基于PLC 的电加热炉流量控制系统的设计与实现.pdf

基于基于 PLCPLC 的电加热炉流量控制系统的设计与实现的电加热炉流量控制系统的设计与实现 帅文, 吴运新 （中南大学 机电工程学院 湖南长沙 410083） 摘要摘要 针对电磁铸轧系统中的电加热炉进行了研究， 推导出了流量与电动机转速之间的关 系， 设计出了主控制电路， 并采用了EPEC 3G 系列微处理器及 CODESYS 编程软件。 实现电加热炉 在不同旋转位置输出的流量保持稳定。实验结果表明，该系统达到设计要求，运行良好。 关键词关键词 流量，PLC，电炉 中图分类号中图分类号TP273文献标志码文献标志码A Design and Application of the Electric Stove Flow Control System Based on PLC SHUAI Wen ,WU Yunxin Central South University, College of Mechanical Electrical Engineering, ChangSha 410083, China Abstract The electric stove is researched in the electromagnetic rollcasting system. With the application of EPEC 3G microprocessor and the CODESYS software, the variable relation between the flow and rotate speed of electromotor is deduced and the prime control circuit is designed. The flow of the electric stove can keep stable in different position. The experimental result shows that the control system has achieved the prime purpose and works well. Key words flow; PLC; electric stove 1 1.引言 传统的铝及铝合金连铸连轧技术， 依赖于添加铝-钛-硼晶粒细化剂提高带坯的组织和 性能。在电磁铸造的基础上形成的电磁铸轧技术，将电磁场应用于铝合金连续铸轧钟，可显 著提高铸轧带坯的组织和性能， 避免了由于添加铝-钛-硼引起的污染[1]。 在铸轧生产与实验 过程中， 前箱液面高度是整个铸轧系统极其关键的一个因素， 流入铸轧区的铝熔液稳定性 和 对称性决定铝板坯的表面质量，因此，保持合适的前箱铝熔液液面高度，使得在铸嘴前沿铝 熔液表面氧化膜不被破坏的情况下， 保证铝熔液对结晶面的压强以获得致密组织， 从而使 晶 粒度变小。在此情况下前箱液位高低就与电加热炉的流量有关。 2 2.系统总体设计方案 2.1 系统原理 电加热炉恒流量控制系统由三大部分组成， 即电控系统、 软件控制系统和机械传动系统。 其中机械传动系统由皮带传动、 减速机、 卷筒及钢丝绳与定滑轮等构成。 电动机接入电源后， 通过皮带轮，减速器，卷扬机带动 300kg 电加热炉转动。EPEC2023 通过电加热炉上的角度 传感器 N4 检测到连续变量。 EPEC2024 接收到 EPEC2023 的数据并通过事先编好的软件进 行处理和计算，输入一系列相应的PWM 信号从而驱动 IGBT。整个系统可用下图表示。 图 1 控制系统框图 电炉在钢丝绳的拉动下围绕支撑点O 转动，溶液从炉嘴流出，注入前箱。整个系统的目 的是为了保持电加热炉流量不变， 而电机的转速影响着流量的变化， 因此先建立电机转速 与 流量的函数关系式 2.2 建立电炉输出流量 Q 与旋转角速度的关系 将电加热炉简化为一圆柱体,数学模型如图 2 所示半径为 r,高为 h 图 2 电加热炉模型图 1当电炉液面未达到底面时,假设电炉绕 O 点顺时针旋转角,此时角满足 AOC0 （2-1）  tantan2 22 1 322 rrrhrVx 将（31）式两边同时对时间t 求导，得到第一区间的流量表达式 （2-2） 23 1cos/r dt dV Q 2当电炉液面达到底面时此时 � 90AOC V 222 22 cotcot2cot arcsin 2cotcot cotcot33 rhrrhrh rhrhh r      （2-3） cot22 3 2 r hr ππ  同样根据公式 Q可得到表达式 dt dv   222 2 2223 2 cotcot2csc 3 secsec 2 hrh h rr dt dV Q 2222222 2222 2cotcotcsccsccsc cot cot33 2cotcotcot2cotcot rhhhrh rhr rh rhhrhh        （2-4） tan 1arcsinsec2 3   r h r 由以上两个流量表达式可以综合成一个式子（2-5）Qf 3.3 建立电炉旋转角速度与电机转速 n 的关系[2] 由于是钢丝绳连接电炉旋转可得到（2-6） 2 cos 2 sin 2 2 rV线 现设定卷筒直径为 Dm,减速机速比为 i 则所以（2-7） D iV n  线 60 n     2 cos 2 sin 4230 22 D hri 即为 n 与ω之间的关系，将（3-4）式代入上式即可消去中间变量ω得到 （2-8）Qf D hri n   2 cos 2 sin 4230 22    建立了流量与电动机转速之间的关系以后就可以作为电动机闭环调速系统以及软件系统设 计的理论依据。 3.系统主电路及驱动电路的设计 直流调速系统中，包括有晶闸管-电动机调速系统（V-M 系统）以及直流脉宽调速系统 （PWM） 。采用全控式电力电子器件组成的PWM 型系统近年来已发展成熟，用途越来越广， 与 V-M 系统相比，在很多方面具有较大的优越性[3] （1）主电路线路简单，需用的功率元件少； （2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都比较小； （3）低速性能好， 稳速精度高，因而调速范围宽； （4）系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强； （5） 主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高； （6）直流电源采用三相整流时， 电网功率因数高。 IGBT 即绝缘栅双极型大功率晶体管。 它是以GTR 为主导元件， MOS 场效应管为驱动元件 的达林顿结构器件。IGBT 集 GTR 和 MOS 场效应管的优点于一身，既具有输入阻抗高，速度 快，热稳定性好驱动电路简单的特点，又具有通态电压低，耐压高和电流大等特点。因而 近 年来在工业电气自动化控制中得到了广泛应用。我们采用三菱公司生产的驱动模块 M57962L， M57962L 是 N 沟道大功率 IGBT 模块的驱动电路， 能驱动600V/400A 和 1200V/400A 的 IGBT。 用 M57962L 驱动 IGBT 模块的实际应用电路如图所示。 脚13， 脚 14 为带光电隔离的 PWM 信号输入端；脚 4，脚 6 分别接15V，-10V 的直流电源，用于开关和关断IGBT；脚 1 接 IGBT 的集电极用于检测导通时集射极之间的电压。当IGBT 模块过载时，亦即其集电极电压上升 至大于 15V 时， 隔离二极管 D1 截至， 脚 1 为 15V 高电平， 则驱动器将脚 5 置低电平， 使 IGBT 截至， 同时脚8置低电平使光耦合器工作。 稳压二极管Z1用于防止D1击穿而损坏M57962L。 R2 为限流电阻。Z3，Z2 组成限幅器，以确保IGBT 基极不给击穿。 图 3 控制系统电路图 由于大功率 IGBT 耐压能力都比较弱，因此IGBT 的过压保护电路设计十分关键。实际 电路中的导线存在又杂散电感，其储存能量为 [4]。在电流很小时，该能量 P L2/ 2 ILW P  体现不出来；当电流较大时，它会在IGBT 关断时产生很高的集电极尖峰电压。如果该电压 超过 IGBT 的最大反向电压，就可能击穿 IGBT，导致电机烧坏，因此，必须设计好 IGBT 的过压缓冲电路。主电路两端并联有电解电容Cd和无感电容 C，C 应选用高频特性好的无 感电容。它们的作用是吸收母线杂散电感在IGBT 关断时产生的尖峰电压。D2，D3 是快速 恢复二极管，其作用是在IGBT 关断时，给电机电流提供续流通道。 4 4. 系统硬件及软件实现 4.1 可编程控制器 EPEC2023 和 EPEC2024 Epec 3G 是 EPEC OY 开发的第三代 CAN 控制系统模块。Epec 3G 是基于长期恶劣环境如 高震动大温度变化和潮湿等条件下仍能正常可靠的工作而开发的。 它们具有高可靠性和安 全 性等优点,在机身里有高性能的微处理器。每一个控制模块都有一个8 针的安普接插件，主 要是电源借口和 CAN 总线接口。另外还有3 个 23 针安普接插件，每一根 I/O 针口都可以一 针多用，包括开关量输入、开关量输出，以及输出脉宽调制信号（PWM） 。在本系统中采用 PWM 输出。 4.2 软件的实现 本系统采用德国 3S 公司开发的 CODESYS. 编程语言包括 IL（指令表）、ST（结构化文 本）、FBD（功能模块图）、LD（梯形图）、SFC（顺序流程图）五种PLC 编程语言，用户可 根据需要灵活运用。CODESYS 的一个项目包括POUSprogram organization units、变量 VAR和函数库LIBS。用户主要对 POUS 和 VAR 进行编程设计,而 LIBS 则由服务商提供. CODESYS 提供了丰富的操作块,包括 IEC 运算符、逻辑操作运算符、移位操作运算符、选择 操作运算符、比较运算符、数据转换运算符以及数据计算功能块[5]。 首先编写项目的控制方案和程序流程， 对控制器的I/O 口进行分布。 以 PLC_PRG 为主程 序，采用 FBD 语言。在主程序中，先要对I/O 进行初始化，编写 I/O 初始化模块，并在主程 序的第一模块调用该模块，然后是CANOPEN 初始化,它可以对 EPEC 3G 系列微处理器模块的 发送与接收进行声明,且同时设定主从模块. 若系统中有ＣＡＮ2.0 接口,则要进行ＣＡＮ2.0 接口的初始化,用户必须自行定义.心跳检测则由主模块向总线发出一定频率的信号,然后从 总线得到其他各个模块的反馈信息,将其与设定值进行比较,就能够了解其他模块是否正常工 作。 图 4PLC 程序结构框图 5 5.结束语 本文主要通过控制电加热炉流量来调节前箱液位。 首先建立数学模型找到了流量与 电 动机转速的关系。从而将问题转化成了控制电动机转速，并设计了整个电路。硬件方面我们 创新的使用了 EPEC 3G 系列控制模块，对其它类似系统具有重要的参考与借鉴意义。 参考文献 [1]李晓谦，周伟华. 铝电磁铸轧发展现状[J].轻合金加工技术,2002,30121214 [2]曾松盛. 电磁铸轧恒流量自控系统建模与实验硏究[D].长沙中南大学, 2005 [3]陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M].北京机械工业出版社，1992 [4]肖峻，汤纯球，莫易敏.22kw 直流风机电机恒流调速系统的设计[J].武汉理工大学学报 （信息与管理工程学版）.2003,245 7172 [5]黄运生,汤勇,吴运新等.CAN总线通信技术在LTU90Ａ智能摊铺机中的应用 [J]. 中南工业大学学报自然科学版.2003,34553253