基于S7—300的自動(dòng)澆注系統(tǒng)的研究

摘 要：隨著自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展，鑄造澆注工藝的自動(dòng)化程度也越來越高，通過PLC來控制澆包的注入量的應(yīng)用也越來越多。因此，該研究采用S7-300電氣控制系統(tǒng)，利用變頻器與伺服系統(tǒng)，通過PID算法對(duì)澆注機(jī)澆注量的實(shí)時(shí)修訂，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化澆注。

關(guān)鍵詞：澆注機(jī)；S7-300；變頻器；伺服

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.055

0 引言

鑄造是獲得機(jī)械產(chǎn)品毛坯--鑄件的主要工藝，也是機(jī)械裝備制造業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)[1]。原來最早是人工澆注，為了改善工作環(huán)境，把人從高溫的工作情景中解放出來，電氣控制的自動(dòng)澆注系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，從而可以替代人工澆注，實(shí)現(xiàn)無人化自動(dòng)工作。而且提高澆注的自動(dòng)化程度，是實(shí)現(xiàn)高精度、高品質(zhì)鑄件生產(chǎn)的技術(shù)保證。

自動(dòng)澆注系統(tǒng)的制造中出現(xiàn)了澆注鋼水的液面位置的控制問題，也就是說原來人眼看的液面位置，現(xiàn)在要靠電氣、機(jī)械的方法，自動(dòng)分辨出鋼水在每個(gè)砂芯的澆注量。純電氣的方法較難解決鋼水注入量的精確控制，而如今大多數(shù)的自動(dòng)澆注機(jī)，都是采用機(jī)械的方法--扇形鐵水包澆注，通過伺服電機(jī)控制轉(zhuǎn)運(yùn)包的傾轉(zhuǎn)角度來進(jìn)而控制注入小澆包的鋼水量[2]。也有的自動(dòng)澆注機(jī)通過澆注小車下部的稱重傳感器來控制小澆包的鋼水量。

本項(xiàng)目采用傾轉(zhuǎn)式澆注機(jī)，通過伺服電機(jī)控制轉(zhuǎn)運(yùn)包的傾轉(zhuǎn)角度來進(jìn)而控制注入小澆包的鋼水量。

1 技術(shù)方案

本項(xiàng)目的總體研究思路和方法是，在國(guó)內(nèi)外已有的扇形傾轉(zhuǎn)式澆注機(jī)為基礎(chǔ)，深入解剖，各種自動(dòng)澆注系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品，找到它們的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合附近地區(qū)環(huán)境經(jīng)濟(jì)等因素，結(jié)合本地域自身的特點(diǎn)，制作相對(duì)適合的模具自動(dòng)澆注系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)自己的扇形傾轉(zhuǎn)式澆注機(jī)的電氣控制系統(tǒng)，利用PLC和變頻器作為主要電氣控制設(shè)備，設(shè)計(jì)編程控制器（PLC）的電氣控制電路，并且編寫可編程控制器（PLC）電氣控制程序，設(shè)計(jì)人機(jī)界面編寫觸摸屏程序，從而能夠自由命令澆注和停止?jié)沧ⅰ?/p>

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目澆注機(jī)主要由電氣控制系統(tǒng)、澆包、孕育劑給料機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、倒鐵水槽、上行車、下行車、底座等幾部分組成[3]（見圖2-1）。

2.2 電氣控制系統(tǒng)選型

（1）PLC選擇中型PLC--西門子S7-300作為主控單元。

（2）變頻器選擇西門子S120。SINAMICS S120 是一種高性能、高精度的變頻器。軟件功能強(qiáng)大，使其可適用于各種復(fù)雜場(chǎng)合。既能做伺服控制，也能做矢量控制，能實(shí)現(xiàn)速度控制、位置控制、轉(zhuǎn)矩控制多種控制方式，同時(shí)能滿足運(yùn)動(dòng)控制的要求。

（3）選擇SEW伺服系統(tǒng)（驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)）。該澆注機(jī)選擇德國(guó)SEW伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，及SEW減速機(jī)。 伺服是可以變速，扭力比普通電機(jī)大，但是當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行對(duì)伺服電機(jī)影響不好，扭力也不夠，加減速機(jī)主要作用是加大扭力，和減速作用。提高轉(zhuǎn)矩，當(dāng)負(fù)載很大時(shí)，一味的提高伺服電機(jī)的功率是很不劃算的事情，所以在需要的速度范圍內(nèi)選適用的減速比的減速機(jī)才是合理的[4]。

（4）觸摸屏選擇西門子10寸工業(yè)屏。

3 電氣控制系統(tǒng)澆注原理

3.1 澆注原理

自動(dòng)澆注機(jī)根據(jù)“上升量”、“澆注時(shí)間”、“澆注量”這三個(gè)參數(shù)計(jì)算鐵水的出鐵量，來進(jìn)行澆注[5]。一個(gè)循環(huán)的自動(dòng)澆注過程如下所示：

上升---上升位置---澆注時(shí)間----下降---下降位置

[上升量] = [現(xiàn)在位置]+[上升量]

[下降量] = [上升量]—[澆注量]

[第一箱]

A1=操作者控制

B1=A1—（上升量—澆注量）

[第二箱]

A2=B1+上升量

B2=A2—（上升量—澆注量）

[第三箱]加了“+修正”的場(chǎng)合

A3=B2+上升量+修正量

B3=A3—（上升量—澆注量）

[第四箱]加了“—修正”的場(chǎng)合

A4=B3+上升量—修正量

B4=A4—（上升量—澆注量）

根據(jù)傾動(dòng)的伺服電機(jī)得到的回轉(zhuǎn)點(diǎn)來?yè)Q算，計(jì)算控制“上升量”、“澆注量”。

3.2 與造型機(jī)聯(lián)動(dòng)

禁止送型信號(hào)---造型機(jī)[澆注結(jié)束]信號(hào)。

信號(hào)條件。

（1）澆注機(jī)傾動(dòng)上升～下降結(jié)束。

（2）澆完（受湯中）。

（3）澆注機(jī)左右端處理時(shí)。

（4）換模處理時(shí)。

（5）接通禁止運(yùn)送鑄型選擇開關(guān)時(shí)（澆注機(jī)電源OFF時(shí)，也禁止運(yùn)送）。

（6）按下急停按扭時(shí)。

（7）異常時(shí)（左右小車熱繼電器、孕育機(jī)螺旋熱繼電器、伺服再生單亢異常、傾動(dòng)伺服異常）。

開始澆注信號(hào)。

造型機(jī)信號(hào)（鑄型·聯(lián)動(dòng)工序）。

造型機(jī)[可以澆注]信號(hào)（鑄型·推出結(jié)束一側(cè)輸出信號(hào)）進(jìn)行確認(rèn)。

換模預(yù)告信號(hào)。

根據(jù)造好一定箱數(shù)的鑄型后輸出預(yù)告造型機(jī)[換模后最初的鑄型] 。

3.3 人機(jī)界面控制

3.3.1 運(yùn)行前確認(rèn)事項(xiàng)

開始運(yùn)行前，請(qǐng)確認(rèn)下述事項(xiàng)：扇形澆包下降機(jī)械限位已裝上；禁止鑄型運(yùn)送選擇開關(guān)在禁止送型一側(cè)；澆注口對(duì)準(zhǔn)砂型的澆注口；澆包在原始位置。

3.3.2 開始澆注前

接通操作電源；輸入澆注產(chǎn)品----操作觸摸式控制面板；按下?lián)Q模按扭，將第2號(hào)產(chǎn)品名輸入到現(xiàn)在澆注品的品母上；將“禁止送型選擇開關(guān)”置于“解除送型”一側(cè)，造型機(jī)開始生產(chǎn)鑄型；可以澆注的鑄型到達(dá)澆注口時(shí)，讓造型機(jī)停止運(yùn)送鑄型；往澆包中加鐵水；將澆注選擇開關(guān)置于“有”一側(cè)，按下位置決定起動(dòng)按扭，開始澆注；此后，以鑄型運(yùn)送相同的節(jié)拍，自動(dòng)進(jìn)行澆注。

3.3.3 觸摸屏

在觸摸屏上可以更改澆注過程中的控制量，可實(shí)現(xiàn)顯示澆注過程中的速度、位置等數(shù)據(jù)。通常的澆注狀態(tài)按該畫面進(jìn)行（見圖3-2）。

4 項(xiàng)目應(yīng)用及實(shí)施效果

基于S7-300的自動(dòng)澆注機(jī)系統(tǒng)是一種無保溫性左右傾轉(zhuǎn)式澆注機(jī)，伺服電機(jī)控制的傾轉(zhuǎn)角速度按照典型的流量—時(shí)間曲線運(yùn)動(dòng)，達(dá)到模擬人工澆注的最佳效果。全機(jī)械傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。轉(zhuǎn)換產(chǎn)品時(shí)，可輸入已存儲(chǔ)的相應(yīng)澆注參數(shù)，并可在操作臺(tái)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。澆注機(jī)可以做X、Y兩個(gè)方向移動(dòng)，上行車沿X方向移動(dòng)（與造型線垂直方向），下行車沿Y方向移動(dòng)（與造型線平行方向），變頻系統(tǒng)進(jìn)行控制。

系統(tǒng)的特點(diǎn)：

（1）澆注時(shí)，所需的基本功能系自動(dòng)操作、其它功能為手動(dòng)干預(yù)操作，并且以超性價(jià)比為第一目標(biāo)而開發(fā)的自動(dòng)澆注系統(tǒng)將澆注動(dòng)作設(shè)定成自動(dòng)時(shí)，就可以代替人工澆注、實(shí)現(xiàn)無人化工作，并且可改善作業(yè)環(huán)境。尤其是以澆注時(shí)間短的鑄型為對(duì)象而開發(fā)的澆注程序。

（2）數(shù)據(jù)管理，通過參數(shù)控制澆注，根據(jù)模具的具體情況，設(shè)定參數(shù)，換模時(shí)，只需調(diào)出參數(shù)，即可澆注。

（3）重復(fù)定位精度高，可以均衡澆注。澆注鑄件合格率達(dá)96%，澆注的準(zhǔn)確度高達(dá)98%。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳興純，楊燕云，吳瑞武等.基于模糊PID控制算法的自動(dòng)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鑄造技術(shù)，2011（12）.

[2]李兵，方敏，汪洪波.模糊PID液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（11）.

[3]薛迎成，潘俊民.自動(dòng)澆注鐵水液位高度實(shí)時(shí)圖像處理方法的研究[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002（03）.

[4]薛迎成，潘俊民.實(shí)時(shí)專家控制在自動(dòng)澆注系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2001（06）.

[5]程德芳，靳晨聰，王振霞.基于機(jī)器視覺的自動(dòng)澆注機(jī)控制系統(tǒng)的研究[J].科技視界，2016（26）.

作者簡(jiǎn)介：劉勇（1978-），男，山東武城人，?？?，二級(jí)實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師，高級(jí)技師。