基于P590＋的電磁攪拌器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王焱玉，秦展田

（1．湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208；2．桂林航天工業(yè)學(xué)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(yīng)用于鋼、鋁、鈦等合金的熔鑄控制技術(shù)中［1，2］。電磁攪拌裝置包括電磁攪拌器、變頻電源、控制設(shè)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(guān)頻率卻超過(guò)1kHz，處于中頻區(qū)域。攪拌形式主要有旋轉(zhuǎn)攪拌、直線攪拌和雙邊行波磁場(chǎng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)攪拌。目前該方面可實(shí)現(xiàn)的電路很多，有的采用調(diào)節(jié)電阻的大小來(lái)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(shí)現(xiàn)，交流采用行波磁場(chǎng)（TEMS）或旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（REMS），直流在交流基礎(chǔ)上整流濾波獲得，加上電流閉環(huán)控制，其硬件電路復(fù)雜。

本文提出了一種基于歐陸數(shù)字調(diào)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(shí)現(xiàn)交直流形式，并能通過(guò)軟件設(shè)定和修改電流大小和交流電流的運(yùn)行周期，其輸出電流精度高，自動(dòng)化程度高，控制柔性強(qiáng)。

1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

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(nèi)連續(xù)可調(diào)，同時(shí)交流電流的變化周期為0．1s～300s。電磁攪拌系統(tǒng)應(yīng)用于真空自耗電弧爐，產(chǎn)生可調(diào)的直流、交流形式的穩(wěn)弧電流，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jiǎn)單緊湊，配合其內(nèi)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(jié)構(gòu)方框圖

2 系統(tǒng)控制原理

操作者根據(jù)不同的工藝要求在工控機(jī)OPT界面設(shè)定電磁攪拌所需要的電流形式和數(shù)值，交流形式還可設(shè)置電流周期。該設(shè)置通過(guò)工控機(jī)和PLC的通訊傳遞給可編程控制器，由PLC根據(jù)設(shè)定參數(shù)執(zhí)行程序，產(chǎn)生電流信號(hào)加載于硬件電路。電流實(shí)時(shí)采樣值反饋回P590＋，調(diào)速器通過(guò)內(nèi)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(chǎn)生與設(shè)定參數(shù)對(duì)應(yīng)的攪拌磁場(chǎng)，在工作中進(jìn)行有效攪拌。該系統(tǒng)包含兩個(gè)重要過(guò)程：電流的放大及精度控制、交直流電流的實(shí)現(xiàn)。

2．1 電流的放大和精度控制

PLC輸出的模擬信號(hào)范圍為4mA～20mA或－10V～＋10V，若將該信號(hào)直接放大至所需的電磁攪拌工作電流如40A，則增益將達(dá)到1 000倍。由于具有如此大增益的放大器件很少，同時(shí)為保證工作電流的精度和穩(wěn)定的電弧還需對(duì)工作電流進(jìn)行采樣反饋和PID控制，因此系統(tǒng)選用歐陸數(shù)字直流調(diào)速器P590＋，系統(tǒng)硬件電路圖如圖2所示。P590＋調(diào)速器內(nèi)部集成了一些控制模塊，其響應(yīng)快、控制簡(jiǎn)單方便；同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可適應(yīng)性強(qiáng)、維護(hù)方便的特點(diǎn)。

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(diào)速器的輸入，該電壓對(duì)應(yīng)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(lái)的干擾，對(duì)系統(tǒng)起到了很好的隔離作用。在P590＋的端口中，當(dāng)C8接上＋24V時(shí)，A3為電流設(shè)定輸入，其輸入范圍為－10V～＋10V，當(dāng)輸入為－10V時(shí)，對(duì)應(yīng)為100%正電流給定；當(dāng)輸入為＋10V時(shí)，對(duì)應(yīng)為100%負(fù)電流給定。其中A5、A6分別為電流幅值的正、負(fù)鉗位，將電流很好地控制在安全允許的范圍內(nèi)。采用電流采樣反饋回A9、B1端口，再利用P590＋內(nèi)部的PID自整定模塊，通過(guò)面板預(yù)先設(shè)置的相關(guān)參數(shù)和形式來(lái)實(shí)現(xiàn)電流精度的控制，該方法減少了PLC的程序設(shè)計(jì)，控制方便，該電流加載于電磁攪拌線圈，使其產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，對(duì)液態(tài)金屬攪拌更均勻，同時(shí)對(duì)熔煉電弧起到了很好的穩(wěn)弧作用，從而使金屬鑄坯能達(dá)到良好的結(jié)晶組織和性能。

2．2 交直流的實(shí)現(xiàn)

P590＋的輸出為直流形式，信號(hào)簡(jiǎn)單、可控，通過(guò)改變輸出信號(hào)的方向和時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)交流輸出。本系統(tǒng)采用PLC軟件編程輸出可調(diào)的直流電流給定加載于P590＋的A1、A3端口，將A＋、A－端口對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)方法是先由P590＋輸出獲得DC＋，再通過(guò)PLC程序?qū)C＋采用0－（DC＋）的計(jì)算來(lái)獲得方向相反的直流信號(hào)，同時(shí)由PLC通過(guò)調(diào)節(jié)DC＋和DC－的時(shí)間設(shè)定交替輸出一定周期的脈沖電流給定，調(diào)用自編模塊scale來(lái)確定上位機(jī)設(shè)定的輸出與給定電流之間的關(guān)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(guò)D／A轉(zhuǎn)換輸出正負(fù)交變的模擬電壓信號(hào)加載于數(shù)字調(diào)速器P590＋，調(diào)速器的輸出端口A＋、A－對(duì)應(yīng)輸出交變的幅值相等、方向相反的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)交流形式的攪拌。

圖3 PLC程序流程圖

3 結(jié)論

該系統(tǒng)采用了數(shù)字給定、電流實(shí)時(shí)采樣反饋和PID閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧電流的精度控制，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，柔性強(qiáng)，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(shí)際應(yīng)用中能滿足不同熔煉攪拌工藝要求，同時(shí)對(duì)電弧熔煉爐還具有穩(wěn)定電弧的作用，能夠補(bǔ)償因熔池的旋轉(zhuǎn)對(duì)電弧的影響，使其移動(dòng)到坩堝壁的幾率減小，同時(shí)使熔池的漩渦效應(yīng)減輕，實(shí)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(xué)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(yīng)用［J］．電氣時(shí)代，2009（10）：104－105．