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富士触摸屏与PLC在铜材冶炼业的应用
- 发布时间：2007/8/22 3:44:51
修改时间：2007/8/21 23:25:52 浏览次数：1198
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近些年来，随着我国的电力、电器行业的迅猛发展，对材料提出了新的技术要求，带动了铜加工行业的加工工艺的进步。我们参与完成了铜加工设备中名为“无氧铜杆连铸机组”的关键设备的电控系统的开发生产。 所谓的无氧铜连铸，是先将铜在400KW的中频加热炉中融化，铜水表面始终覆盖着一层木炭粉，将铜水与氧气隔绝，而后在冷却水套中结晶成铜杆，通过牵引实现连续铸造。这样工艺生产出的铜材导电性能好，线路损耗低，已经受到行业的认可。 电控系统负责完成铜杆从上引连铸 、牵引、卷绕成盘的流水线的整个生产过程的控制。其中伺服电机带动减速机和及其他机械结构将铜杆向上牵引，实现连续铸造；再由变频器带动机械对铸造好的铜杆实现牵引、卷绕、完成盘状包装。 由于这种冶炼设备都连续24小时不间断运行，一般日产20吨Φ8mm铜杆，产量大，产值高，所以对机组的可靠性要求也很高。设备一旦由于故障而停机，为了避免炉中的铜水冷却凝固后与炉子结为一体，必须要通电保温，光一天的电费损失就高达5000元人民币。由于停机造成大量的废铜也是一大笔损失。同时，该种设备的工作环境却相当恶劣：现场环境温度极高，距离中频加热炉旁2米的环境温度还要达到50℃，会加速电器元件的老化；炭粉、灰尘等导电颗粒可能会影响触摸屏、PLC、伺服驱动器等电器元件的正常工作。这样的环境已经超越了一般电器产品的环境要求，但产品一旦发生故障又会带来损失和不良的反响，这样的设备对我们及选用的产品来说都是一种考验。 为此，我们经过了广泛的市场调查，进行了实物试验，并进行了方案论证。我们最终采用了抗干扰能力强、性价比较高的日本富士电机公司的触摸屏和可编程控制器来控制交流伺服系统和变频器，组成整个项目的电气控制系统。 系统控制框图: 2# 上引连铸 机构单元 RS485 通讯模块 RS485 通讯模块 RS485 通讯模块 牵引与卷绕机构单元 1# 上引连铸 机构单元 电控系统主要分两大组成部分：
1. 铜杆上引部分。
2. 铜杆牵引卷绕成盘部分。 以下对于各部分的控制要求与电气系统组成予以分别的说明。
一：铜杆上引部分： 上引系统硬件构成及控制框图： 1# 上引机构组成 2# 上引机构组成 富士可编程控制器 SPB 交流伺服系统 富士触摸屏 UG20 富士可编程控制器 SPB 交流伺服系统 机械部分 富士触摸屏 UG20 机械部分 上引部分由如上控制框图所示的两套完全独立的机构组成，通过触摸屏设置上引的位置控制量、上引的速度，以及作为整个系统故障及运行数据、状态显示。通过可编程控制器完成速度与牵引距离的浮点数算法，然后通过PLS1这条高级脉冲输出指令完成上引的控制过程。上引节距的控制精度为0.01mm, 速度最高可达到3m/min。由于SPB系列的PLC具有100kHz的输出频率，很轻松地控制伺服电机实现高速、高频的运行与停止，保证了上引的速度与精度。
二：铜杆牵引与卷绕部分： 这部分负责将前面连续铸造出来的12根铜杆，通过12个变频器牵引，再通过另外的12个变频器来进行卷绕控制，实现成品的绕盘，最终形成盘状包装。
1．铜杆牵引部分： 铜杆牵引部分与前面的上引部分进行RS485的通讯，可以直接获得连铸的速度，以此作为基准速度，并接收与每一根铜杆相连的浮辊电位器的信号，以此获得由于机械打滑等原因引起的线速度误差。PLC将两部分数据运算后，修正变频器的速度，使牵引系统及时地将连铸出来的铜杆牵引到绕盘部分。 由于SPB系列可编程控制器具有LINK-DATA的数据传递功能，能够实现每一个处于RS485通讯网络中的可编程控制器之间的数据共享，可以大大减少工程技术人员编制通讯程序的时间，极大地提高了编程效率。即使2套独立的上引机构有不同的连铸速度，也可以通过实时的数据传送到牵引部分的PLC，使之及时调整变频器的牵引速度。 而且，SPB系列可编程控制器的A/D模块的转换精度达到14位（16000/10V）的高分辨率，即使每一根铜杆的线速度有微量的速度变化，都能通过高分辨率的A/D模块敏锐地捕捉到，使PLC能够迅速修正。
2．铜杆卷绕部分： 铜杆卷绕部分是整个系统的难点：没有任何其他的传感器等电信号，仅仅依靠控制前文提到的卷绕变频器，就要将铜杆绕成一圈圈均匀排列好的由外往里或由里往外的渐开线状的盘型，循环往复后逐渐堆成圆柱型的一大卷。由于铜材本身就有一定的硬度，除了牵引轮、导向轮、转动的绕盘外再也没有其他机械机构，同时客户还提出要求，要通过触摸屏设定绕盘的内、外径尺寸。
首先，我们运用高等数学的理论建立数学模型，进行精确的数学计算。SPB系列的可编程控制器具有强大的浮点运算功能，使我们顺利地将高等数学的运算公式转换成可编程控制器的运算公式，很好地实现了绕盘的控制。 其次为了节约成本，我们通过利用可编程控制器的48个输出点，加上我们自己编制的专用程序实现了精确到0.1Hz的调频，顺利实现了对24个变频器的调速控制，省掉了24路D/A的转换，极大地降低了成本。 我们经过调试和精简PLC指令，顺利地完成了卷绕部分的工作，达到了客户的要求。 总结： 值得一提的是，在项目中，出于成本控制的考虑，往往不配置与触摸屏连接的RS232通讯模块，但是触摸屏又已经占据了编程口，给现场调试中进行在线监控带来了困难。这时，我们把计算机直接接到富士PLC的编程口，调试时取代触摸屏，从电脑把数据输入到PLC的数据寄存器，将PLC内的辅助继电器地址强行置位，而且置位后的数据立即参与运算，实现了在线监控。这种直接输入的功能，令调试变得更直接、更便利。 以前，在上引连铸设备领域，国内只生产机械式的低档设备，产量低，不能满足客户的产量要求；而高档设备都依赖进口，其高昂的价格令国内众多企业驻足不前。我们的电控系统开发成功后，性能不逊于进口设备，使得国产设备的性能明显提升了一个台阶。而且由于我们采用了富士触摸屏、PLC产品，使得操作界面友善、维护便利、价格低廉，使得设备获得了市场的一致认可，短时间内就基本取代了进口设备。 我们的电控系统在2年的实际应用中，经受了恶劣环境的考验，系统运作稳定可靠。生产出的铜杆产品质量优良，即使是由废铜原料生产的铜杆也可以拉丝成直径0.08mm的导线，获得了客户的好评。目前，这种设备已经进入批量生产，远销缅甸、越南、泰国、印尼等东南亚国家。
