基于澆包轉角的自動傾轉澆注控制系統設計

魯逸帆 王庭有

（昆明理工大學機電工程學院）

我國是一個鑄造大國，但是與國外成熟的鑄造設備相比，在自動化程度、澆注精度等方面仍有提升空間。 因此，提高我國鑄造技術的技術水平和鑄造產品的質量，就必須實現自動澆注并提高澆注精度［1～6］。筆者提出基于澆包轉角的自動傾轉澆注控制系統，以實現定速自動澆注。

1 系統組成

如圖1所示， 基于澆包轉角的自動傾轉澆注控制系統采用PLC作為控制核心， 將電機速度控制信號輸送至伺服驅動器，再由伺服驅動器控制電機運轉；電機帶動澆包轉動時，由角位移傳感器測量澆包的轉角并將澆包轉角數據輸出至PLC，PLC程序根據澆包轉角調節輸出轉速；觸摸屏作為人機界面， 實現控制整個系統運作的操作，最終實現實時數據的監控。

圖1 系統工作原理

2 建立澆注量與轉速數學模型

圖2 θ0、θ1示意圖

當澆包轉角θ∈［θ0，θ1］時，包內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］時剩余金屬液示意圖

圖4 θ∈（θ1，］時剩余金屬液示意圖

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

由于式（5）是一個復雜的數學表達式，在接下來編寫PLC程序時難以實現， 故通過數據擬合將式（6）擬合為一個如圖5所示的多項式函數。

圖5 擬合結果

3 硬件設計

3.1 PLC

選用S7-1500PLC作為控制核心， 型號為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 伺服驅動器及伺服電機

考慮到負載等實際情況， 驅動系統采用SINAMICS V90交流伺服系統。驅動器和電機的型號分別是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，可實現位置控制、速度控制和扭矩控制［7］。

3.3 觸摸屏

由于本系統僅需實現控制系統啟動、停止以及監控少量數據的功能， 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 軟件設計

4.1 PLC程序

PLC程序采用梯形圖混合SCL語言編程。系統在啟動運行時，將角位移傳感器采集的模擬量數據轉換為所需的角度信息， 模擬量轉換SCL程序語句如下：

#anl:=INT_TO_REAL（#anl_in）；

#th:=#anl/27648*（#max-#min）+#min；

再根據式（10）將該角度下澆包所需的轉速計算出來，轉速計算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，將控制信號輸出到V90伺服驅動器驅動電機帶動澆包運轉。 當澆包內金屬液全部澆注完成后電機反轉帶動澆包回到起始位置。 總程序流程如圖6所示。

圖6 系統總流程

4.2 人機界面

基于KTP400Basic PN觸摸屏設計的基于澆包轉角的自動傾轉澆注控制系統人機界面如圖7所示。

圖7 觸摸屏界面

點擊開始按鈕，系統開始運行、系統運行指示燈亮， 當澆包到位后澆包到位指示燈亮并開始澆注、澆注指示燈亮。點擊急停按鈕時，系統停止、系統運行指示燈滅， 再次點擊開始按鈕系統可再次開始運行。按住暫停按鈕可使澆注過程暫停、暫停指示燈亮， 松開暫停按鈕繼續澆注、 暫停指示燈滅。點擊復位按鈕可使澆包轉回初始位置。澆注結束后，澆完指示燈亮，澆包轉回初始位置。

在人機界面右側，實時顯示當前澆包的轉角及當前澆包的轉速。

5 結束語

筆者提出一套自動傾轉澆注控制系統，并對所使用的PLC、 觸摸屏等元器件進行了選型，最終通過TIA Portal V16對PLC和觸摸屏進行了程序設計。 仿真結果表明，該系統能夠實現高精度澆注。