基于S7—300的自動澆注系統的研究

摘 要：隨著自動化技術的迅猛發展，鑄造澆注工藝的自動化程度也越來越高，通過PLC來控制澆包的注入量的應用也越來越多。因此，該研究采用S7-300電氣控制系統，利用變頻器與伺服系統，通過PID算法對澆注機澆注量的實時修訂，進而實現了自動化澆注。

關鍵詞：澆注機；S7-300；變頻器；伺服

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

0 引言

鑄造是獲得機械產品毛坯--鑄件的主要工藝，也是機械裝備制造業生產的重要基礎環節[1]。原來最早是人工澆注，為了改善工作環境，把人從高溫的工作情景中解放出來，電氣控制的自動澆注系統應運而生，從而可以替代人工澆注，實現無人化自動工作。而且提高澆注的自動化程度，是實現高精度、高品質鑄件生產的技術保證。

自動澆注系統的制造中出現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，現在要靠電氣、機械的方法，自動分辨出鋼水在每個砂芯的澆注量。純電氣的方法較難解決鋼水注入量的精確控制，而如今大多數的自動澆注機，都是采用機械的方法--扇形鐵水包澆注，通過伺服電機控制轉運包的傾轉角度來進而控制注入小澆包的鋼水量[2]。也有的自動澆注機通過澆注小車下部的稱重傳感器來控制小澆包的鋼水量。

本項目采用傾轉式澆注機，通過伺服電機控制轉運包的傾轉角度來進而控制注入小澆包的鋼水量。

1 技術方案

本項目的總體研究思路和方法是，在國內外已有的扇形傾轉式澆注機為基礎，深入解剖，各種自動澆注系統生產企業的產品，找到它們的優缺點，結合附近地區環境經濟等因素，結合本地域自身的特點，制作相對適合的模具自動澆注系統。

設計自己的扇形傾轉式澆注機的電氣控制系統，利用PLC和變頻器作為主要電氣控制設備，設計編程控制器（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，設計人機界面編寫觸摸屏程序，從而能夠自由命令澆注和停止澆注。

2 硬件設計

2.1 電氣控制系統整體結構設計

本項目澆注機主要由電氣控制系統、澆包、孕育劑給料機、卷揚機、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。軟件功能強大，使其可適用于各種復雜場合。既能做伺服控制，也能做矢量控制，能實現速度控制、位置控制、轉矩控制多種控制方式，同時能滿足運動控制的要求。

（3）選擇SEW伺服系統（驅動器及伺服電機）。該澆注機選擇德國SEW伺服電機及其驅動器，及SEW減速機。 伺服是可以變速，扭力比普通電機大，但是當負載較大時，長時間運行對伺服電機影響不好，扭力也不夠，加減速機主要作用是加大扭力，和減速作用。提高轉矩，當負載很大時，一味的提高伺服電機的功率是很不劃算的事情，所以在需要的速度范圍內選適用的減速比的減速機才是合理的[4]。

（4）觸摸屏選擇西門子10寸工業屏。

3 電氣控制系統澆注原理

3.1 澆注原理

自動澆注機根據“上升量”、“澆注時間”、“澆注量”這三個參數計算鐵水的出鐵量，來進行澆注[5]。一個循環的自動澆注過程如下所示：

上升---上升位置---澆注時間----下降---下降位置

[上升量] = [現在位置]+[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”的場合

A4=B3+上升量—修正量

B4=A4—（上升量—澆注量）

根據傾動的伺服電機得到的回轉點來換算，計算控制“上升量”、“澆注量”。

3.2 與造型機聯動

禁止送型信號---造型機[澆注結束]信號。

信號條件。

（1）澆注機傾動上升～下降結束。

（2）澆完（受湯中）。

（3）澆注機左右端處理時。

（4）換模處理時。

（5）接通禁止運送鑄型選擇開關時（澆注機電源OFF時，也禁止運送）。

（6）按下急停按扭時。

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

開始澆注信號。

造型機信號（鑄型·聯動工序）。

造型機[可以澆注]信號（鑄型·推出結束一側輸出信號）進行確認。

換模預告信號。

根據造好一定箱數的鑄型后輸出預告造型機[換模后最初的鑄型] 。

3.3 人機界面控制

3.3.1 運行前確認事項

開始運行前，請確認下述事項：扇形澆包下降機械限位已裝上；禁止鑄型運送選擇開關在禁止送型一側；澆注口對準砂型的澆注口；澆包在原始位置。

3.3.2 開始澆注前

接通操作電源；輸入澆注產品----操作觸摸式控制面板；按下換模按扭，將第2號產品名輸入到現在澆注品的品母上；將“禁止送型選擇開關”置于“解除送型”一側，造型機開始生產鑄型；可以澆注的鑄型到達澆注口時，讓造型機停止運送鑄型；往澆包中加鐵水；將澆注選擇開關置于“有”一側，按下位置決定起動按扭，開始澆注；此后，以鑄型運送相同的節拍，自動進行澆注。

3.3.3 觸摸屏

在觸摸屏上可以更改澆注過程中的控制量，可實現顯示澆注過程中的速度、位置等數據。通常的澆注狀態按該畫面進行（見圖3-2）。

4 項目應用及實施效果

基于S7-300的自動澆注機系統是一種無保溫性左右傾轉式澆注機，伺服電機控制的傾轉角速度按照典型的流量—時間曲線運動，達到模擬人工澆注的最佳效果。全機械傳動，結構簡單。轉換產品時，可輸入已存儲的相應澆注參數，并可在操作臺上進行現場調整。澆注機可以做X、Y兩個方向移動，上行車沿X方向移動（與造型線垂直方向），下行車沿Y方向移動（與造型線平行方向），變頻系統進行控制。

系統的特點：

（1）澆注時，所需的基本功能系自動操作、其它功能為手動干預操作，并且以超性價比為第一目標而開發的自動澆注系統將澆注動作設定成自動時，就可以代替人工澆注、實現無人化工作，并且可改善作業環境。尤其是以澆注時間短的鑄型為對象而開發的澆注程序。

（2）數據管理，通過參數控制澆注，根據模具的具體情況，設定參數，換模時，只需調出參數，即可澆注。

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

參考文獻：

[1]吳興純，楊燕云，吳瑞武等.基于模糊PID控制算法的自動澆注系統設計[J].鑄造技術，2011（12）.

[2]李兵，方敏，汪洪波.模糊PID液位控制系統的設計與實現[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2006（11）.

[3]薛迎成，潘俊民.自動澆注鐵水液位高度實時圖像處理方法的研究[J].鹽城工學院學報（自然科學版），2002（03）.

[4]薛迎成，潘俊民.實時專家控制在自動澆注系統中的應用[J].自動化儀表，2001（06）.

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

作者簡介：劉勇（1978-），男，山東武城人，專科，二級實習指導教師，高級技師。