喷射成形沉积体PLC运动控制建模方案*

徐　进，陈先锋，邵黎军，刘志明，李　军

(江苏共昌轧辊股份有限公司，江苏 宜兴　214253)



喷射成形沉积体PLC运动控制建模方案*

徐进，陈先锋，邵黎军，刘志明，李军

(江苏共昌轧辊股份有限公司，江苏 宜兴214253)

介绍了喷射成形沉积体运动方式的设计及PLC运动控制的建模方法，分析了系统控制难点和解决方案；对于长轴面的喷射成形作业具有通用性的借鉴意义，对于新材料的开发具有积极的推动作用。

粉末冶金; 喷射成形； PLC控制； 系统建模

引言

喷射成形是上世纪60年代提出的学术思想，该技术是从传统的快速凝固粉末冶金(RS/PM)工艺基础上发展起来的快速凝固近终成形材料制造技术。它是一项涉及粉末冶金、液态金属雾化、快速冷却和非平衡凝固等多领域的新型材料制备技术。其基本工作原理是利用惰性气体将合金熔体雾化成不同尺寸的熔滴，然后沉积到接收基体上，凝固成结合良好的接近完全致密的坯件；通过调整沉积体的形状和控制沉积体相对于喷嘴的移动，可以制成不同形状的沉积坯件。喷射成形技术相对于传统的粉末冶金工艺，制备的材料晶粒更加细小，组织更为均匀，且能够抑制高合金化材料中的宏观和微观偏析，材料的力学性能几乎没有各向异性，致密度高。此外，由于喷射成形制成的合金含氧量低，耐磨性和耐腐蚀性也大大提高，被广泛应用于航空航天等军事领域。但喷射成形技术的难点在于复现性差，不易于找到统一的控制模式，本文旨在从实际应用之角度对长轴面沉积体的喷射成形作业进行控制方案的分析、设计，寻找一些规律和技巧，以达到生产出高质量产品的效果。

1　系统总体控制方案设计

不同生产条件下，喷射成形原理上没有多大差别，但生产装置和控制方法等方面是解决该技术的关键。江苏共昌轧辊股份有限公司(以下简称“江苏共昌”)通过对国家“十二五”科技支撑计划项目的组织实施，成功研发出适合喷射成形轧辊的成套设备，如图1所示，包括熔炼系统、保温系统、雾化沉积系统、真空系统、除尘系统、沉积体精确运动控制系统、监测系统、冷却水循环系统，及PLC上位机控制系统、雾化沉积监控系统等。

图1　喷射成形总体控制示意图

真空熔炼感应炉置于中间包上方，熔炼钢水经除渣、脱氧后直接倾倒至中间包坩埚，以减少由于运输造成的热量损失。中间包坩埚采用感应加热进行钢水恒温处理，主要采用钨铼热电偶进行测温和信号反馈，闭环控制中频电源输出功率，保证了钢水的浇铸过程温度一致。对中间包坩埚进行了特殊设计，采用双室坩埚，一方面隔墙底部开孔的连通器可以保证钢水的纯净度，另一方面让水口位保持一定的压强，有效地防止了堵嘴及喷射不均等异常情况的发生。

设备的传动系统包括熔炼坩埚的倾倒、沉积体装载小车的进出、沉积体的升降及自转、沉积体U型加热器的定位与加热控制、喷射舱的闭锁和密封、雾化气的控制等。其中沉积体的升降及自转需要精确的变频调速控制，选用Micro Master440系列变频器，MM420变频器由微处理器控制，采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性及功能的多样性。MM420变频器的控制方式有多种，可以通过数字量加模拟量实现简单控制，也可以通过USS或PROFIBUS的方式与其他控制单元通信连接。在变频调速控制上我们采用PLC输出模拟量控制变频器输出频率和开关量控制启停来实现。设计的喷射成型控制系统(如图2所示)主要由可编程序控制器PLC、工业控制计算机、上位组态控制软件(WINCC)、现场传感变送器、执行器(如电动机等)、阀门机构等组成。

图2　喷射成形组态控制示意图

下位机选用的是西门子S7-300系列PLC，包括CPU模块、信号采集模块、电源模块等。选用SIMATIC工控机作为上位监控系统，以及西门子组态软件WINCC。工控机上安装有CP5611通讯卡，上、下位机之间采用MPI方式进行通讯连接。WINCC组态软件可以实现人机交互界面，可以对喷射过程进行方便直观的监视、控制及数据的归档和报警信息的处理；PLC和现场具体设备相连，PLC程序实现对设备整体工作流程的具体控制实现；PLC通过协议与WINCC实时交换数据。

2　上位监控系统WINCC软件设计

2.1设计方案

WINCC组态软件是一个集成的人机界面HMI和监控管理系统，WINCC中提供了ANSI-C和VBS语言脚本，具有标准的应用程序接口，通过ODBC和SQL能访问WINCC所集成的数据库归档数据。WINCC主要由控制中心、系统控制器和数据管理器等模块组成，其中控制中心组合了系统操作所需的全部数据，并确保按等级数据进行存储，系统控制器进行通讯管理，而数据管理器主要是用于处理变量值。在设计控制软件时之所以选用WINCC组态软件，除了因为其功能强大之外，还兼顾考虑到其本身提供有下位机S7-300PLC的驱动程序，可以嵌入编程工具STEP的管理器，使得上位机程序和下位机PLC程序可以被统一管理，二者链接非常容易实现。监控主画面(如图3所示)根据实际生产需要主要对喷射过程进行动态管理与监控，有工艺参数设置部分、沉积体负载小车4个方向及自转控制部分、沉积小车模拟运行动态画面、各电机转速及位移随动显示部分、报警单元、沉积体加热器及安全门联锁运动控制部分等，其中一些子画面由按钮调用。

图3　喷射成形监控主画面设计图

画面中左侧中上部显示模拟的各部件单元的运动状态，左下部分分别显示了X，Y，Z轴的运动速度曲线的实时监控，画面右侧分别是喷射成形工艺参数设置、喷射沉积体的手动定位，启停控制，下方为子画面调用按钮。

2.2控制程序

2.2.1工艺参数的设置与修改

图4　喷射成形系统工艺参数设置画面

点击“设置参数”会自动进入参数设置画面，如图4所示。在获取参数修改权限后可以对控制工艺参数进行修改。主要的参数分为三块内容：1)X轴、Y轴的单圈移动距离及Y轴的提升速度控制；2)X，Y，Z轴的减速机的减速比；3)运行参数设置的极限值，防止超出安全控制的参数范围。而对于复现性的产品生产，也可以从预先存入的数据库中直接进行参数调用(如图5所示)，为数据管理及工艺改进提供方便。

图5　喷射成形系统参数调用与存储画面

2.2.2启动或停止作业

在参数修改或调用程序结束后，需要手动定位沉积体的起始点，通过点击主画面右侧的“手动定位”按钮获取权限，通过调节四个方向将雾化喷嘴定位在沉积体左侧的起点位置。定位结束后，沉积体进行预热，红外测温仪检测预热温度并自动反馈至中频装置，达到预设温度后，中频装置关闭，沉积体装载小车运行至起喷点位置，铁水雾化气压(40 MP)正常、中间包坩埚内铁水温度满足后，点击“启动按钮”，铁水泄流闸阀打开，沉积体自转同时沉积体装载小车按预设方向开始移动，喷射成形作业按设定的工艺路线开始运行。喷射作业直到沉积体直径达到目标直径时自动终止。

在喷射成形加工过程中，暂停按钮可以随时终止喷射作业，再次点击暂停按钮，将按照原先的加工进度上继续执行喷射作业。急停按钮用于在系统出现紧急情况下切断伺服电机电源之用。报警子画面列出了故障信息，如图6所示。

图6　喷射成形系统故障信息画面

画面上显示出X，Y，Z轴伺服电机及电源模块的工作状态，当出现故障报警时，可以查看相应的报警代码。同时，也可以通过操作相对应的复位按钮将报警进行复位。

2.2.3动态监控

曲线画面主要用于喷射过程中对X，Y，Z轴伺服电机运行转速的动态实时监控，如图7所示。

图7　喷射成形系统电机转速监控画面

3　控制系统建模方案

轧辊长轴喷射成形要兼顾多种条件因素，要在铁水雾化喷射扫描速度、往返运行速度、基轴变速下降、雾化气体压力的调节等方面达到和谐的统一，才能在保证较高的沉积收得率的前提下喷射出致密的冶金结合良好的产品。轧辊基材在真空喷射仓内用U型中频感应加热器预热到1200 ℃，真空环境预防了基材氧化，高温预热保证了冶金结合。

3.1建模相关参数的定义与设定

工件沉积区长度：X(mm)，

工件起始直径：Y(mm)，

工件目标喷射直径：Z(mm)，

铁水流量：A(kg/min)，

工件旋转线速度：B(mm/min)，

沉积带宽：C(mm)，

起始横向速度：E(mm/min)

沉积率：H(%)。

3.2喷射成形工作状态的运动控制和算法

3.2.1堆积厚度(D)

D=(铁水流量*沉积率)/(7.85×线速度×带宽) =(A×H)/(7.85×B×C)。

3.2.2工件起始速度(F)

F=工件线速度/(起始直径×∏)=

B/(Y×∏)。

3.2.3工件旋转的速度控制

工件线速度/(工件直径×∏)=B/(Y+2×D)×∏=B/[Y+2×A×7.85/(B×C)]×∏。

3.2.4工件横向行走速度

起始横向速度*起始直径/工件直径=

起始横向速度*起始直径/(起始直径+2×堆积厚度)=E×Y/(Y+2D)。

3.2.5工件横向运动的次数N(以改变运动方向计数)

N=(工件目标直径-工件起始直径)/(2×堆积厚度)=(Z-Y)/(2×D)。

3.2.6下降位移控制(以每个横向运动行程结束时下降一次)

每次下降的距离=堆积厚度=D。

3.3关键控制点—起喷点的设置方案

1) 设置原则：从一端向另一端进行铁水喷射扫描堆积，起喷点改变了传统的以中心点为基准向两侧扫描的方式，实际证明，设计为端点定位的控制方式更加合理；

2) 喷射起喷位设置有接近开关，当沉积体工件装载小车到达此位置时，信号反馈至主程序，主画面有到位信号指示灯，而喷射过程中该信号将直接控制沉积体装载小车横向位移的反向动作。

通过将以上的建模方案定义至S7-300，对应的PLC程序设计将异常简便。

4　结束语

喷射成形设备结构形式复杂多样，比如有单喷嘴、双喷嘴和多喷嘴等；有沉积体工件水平方向和竖直方向移动，或沉积体固定而喷嘴移动等方式；设备配置不同其控制方案也相差迥异。本文仅就江苏共昌沉积体工件水平移动方式(包括随着沉积厚度的增加为保证铁水喷射雾化距离而进行的本体下降运动)做出了控制方案设计说明，对关键的结构件如U型中频感应加热器、恒压双室保温中间包坩埚、雾化喷嘴系统等进行了自主开发设计，部分申报了国家专利。PLC控制系统设计先进，运行可靠，保证了喷射成形工艺执行过程中的零误差。系统可维护性好，提高了项目的自动化作业率和工作效率，铁水雾化沉积率在80%以上，在行业中有比较好的借鉴意义。

[1]张济山，熊柏青，崔华.喷射成形快速凝固技术——原理与应用[M].北京：科学出版社，2008.

[2]许加星，喷射成形设备控制系统研究与应用[D].西安：西安电子科技大学，2009.

2016-03-21

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