國(guó)是一個(gè)鑄造大國(guó)，但是與國(guó)外成熟的鑄造設(shè)備相比，在自動(dòng)化程度、澆注精度等方面仍有提升空間。 因此，提高我國(guó)鑄造技術(shù)的技術(shù)水平和鑄造產(chǎn)品的質(zhì)量，就必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆注并提高澆注精度［1～6］。筆者提出基于澆包轉(zhuǎn)角的自動(dòng)傾轉(zhuǎn)澆注控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)定速自動(dòng)澆注。

1 系統(tǒng)組成

如圖1所示， 基于澆包轉(zhuǎn)角的自動(dòng)傾轉(zhuǎn)澆注控制系統(tǒng)采用PLC作為控制核心， 將電機(jī)速度控制信號(hào)輸送至伺服驅(qū)動(dòng)器，再由伺服驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；電機(jī)帶動(dòng)澆包轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由角位移傳感器測(cè)量澆包的轉(zhuǎn)角并將澆包轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)輸出至PLC，PLC程序根據(jù)澆包轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速；觸摸屏作為人機(jī)界面， 實(shí)現(xiàn)控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的操作，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)工作原理

2 建立澆注量與轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)模型

圖2 θ0、θ1示意圖

當(dāng)澆包轉(zhuǎn)角θ∈［θ0，θ1］時(shí)，包內(nèi)剩余的金屬液體積等于圓柱體積1加上圓柱體積2的一半，如圖3所示。

圖3 θ∈［θ0，θ1］時(shí)剩余金屬液示意圖

圖4 θ∈（θ1，］時(shí)剩余金屬液示意圖

取某型澆包r=305 mm，h=620 mm， 澆注速度C=2.4 L/s，并將這些參數(shù)代入上述推導(dǎo)過程。

由于式（5）是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)表達(dá)式，在接下來編寫PLC程序時(shí)難以實(shí)現(xiàn)， 故通過數(shù)據(jù)擬合將式（6）擬合為一個(gè)如圖5所示的多項(xiàng)式函數(shù)。

圖5 擬合結(jié)果

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 PLC

選用S7-1500PLC作為控制核心， 型號(hào)為CPU 1511T-1PN（6ES7 511-1TK01-0AB0）。

由于該型PLC沒有模擬量輸入端口， 故再選加AI 4×U/I/RTD/TC ST模擬量輸入模塊。

3.2 伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)

考慮到負(fù)載等實(shí)際情況， 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用SINAMICS V90交流伺服系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的型號(hào)分別是6SL3210-5FE17-0UF0 和1FL6096-1AC61-2LH1。

SINAMICS V90是西門子推出的一款小型、高效便捷的伺服系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制和扭矩控制［7］。

3.3 觸摸屏

由于本系統(tǒng)僅需實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)啟動(dòng)、停止以及監(jiān)控少量數(shù)據(jù)的功能， 故選用西門子KTP400Basic PN觸摸屏即可。

3.4 角位移傳感器

選用MCJSV010A-2-A-1型角位移傳感器，量程0～180°，輸出電壓0～10 V。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 PLC程序

PLC程序采用梯形圖混合SCL語言編程。系統(tǒng)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，將角位移傳感器采集的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所需的角度信息， 模擬量轉(zhuǎn)換SCL程序語句如下：

#anl:=INT_TO_REAL（#anl_in）；

#th:=#anl/27648*（#max-#min）+#min；

再根據(jù)式（10）將該角度下澆包所需的轉(zhuǎn)速計(jì)算出來，轉(zhuǎn)速計(jì)算SCL程序語句如下：

#bt:=（SQR （SQR （#th_r））*283.1）-（SQR （#th_r）*#th_r*1014.7）+（SQR （#th_r）*1145.6）-（#th_r*434.6）+87.8；

#v:=1/#bt；

之后再通過梯形圖語言，將控制信號(hào)輸出到V90伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)澆包運(yùn)轉(zhuǎn)。 當(dāng)澆包內(nèi)金屬液全部澆注完成后電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)澆包回到起始位置。 總程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)總流程

4.2 人機(jī)界面

基于KTP400Basic PN觸摸屏設(shè)計(jì)的基于澆包轉(zhuǎn)角的自動(dòng)傾轉(zhuǎn)澆注控制系統(tǒng)人機(jī)界面如圖7所示。

圖7 觸摸屏界面

點(diǎn)擊開始按鈕，系統(tǒng)開始運(yùn)行、系統(tǒng)運(yùn)行指示燈亮， 當(dāng)澆包到位后澆包到位指示燈亮并開始澆注、澆注指示燈亮。點(diǎn)擊急停按鈕時(shí)，系統(tǒng)停止、系統(tǒng)運(yùn)行指示燈滅， 再次點(diǎn)擊開始按鈕系統(tǒng)可再次開始運(yùn)行。按住暫停按鈕可使?jié)沧⑦^程暫停、暫停指示燈亮， 松開暫停按鈕繼續(xù)澆注、 暫停指示燈滅。點(diǎn)擊復(fù)位按鈕可使?jié)舶D(zhuǎn)回初始位置。澆注結(jié)束后，澆完指示燈亮，澆包轉(zhuǎn)回初始位置。

在人機(jī)界面右側(cè)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前澆包的轉(zhuǎn)角及當(dāng)前澆包的轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)束語

筆者提出一套自動(dòng)傾轉(zhuǎn)澆注控制系統(tǒng)，并對(duì)所使用的PLC、 觸摸屏等元器件進(jìn)行了選型，最終通過TIA Portal V16對(duì)PLC和觸摸屏進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)。 仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度澆注。