CN104190893A - 一种用于自动化连铸系统的调速装置及调速方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于连续铸造技术领域，尤其涉及一种用于自动化连铸系统的调速装置及调速方法。该装置包括运动单元、检测反馈单元以及计算控制单元；其中运动单元包括：连铸托架3、液压系统；检测反馈单位包括：脉冲输出型拉线编码器4、电压输出型拉线编码器5、放大器13、PLC模拟量输入模块17、电位器18；计算控制单元包括：PC机14、PLCCPU15、PLC模拟量输出模块16。该装置具有操作简单，节省人工，运行安全、稳定、易于控制，过程精确等优点，已经在生产中得到了实际应用。
Description
技术领域
本发明属于连续铸造技术领域，尤其涉及一种用于自动化连铸系统的调速装置及调速方法。
背景技术
半固态连铸是半固态加工与现代连铸技术相结合的产物。在半固态连铸过程中，金属熔体以固液两相共存的状态进入结晶器，其中的固相为非枝晶粒状组织。半固态连铸的主要工艺流程为金属冶炼→半固态浆料的制备→拉坯。其技术关键主要有两个，一是连续冷却搅拌条件下非枝晶粒状固相的形成与控制，二是含有非枝晶粒状固相的半固态浆料的充型。整个过程中，要想制备高质量的半固态坯料，离不开优质的工艺，更离不开控制精确的连铸设备。
现有的连铸机有两类：水平连铸机和垂直连铸机。由于水平连铸机在半固态连铸技术领域的种种弊端，目前半固态连铸机以垂直式为主。传统的垂直连铸机，尤其是小型连铸机基本上采用的都是手动操作，在连续铸造的过程中很难把握其过程参数的精度，尤其是在连铸过程中最重要的熔体温度、拉铸速度以及冷却水强度等因素，即使在具有自动控制系统的连铸机上，也只有显示在控制面板上的给定值，而不是准确的速度实际值，要想得到实际的速度值，调速装置就显得尤为重要。
目前垂直连铸机的牵引机构主要采用钢丝绳滑轮牵引系统和液压缸升降系统这两种形式，但是采用钢丝绳牵引系统的弊端在于很难掌握牵引的托架在运动过程中的平衡性，在引锭对中的过程中相较液压系统也要更困难。
发明内容
为了实现对液压系统拉铸机拉铸速度的精确控制，本发明提出了一种用于自动化连铸系统的调速装置，包括运动单元、检测反馈单元以及计算控制单元；其中运动单元包括：连铸托架3、液压系统；检测反馈单位包括：脉冲输出型拉线编码器4、电压输出型拉线编码器5、放大器13、PLC模拟量输入模块17、电位器18；计算控制单元包括：PC机14、PLCCPU15、PLC模拟量输出模块16。
所述运动单元的液压系统包括液压油缸6、电液比例调速阀7、单向阀8、液压锁9、电磁换向阀10、溢流阀11、压力表12、液位液温计；电磁换向阀10选用三位四通电磁换向阀3WE6A-61B/CG24NZ5L，电液比例调速阀7采用2FRE6B-20B/16QM，单向阀8采用S10A1/2，压力表12采用YN60，0-40Mpa，液位液温计采用YWZ200T；通过设计的回油节流调速的液压系统实现托架在上升和下降过程中的速度控制，同时电液比例调速阀7采用2FRE6B-20B/16QM使在连铸托架上升到一定位置引锭对中的过程中能够控制连铸托架的运动速度，最低速度能够达到0.8mm/s。
所述放大器13采用VT-5010S30反馈电路；PLCCPU15和PLC模拟量输入模块17分别采用西门子S7300中的CPU314C-2DP模块和SM331模拟量输入模块；脉冲输出型拉线编码器4采用KS90脉冲输出型拉线编码器，用来检测托架运动速度，根据输出脉冲的个数通过换算得到速度值和运动距离值；电压输出型拉线编码器5用来检测托架位置，为引锭对中以及铸棒长度控制服务；这两个拉线编码器检测所得到的脉冲信号和电压信号分别输入到CPU314C-2DP模块和SM331模拟量输入模块中，通过计算机控制单元中软件的编程来实现托架位置以及铸棒长度的监视。
所述计算控制单元包括：采用西门子S7300中的CPU314C-2DP模块的PLCCPU15，采用西门子S7300中的SM332模拟量输出模块的PLC模拟量输出模块16和装有STEP7编程软件和组态王6.5软件的PC机14；计算控制单元通过电位器18给定的信号、放大器检测信号、放大器反馈信号以及脉冲输出型拉线编码器4检测到的脉冲信号的处理，最终控制放大器13输出信号来实现自动或手动拉铸的速度控制。
所述脉冲输出型拉线编码器4以及电压输出型拉线编码器5通过固定装置、滑轮组将拉线钢丝绳固定到连铸托架3某一位置，这一位置经过多次实验测试，能保证在同一速度下每次运动到同一位置的精确性以及同步性，同时防止漏料对钢丝绳的损坏；在连铸托架3的运动过程中，脉冲输出型拉线编码器4记录脉冲数，脉冲信号输入到PLCCPU15中运算，使其检测速度的精度达到0.5mm/s；电压输出型拉线编码器5用于监测托架3位置和铸棒长度，电压信号输入到PLC模拟量输入模块17中；将以上监测数据通过PLCCPU15的通讯模块输入到PC机14中，通过编程软件和组态软件实现了实时显示与记录的功能。
一种用于自动化连铸系统的调速装置的调速方法，其特征在于，包括手动操作和自动控制两种工作模式，以及设备初始化操作和拉铸操作两个操作步骤；当手动操作时，电位器18将0-10V直流电压输入到放大器13中，放大器13、电位器18经过运算驱动电液比例调速阀7进行调速，通过给定电压的变化实现量程范围内的无极调速，同时电液比例调速阀7的开度值又返回到放大器13中，通过放大器13的反馈输出端将0-6V的开度信号输入到PLC模拟量输入模块17中，而电位器18给定的0-10V信号也输入PLC模拟量输入模块17中，同时在PLCCPU15中通过软件进行换算，将两个值进行比较，能观察到开度值随给定电压的变化曲线，进行液压系统与电位器18给定值之间的匹配；
自动控制时，操作员在PC机14操作界面上输入工艺参数，当拉铸开始时，PLC模拟量输出模块16通过放大器13另一输入口将信号送给电液比例调速阀7，电液比例调速阀7打开进行工作，并且将实时监测值送入PLC模拟量输入模块17中，进行闭环控制，实现满足生产要求的精确控制。
所述设备初始化操作为引锭对中操作，即连铸托架3先由最底端以9mm/s的速度运动到引锭2距水箱30mm处，由PLC模拟量输出模块16控制减速到3mm/s，再继续上升，当引锭2进入结晶器时速度自动下调到1mm/s，在这个过程中，脉冲输出型拉线编码器4和电压输出型拉线编码器5分别输出信号到PLCCPU15和PLC模拟量输入模块17中，通过程序对速度进行调整，脉冲输出型拉线编码器4负责速度测量反馈，电压输出型拉线编码器5负责位置信号反馈。
所述拉铸操作为在操作人员输入的指令下，依照设定的速度进行拉铸，PLC模拟量输出模块16通过放大器13输入口将信号送给电液比例调速阀7，电液比例调速阀7打开进行工作，同时脉冲输出型拉线编码器4和电压输出型拉线编码器5检测速度和位移，并在程序中进行闭环控制，同时在操作面板上显示这些实时监测值和过程曲线，再将整个操作过程中的所有工艺参数保存到excel工作簿中。
本发明的有益效果在于：
1、与钢丝绳牵引机构相比，能够更加平稳精确地控制托架运动的速度与距离，更好的实现引锭的对中，为半固态坯料的生产提供了更简便的方法，减少了人工引锭对中的误差。
2、与传统的自动化、半自动化测量装置相比，脉冲信号和电压信号提供的不是给定值，而是真实的测量值，是托架运动的真实值，测量的速度通过与电液比例电磁阀开度以及电位器给定值的对比能够更加精确的控制托架的位置，使工艺参数更稳定准确。
3、通过以上几组数据的对比，使整个系统在拉速控制上能够非常准确，并且通过组态软件，和PC机能够更直观的反应拉速和托架运动的位置，同时通过后台历史数据的保存能够系统的记录整个连铸过程的工作状况，除去了很多人为的误差，提升了半固态坯料的质量。
附图说明
图1是一种用于自动化连铸系统的调速装置的示意图；其中，1-熔炼炉，2-引锭，3-连铸托架，4-脉冲输出型拉线编码器，5-电压输出型拉线编码器，6-液压油缸，7-电液比例调速阀，8-单向阀，9-液压锁，10-电磁换向阀，11-溢流阀，12-压力表，13-放大器，14-PC机，15-PLCCPU，16-PLC模拟量输出模块，17-PLC模拟量输入模块，18-电位器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所提出的方法做进一步的说明。
本发明的目的是对液压系统拉铸机拉铸速度的测量，该装置不仅可以精确的测量连铸过程中托架下降的速度和距离，而且可以测量出在托架上升时以及引锭对中过程中托架的运动速度和距离，反馈到PLC中，达到自动引锭对中的目的。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
下面以半固态A390铝合金坯料的制备为例来说明本发明装置的工作原理。如图1所示为一种用于自动化连铸系统的调速装置，用于铝合金半固态坯料的加工，该装置包括运动单元、检测反馈单元以及计算控制单元；其中运动单元包括：连铸托架3，液压油缸6、电液比例调速阀7、单向阀8、液压锁9、电磁换向阀10、溢流阀11、放大器13、电位器18；检测反馈单位包括：脉冲输出型拉线编码器4、电压输出型拉线编码器5、压力表12、PLC模拟量输入模块17；计算控制单元包括：PC机14、PLCCPU15、PLC模拟量输出模块16。
脉冲输出型拉线编码器4以及电压输出型拉线编码器5通过固定装置、滑轮组将拉线钢丝绳固定到连铸托架3某一位置，这一位置经过多次实验测试，能保证在同一速度下每次运动到同一位置的精确性以及同步性，同时防止漏料对钢丝绳的损坏；在连铸托架3的运动过程中，脉冲输出型拉线编码器4记录脉冲数，脉冲信号输入到PLCCPU15中运算，使其检测速度的精度达到0.5mm/s；电压输出型拉线编码器5用于监测托架3位置和铸棒长度，电压信号输入到PLC模拟量输入模块17中；将以上监测数据通过PLCCPU15的通讯模块输入到PC机14中，通过编程软件和组态软件实现了实时显示与记录的功能。
运动单元的液压系统包括液压油缸6、电液比例调速阀7、单向阀8、液压锁9、电磁换向阀10、溢流阀11，液压缸6在电磁换向阀10和电液比例调速阀7的配合下带动连铸托架3进行往复运动，当连铸托架3下降时右侧单向阀打开，左侧电液比例调速阀进行调速，当连铸托架3上升时左侧单向阀8打开，右侧电液比例调速阀进行调速，形成回油节流调速。
该装置分为手动操作和自动控制两种工作模式，当手动操作时，电位器18将0-10V直流电压输入到放大器13中，放大器13、电位器18经过运算驱动电液比例调速阀7进行调速，通过给定电压的变化实现量程范围内的无极调速，同时比例调速阀7的开度值又返回到放大器13中，通过运算放大器13的反馈输出端将0-6V的开度信号输入到PLC模拟量输入模块17中，而电位器18给定的0-10V信号也输入PLC中，同时在PLC中通过软件进行换算，将两个值进行比较，能观察到开度值随给定电压的变化曲线，这一步进行了液压系统与电位器给定值之间的匹配。
该调速装置的优点主要突出在自动控制工程中，当进行自动连铸时，由脉冲输出型拉线编码器4和电压输出型拉线编码器5所得到的数据，在PLC中进行与给定电压值得匹配。具体过程是：自动操作时，操作员在电脑操作界面上输入工艺参数，当拉铸开始时，PLC模拟量输出模块16通过放大器另一输入口将信号送给电液比例调速阀7，调速阀打开进行工作，并且将实时监测值送入PLC，这样就行了闭环控制，在PLC中将程序完善，实现满足生产要求的精确控制。尤其在托架上升引锭对中的过程中，通过不间断的采集查询，液压系统和调速单元配合，能够达到很好的效果。在整个生产过程中，人工手动的环节较少，在节省人力的同时，能够使生产过程更加精确。
该装置的调速方法包括：首先进行设备初始化操作，这就要进行引锭对中的操作，连铸托架3先由最底端以9mm/s的速度运动到引锭2距水箱30mm处，由PLC控制减速到3mm/s,再继续上升，当引锭2进入结晶器时速度自动下调到1mm/s，在这个过程中，脉冲输出型拉线编码器4和电压输出型拉线编码器5输出信号到PLC，通过程序对速度进行调整，脉冲输出型拉线编码器4负责速度测量反馈，电压输出型拉线编码器5负责位置信号反馈。
当设备初始化完成之后，进行拉铸，在操作人员输入的指令下，依照设定的速度进行拉铸，PLC模拟量输出模块16通过放大器13输入口将信号送给电液比例调速阀7，调速阀7打开进行工作，同时脉冲输出型拉线编码器4和电压输出型拉线编码器5检测速度和位移，在程序中进行闭环控制，同时在操作面板上显示这些实时监测值和过程曲线，再将整个操作过程中的所有工艺参数保存到excel工作簿中。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种用于自动化连铸系统的调速装置，其特征在于，包括运动单元、检测反馈单元以及计算控制单元；其中运动单元包括：连铸托架(3)、液压系统；检测反馈单位包括：脉冲输出型拉线编码器(4)、电压输出型拉线编码器(5)、放大器(13)、PLC模拟量输入模块(17)、电位器(18)；计算控制单元包括：PC机(14)、PLC CPU(15)、PLC模拟量输出模块(16)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述运动单元的液压系统包括液压油缸(6)、电液比例调速阀(7)、单向阀(8)、液压锁(9)、电磁换向阀(10)、溢流阀(11)、压力表(12)、液位液温计；电磁换向阀(10)选用三位四通电磁换向阀3WE6A-61B/CG24NZ5L，电液比例调速阀(7)采用2FRE6B-20B/16QM，单向阀(8)采用S10A1/2，压力表(12)采用YN60，0-40Mpa，液位液温计采用YWZ200T；通过设计的回油节流调速的液压系统实现托架在上升和下降过程中的速度控制，同时电液比例调速阀(7)采用2FRE6B-20B/16QM使在连铸托架上升到一定位置引锭对中的过程中能够控制连铸托架的运动速度，最低速度能够达到0.8mm/s。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述放大器(13)采用VT-5010S30反馈电路；PLC CPU(15)和PLC模拟量输入模块(17)分别采用西门子S7300中的CPU314C-2DP模块和SM331模拟量输入模块；脉冲输出型拉线编码器(4)采用KS90脉冲输出型拉线编码器，用来检测托架运动速度，根据输出脉冲的个数通过换算得到速度值和运动距离值；电压输出型拉线编码器(5)用来检测托架位置，为引锭对中以及铸棒长度控制服务；这两个拉线编码器检测所得到的脉冲信号和电压信号分别输入到CPU314C-2DP模块和SM331模拟量输入模块中，通过计算机控制单元中软件的编程来实现托架位置以及铸棒长度的监视。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计算控制单元包括：采用西门子S7300中的CPU314C-2DP模块的PLC CPU(15)，采用西门子S7300中的SM332模拟量输出模块的PLC模拟量输出模块(16)和装有STEP7编程软件和组态王6.5软件的PC机(14)；计算控制单元通过电位器(18)给定的信号、放大器检测信号、放大器反馈信号以及脉冲输出型拉线编码器(4)检测到的脉冲信号的处理，最终控制放大器(13)输出信号来实现自动或手动拉铸的速度控制。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲输出型拉线编码器(4)以及电压输出型拉线编码器(5)通过固定装置、滑轮组将拉线钢丝绳固定到连铸托架(3)某一位置，这一位置经过多次实验测试，能保证在同一速度下每次运动到同一位置的精确性以及同步性，同时防止漏料对钢丝绳的损坏；在连铸托架(3)的运动过程中，脉冲输出型拉线编码器(4)记录脉冲数，脉冲信号输入到PLC CPU(15)中运算，使其检测速度的精度达到0.5mm/s；电压输出型拉线编码器(5)用于监测托架(3)位置和铸棒长度，电压信号输入到PLC模拟量输入模块(17)中；将以上监测数据通过PLC CPU(15)的通讯模块输入到PC机(14)中，通过编程软件和组态软件实现了实时显示与记录的功能。
6.一种权利要求1所述的自动化连铸系统的调速装置的调速方法，其特征在于，包括手动操作和自动控制两种工作模式，以及设备初始化操作和拉铸操作两个操作步骤；当手动操作时，电位器(18)将0-10V直流电压输入到放大器(13)中，放大器(13)、电位器(18)经过运算驱动电液比例调速阀(7)进行调速，通过给定电压的变化实现量程范围内的无极调速，同时电液比例调速阀(7)的开度值又返回到放大器(13)中，通过放大器(13)的反馈输出端将0-6V的开度信号输入到PLC模拟量输入模块(17)中，而电位器(18)给定的0-10V信号也输入PLC模拟量输入模块(17)中，同时在PLC CPU(15)中通过软件进行换算，将两个值进行比较，能观察到开度值随给定电压的变化曲线，进行液压系统与电位器(18)给定值之间的匹配；
自动控制时，操作员在PC机(14)操作界面上输入工艺参数，当拉铸开始时，PLC模拟量输出模块(16)通过放大器(13)另一输入口将信号送给电液比例调速阀(7)，电液比例调速阀(7)打开进行工作，并且将实时监测值送入PLC模拟量输入模块(17)中，进行闭环控制，实现满足生产要求的精确控制。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述设备初始化操作为引锭对中操作，即连铸托架(3)先由最底端以9mm/s的速度运动到引锭(2)距水箱30mm处，由PLC模拟量输出模块(16)控制减速到3mm/s，再继续上升，当引锭(2)进入结晶器时速度自动下调到1mm/s，在这个过程中，脉冲输出型拉线编码器(4)和电压输出型拉线编码器(5)分别输出信号到PLC CPU(15)和PLC模拟量输入模块(17)中，通过程序对速度进行调整，脉冲输出型拉线编码器(4)负责速度测量反馈，电压输出型拉线编码器(5)负责位置信号反馈。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述拉铸操作为在操作人员输入的指令下，依照设定的速度进行拉铸，PLC模拟量输出模块(16)通过放大器(13)输入口将信号送给电液比例调速阀(7)，电液比例调速阀(7)打开进行工作，同时脉冲输出型拉线编码器(4)和电压输出型拉线编码器(5)检测速度和位移，并在程序中进行闭环控制，同时在操作面板上显示这些实时监测值和过程曲线，再将整个操作过程中的所有工艺参数保存到excel工作簿中。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Effective date of registration: 20210825 Address after: 101407 No. 11 Xingke East Street, Yanqi Economic Development Zone, Huairou District, Beijing Patentee after: Youyan metal composite technology Co.,Ltd. Address before: 101407 No. 11 Xingke East Street, Yanqi Economic Development Zone, Huairou District, Beijing Patentee before: YOUYAN ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. |
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