基于浇包转角的自动倾转浇注控制系统设计

鲁逸帆 王庭有

（昆明理工大学机电工程学院）

我国是一个铸造大国，但是与国外成熟的铸造设备相比，在自动化程度、浇注精度等方面仍有提升空间。 因此，提高我国铸造技术的技术水平和铸造产品的质量，就必须实现自动浇注并提高浇注精度［1～6］。笔者提出基于浇包转角的自动倾转浇注控制系统，以实现定速自动浇注。

1 系统组成

如图1所示， 基于浇包转角的自动倾转浇注控制系统采用PLC作为控制核心， 将电机速度控制信号输送至伺服驱动器，再由伺服驱动器控制电机运转；电机带动浇包转动时，由角位移传感器测量浇包的转角并将浇包转角数据输出至PLC，PLC程序根据浇包转角调节输出转速；触摸屏作为人机界面， 实现控制整个系统运作的操作，最终实现实时数据的监控。

图1 系统工作原理

2 建立浇注量与转速数学模型

图2 θ0、θ1示意图

当浇包转角θ∈［θ0，θ1］时，包内剩余的金属液体积等于圆柱体积1加上圆柱体积2的一半，如图3所示。

图3 θ∈［θ0，θ1］时剩余金属液示意图

图4 θ∈（θ1，］时剩余金属液示意图

取某型浇包r=305 mm，h=620 mm， 浇注速度C=2.4 L/s，并将这些参数代入上述推导过程。

由于式（5）是一个复杂的数学表达式，在接下来编写PLC程序时难以实现， 故通过数据拟合将式（6）拟合为一个如图5所示的多项式函数。

图5 拟合结果

3 硬件设计

3.1 PLC

选用S7-1500PLC作为控制核心， 型号为CPU 1511T-1PN（6ES7 511-1TK01-0AB0）。

由于该型PLC没有模拟量输入端口， 故再选加AI 4×U/I/RTD/TC ST模拟量输入模块。

3.2 伺服驱动器及伺服电机

考虑到负载等实际情况， 驱动系统采用SINAMICS V90交流伺服系统。驱动器和电机的型号分别是6SL3210-5FE17-0UF0 和1FL6096-1AC61-2LH1。

SINAMICS V90是西门子推出的一款小型、高效便捷的伺服系统，可实现位置控制、速度控制和扭矩控制［7］。

3.3 触摸屏

由于本系统仅需实现控制系统启动、停止以及监控少量数据的功能， 故选用西门子KTP400Basic PN触摸屏即可。

3.4 角位移传感器

选用MCJSV010A-2-A-1型角位移传感器，量程0～180°，输出电压0～10 V。

4 软件设计

4.1 PLC程序

PLC程序采用梯形图混合SCL语言编程。系统在启动运行时，将角位移传感器采集的模拟量数据转换为所需的角度信息， 模拟量转换SCL程序语句如下：

#anl:=INT_TO_REAL（#anl_in）；

#th:=#anl/27648*（#max-#min）+#min；

再根据式（10）将该角度下浇包所需的转速计算出来，转速计算SCL程序语句如下：

#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；

之后再通过梯形图语言，将控制信号输出到V90伺服驱动器驱动电机带动浇包运转。 当浇包内金属液全部浇注完成后电机反转带动浇包回到起始位置。 总程序流程如图6所示。

图6 系统总流程

4.2 人机界面

基于KTP400Basic PN触摸屏设计的基于浇包转角的自动倾转浇注控制系统人机界面如图7所示。

图7 触摸屏界面

点击开始按钮，系统开始运行、系统运行指示灯亮， 当浇包到位后浇包到位指示灯亮并开始浇注、浇注指示灯亮。点击急停按钮时，系统停止、系统运行指示灯灭， 再次点击开始按钮系统可再次开始运行。按住暂停按钮可使浇注过程暂停、暂停指示灯亮， 松开暂停按钮继续浇注、 暂停指示灯灭。点击复位按钮可使浇包转回初始位置。浇注结束后，浇完指示灯亮，浇包转回初始位置。

在人机界面右侧，实时显示当前浇包的转角及当前浇包的转速。

5 结束语

笔者提出一套自动倾转浇注控制系统，并对所使用的PLC、 触摸屏等元器件进行了选型，最终通过TIA Portal V16对PLC和触摸屏进行了程序设计。 仿真结果表明，该系统能够实现高精度浇注。