噴射成形沉積體PLC運(yùn)動(dòng)控制建模方案*

徐　進(jìn)，陳先鋒，邵黎軍，劉志明，李　軍

(江蘇共昌軋輥股份有限公司，江蘇 宜興　214253)

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噴射成形沉積體PLC運(yùn)動(dòng)控制建模方案*

徐進(jìn)，陳先鋒，邵黎軍，劉志明，李軍

(江蘇共昌軋輥股份有限公司，江蘇 宜興214253)

介紹了噴射成形沉積體運(yùn)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)及PLC運(yùn)動(dòng)控制的建模方法，分析了系統(tǒng)控制難點(diǎn)和解決方案；對于長軸面的噴射成形作業(yè)具有通用性的借鑒意義，對于新材料的開發(fā)具有積極的推動(dòng)作用。

粉末冶金; 噴射成形； PLC控制； 系統(tǒng)建模

引言

噴射成形是上世紀(jì)60年代提出的學(xué)術(shù)思想，該技術(shù)是從傳統(tǒng)的快速凝固粉末冶金(RS/PM)工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的快速凝固近終成形材料制造技術(shù)。它是一項(xiàng)涉及粉末冶金、液態(tài)金屬霧化、快速冷卻和非平衡凝固等多領(lǐng)域的新型材料制備技術(shù)。其基本工作原理是利用惰性氣體將合金熔體霧化成不同尺寸的熔滴，然后沉積到接收基體上，凝固成結(jié)合良好的接近完全致密的坯件；通過調(diào)整沉積體的形狀和控制沉積體相對于噴嘴的移動(dòng)，可以制成不同形狀的沉積坯件。噴射成形技術(shù)相對于傳統(tǒng)的粉末冶金工藝，制備的材料晶粒更加細(xì)小，組織更為均勻，且能夠抑制高合金化材料中的宏觀和微觀偏析，材料的力學(xué)性能幾乎沒有各向異性，致密度高。此外，由于噴射成形制成的合金含氧量低，耐磨性和耐腐蝕性也大大提高，被廣泛應(yīng)用于航空航天等軍事領(lǐng)域。但噴射成形技術(shù)的難點(diǎn)在于復(fù)現(xiàn)性差，不易于找到統(tǒng)一的控制模式，本文旨在從實(shí)際應(yīng)用之角度對長軸面沉積體的噴射成形作業(yè)進(jìn)行控制方案的分析、設(shè)計(jì)，尋找一些規(guī)律和技巧，以達(dá)到生產(chǎn)出高質(zhì)量產(chǎn)品的效果。

1　系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)

不同生產(chǎn)條件下，噴射成形原理上沒有多大差別，但生產(chǎn)裝置和控制方法等方面是解決該技術(shù)的關(guān)鍵。江蘇共昌軋輥股份有限公司(以下簡稱“江蘇共昌”)通過對國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目的組織實(shí)施，成功研發(fā)出適合噴射成形軋輥的成套設(shè)備，如圖1所示，包括熔煉系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、霧化沉積系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、沉積體精確運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，及PLC上位機(jī)控制系統(tǒng)、霧化沉積監(jiān)控系統(tǒng)等。

圖1　噴射成形總體控制示意圖

真空熔煉感應(yīng)爐置于中間包上方，熔煉鋼水經(jīng)除渣、脫氧后直接傾倒至中間包坩堝，以減少由于運(yùn)輸造成的熱量損失。中間包坩堝采用感應(yīng)加熱進(jìn)行鋼水恒溫處理，主要采用鎢錸熱電偶進(jìn)行測溫和信號(hào)反饋，閉環(huán)控制中頻電源輸出功率，保證了鋼水的澆鑄過程溫度一致。對中間包坩堝進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，采用雙室坩堝，一方面隔墻底部開孔的連通器可以保證鋼水的純凈度，另一方面讓水口位保持一定的壓強(qiáng)，有效地防止了堵嘴及噴射不均等異常情況的發(fā)生。

設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)包括熔煉坩堝的傾倒、沉積體裝載小車的進(jìn)出、沉積體的升降及自轉(zhuǎn)、沉積體U型加熱器的定位與加熱控制、噴射艙的閉鎖和密封、霧化氣的控制等。其中沉積體的升降及自轉(zhuǎn)需要精確的變頻調(diào)速控制，選用Micro Master440系列變頻器，MM420變頻器由微處理器控制，采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運(yùn)行可靠性及功能的多樣性。MM420變頻器的控制方式有多種，可以通過數(shù)字量加模擬量實(shí)現(xiàn)簡單控制，也可以通過USS或PROFIBUS的方式與其他控制單元通信連接。在變頻調(diào)速控制上我們采用PLC輸出模擬量控制變頻器輸出頻率和開關(guān)量控制啟停來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)的噴射成型控制系統(tǒng)(如圖2所示)主要由可編程序控制器PLC、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、上位組態(tài)控制軟件(WINCC)、現(xiàn)場傳感變送器、執(zhí)行器(如電動(dòng)機(jī)等)、閥門機(jī)構(gòu)等組成。

圖2　噴射成形組態(tài)控制示意圖

下位機(jī)選用的是西門子S7-300系列PLC，包括CPU模塊、信號(hào)采集模塊、電源模塊等。選用SIMATIC工控機(jī)作為上位監(jiān)控系統(tǒng)，以及西門子組態(tài)軟件WINCC。工控機(jī)上安裝有CP5611通訊卡，上、下位機(jī)之間采用MPI方式進(jìn)行通訊連接。WINCC組態(tài)軟件可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，可以對噴射過程進(jìn)行方便直觀的監(jiān)視、控制及數(shù)據(jù)的歸檔和報(bào)警信息的處理；PLC和現(xiàn)場具體設(shè)備相連，PLC程序?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備整體工作流程的具體控制實(shí)現(xiàn)；PLC通過協(xié)議與WINCC實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)。

2　上位監(jiān)控系統(tǒng)WINCC軟件設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)方案

WINCC組態(tài)軟件是一個(gè)集成的人機(jī)界面HMI和監(jiān)控管理系統(tǒng)，WINCC中提供了ANSI-C和VBS語言腳本，具有標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口，通過ODBC和SQL能訪問WINCC所集成的數(shù)據(jù)庫歸檔數(shù)據(jù)。WINCC主要由控制中心、系統(tǒng)控制器和數(shù)據(jù)管理器等模塊組成，其中控制中心組合了系統(tǒng)操作所需的全部數(shù)據(jù)，并確保按等級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，系統(tǒng)控制器進(jìn)行通訊管理，而數(shù)據(jù)管理器主要是用于處理變量值。在設(shè)計(jì)控制軟件時(shí)之所以選用WINCC組態(tài)軟件，除了因?yàn)槠涔δ軓?qiáng)大之外，還兼顧考慮到其本身提供有下位機(jī)S7-300PLC的驅(qū)動(dòng)程序，可以嵌入編程工具STEP的管理器，使得上位機(jī)程序和下位機(jī)PLC程序可以被統(tǒng)一管理，二者鏈接非常容易實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控主畫面(如圖3所示)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要主要對噴射過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理與監(jiān)控，有工藝參數(shù)設(shè)置部分、沉積體負(fù)載小車4個(gè)方向及自轉(zhuǎn)控制部分、沉積小車模擬運(yùn)行動(dòng)態(tài)畫面、各電機(jī)轉(zhuǎn)速及位移隨動(dòng)顯示部分、報(bào)警單元、沉積體加熱器及安全門聯(lián)鎖運(yùn)動(dòng)控制部分等，其中一些子畫面由按鈕調(diào)用。

圖3　噴射成形監(jiān)控主畫面設(shè)計(jì)圖

畫面中左側(cè)中上部顯示模擬的各部件單元的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，左下部分分別顯示了X，Y，Z軸的運(yùn)動(dòng)速度曲線的實(shí)時(shí)監(jiān)控，畫面右側(cè)分別是噴射成形工藝參數(shù)設(shè)置、噴射沉積體的手動(dòng)定位，啟停控制，下方為子畫面調(diào)用按鈕。

2.2控制程序

2.2.1工藝參數(shù)的設(shè)置與修改

圖4　噴射成形系統(tǒng)工藝參數(shù)設(shè)置畫面

點(diǎn)擊“設(shè)置參數(shù)”會(huì)自動(dòng)進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置畫面，如圖4所示。在獲取參數(shù)修改權(quán)限后可以對控制工藝參數(shù)進(jìn)行修改。主要的參數(shù)分為三塊內(nèi)容：1)X軸、Y軸的單圈移動(dòng)距離及Y軸的提升速度控制；2)X，Y，Z軸的減速機(jī)的減速比；3)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置的極限值，防止超出安全控制的參數(shù)范圍。而對于復(fù)現(xiàn)性的產(chǎn)品生產(chǎn)，也可以從預(yù)先存入的數(shù)據(jù)庫中直接進(jìn)行參數(shù)調(diào)用(如圖5所示)，為數(shù)據(jù)管理及工藝改進(jìn)提供方便。

圖5　噴射成形系統(tǒng)參數(shù)調(diào)用與存儲(chǔ)畫面

2.2.2啟動(dòng)或停止作業(yè)

在參數(shù)修改或調(diào)用程序結(jié)束后，需要手動(dòng)定位沉積體的起始點(diǎn)，通過點(diǎn)擊主畫面右側(cè)的“手動(dòng)定位”按鈕獲取權(quán)限，通過調(diào)節(jié)四個(gè)方向?qū)㈧F化噴嘴定位在沉積體左側(cè)的起點(diǎn)位置。定位結(jié)束后，沉積體進(jìn)行預(yù)熱，紅外測溫儀檢測預(yù)熱溫度并自動(dòng)反饋至中頻裝置，達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，中頻裝置關(guān)閉，沉積體裝載小車運(yùn)行至起噴點(diǎn)位置，鐵水霧化氣壓(40 MP)正常、中間包坩堝內(nèi)鐵水溫度滿足后，點(diǎn)擊“啟動(dòng)按鈕”，鐵水泄流閘閥打開，沉積體自轉(zhuǎn)同時(shí)沉積體裝載小車按預(yù)設(shè)方向開始移動(dòng)，噴射成形作業(yè)按設(shè)定的工藝路線開始運(yùn)行。噴射作業(yè)直到沉積體直徑達(dá)到目標(biāo)直徑時(shí)自動(dòng)終止。

在噴射成形加工過程中，暫停按鈕可以隨時(shí)終止噴射作業(yè)，再次點(diǎn)擊暫停按鈕，將按照原先的加工進(jìn)度上繼續(xù)執(zhí)行噴射作業(yè)。急停按鈕用于在系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況下切斷伺服電機(jī)電源之用。報(bào)警子畫面列出了故障信息，如圖6所示。

圖6　噴射成形系統(tǒng)故障信息畫面

畫面上顯示出X，Y，Z軸伺服電機(jī)及電源模塊的工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)，可以查看相應(yīng)的報(bào)警代碼。同時(shí)，也可以通過操作相對應(yīng)的復(fù)位按鈕將報(bào)警進(jìn)行復(fù)位。

2.2.3動(dòng)態(tài)監(jiān)控

曲線畫面主要用于噴射過程中對X，Y，Z軸伺服電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖7所示。

圖7　噴射成形系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)控畫面

3　控制系統(tǒng)建模方案

軋輥長軸噴射成形要兼顧多種條件因素，要在鐵水霧化噴射掃描速度、往返運(yùn)行速度、基軸變速下降、霧化氣體壓力的調(diào)節(jié)等方面達(dá)到和諧的統(tǒng)一，才能在保證較高的沉積收得率的前提下噴射出致密的冶金結(jié)合良好的產(chǎn)品。軋輥基材在真空噴射倉內(nèi)用U型中頻感應(yīng)加熱器預(yù)熱到1200 ℃，真空環(huán)境預(yù)防了基材氧化，高溫預(yù)熱保證了冶金結(jié)合。

3.1建模相關(guān)參數(shù)的定義與設(shè)定

工件沉積區(qū)長度：X(mm)，

工件起始直徑：Y(mm)，

工件目標(biāo)噴射直徑：Z(mm)，

鐵水流量：A(kg/min)，

工件旋轉(zhuǎn)線速度：B(mm/min)，

沉積帶寬：C(mm)，

起始橫向速度：E(mm/min)

沉積率：H(%)。

3.2噴射成形工作狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)控制和算法

3.2.1堆積厚度(D)

D=(鐵水流量*沉積率)/(7.85×線速度×帶寬) =(A×H)/(7.85×B×C)。

3.2.2工件起始速度(F)

F=工件線速度/(起始直徑×∏)=

B/(Y×∏)。

3.2.3工件旋轉(zhuǎn)的速度控制

工件線速度/(工件直徑×∏)=B/(Y+2×D)×∏=B/[Y+2×A×7.85/(B×C)]×∏。

3.2.4工件橫向行走速度

起始橫向速度*起始直徑/工件直徑=

起始橫向速度*起始直徑/(起始直徑+2×堆積厚度)=E×Y/(Y+2D)。

3.2.5工件橫向運(yùn)動(dòng)的次數(shù)N(以改變運(yùn)動(dòng)方向計(jì)數(shù))

N=(工件目標(biāo)直徑-工件起始直徑)/(2×堆積厚度)=(Z-Y)/(2×D)。

3.2.6下降位移控制(以每個(gè)橫向運(yùn)動(dòng)行程結(jié)束時(shí)下降一次)

每次下降的距離=堆積厚度=D。

3.3關(guān)鍵控制點(diǎn)—起噴點(diǎn)的設(shè)置方案

1) 設(shè)置原則：從一端向另一端進(jìn)行鐵水噴射掃描堆積，起噴點(diǎn)改變了傳統(tǒng)的以中心點(diǎn)為基準(zhǔn)向兩側(cè)掃描的方式，實(shí)際證明，設(shè)計(jì)為端點(diǎn)定位的控制方式更加合理；

2) 噴射起噴位設(shè)置有接近開關(guān)，當(dāng)沉積體工件裝載小車到達(dá)此位置時(shí)，信號(hào)反饋至主程序，主畫面有到位信號(hào)指示燈，而噴射過程中該信號(hào)將直接控制沉積體裝載小車橫向位移的反向動(dòng)作。

通過將以上的建模方案定義至S7-300，對應(yīng)的PLC程序設(shè)計(jì)將異常簡便。

4　結(jié)束語

噴射成形設(shè)備結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，比如有單噴嘴、雙噴嘴和多噴嘴等；有沉積體工件水平方向和豎直方向移動(dòng)，或沉積體固定而噴嘴移動(dòng)等方式；設(shè)備配置不同其控制方案也相差迥異。本文僅就江蘇共昌沉積體工件水平移動(dòng)方式(包括隨著沉積厚度的增加為保證鐵水噴射霧化距離而進(jìn)行的本體下降運(yùn)動(dòng))做出了控制方案設(shè)計(jì)說明，對關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件如U型中頻感應(yīng)加熱器、恒壓雙室保溫中間包坩堝、霧化噴嘴系統(tǒng)等進(jìn)行了自主開發(fā)設(shè)計(jì)，部分申報(bào)了國家專利。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)先進(jìn)，運(yùn)行可靠，保證了噴射成形工藝執(zhí)行過程中的零誤差。系統(tǒng)可維護(hù)性好，提高了項(xiàng)目的自動(dòng)化作業(yè)率和工作效率，鐵水霧化沉積率在80%以上，在行業(yè)中有比較好的借鑒意義。

[1]張濟(jì)山，熊柏青，崔華.噴射成形快速凝固技術(shù)——原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[2]許加星，噴射成形設(shè)備控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

2016-03-21

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