蔡齐齐，赵羚琨，彭光宇，贺小明
南京科技职业学院
摘要：本文从最新冶喂丝的技术出发，分析了控制喂丝速度和喂丝长度的意义，阐述了变频驱动、伺服驱动等在自动喂丝系统中的应用，对典型的喂丝控制系统各主要构成及其功能进行了分析，讨论了变频电机驱动系统的电路构成，设计了一种基于PLC与变频器的精确喂丝控制系统的硬件及软件流程，并基于西门子PLC和三菱变频器，阐述了其喂丝速度和喂丝长度的精确控制算法。
关键词：喂丝机，速度和位置控制，变频器
1引言
随着我国钢铁行业的发展，国内大型钢厂已向世界同行看齐以生产合金钢、不锈钢和低合金钢为主要产品。 因此炉外精炼合金化技术的优越性就显示出来了[1]。炉外加镁工艺（通过加入镁线）主要作用为脱硫、球化、调节镁含量，改善铁水的品质，从而达到所需要的铸件钢铁材料的目的。如何精确控制加镁量和加镁的速度，以保证最佳的镁吸收率和镁、硫的残余比例，提高效率、达到节能起着重要的作用。
2自动喂丝的驱动选择
喂丝工艺要求喂丝机的喂线速度要保证芯线能够穿过液面的钢渣直接进入钢水之中，才能使插入的合金材料起到调节钢水成分的作用。有多种因素影响到喂丝机的喂丝速度[2]。为保证芯线顺利穿过钢渣，到达并稳定在最佳的熔化位置，喂丝驱动大多采用调速性能优良的变频调速系统或是伺服驱动系统。变频驱动是一种适合于节能减排，且调速控制方便、电路相对简单、价格相对低廉的一种驱动技术，因而广泛使用电机驱动之中。变频器可以实施开环恒压频比或闭环转差及矢量控制，从而达到调节电动机转速的目的。伺服驱动目前一般采用交流永磁同步电机，其具有调速范围宽、动态性能好等特点，电机内部转子是永磁体，接受伺服放大器输出的SPWM电源形成旋转磁场带动转子转动，电机自带的编码器反馈速度和位置信号给驱动器，和设定值进行比较进行闭环控制，从而调节转子转速和位移，达到精确调速和定位的目的。变频和伺服驱动都可以实现无极调速，实现软启动、制动等功能，都满足喂丝控制的要求。虽然伺服在调速精度、动态特性相对更好，但考虑到其成本较贵、维护相对复杂，本次喂丝控制选用变频驱动。
3自动喂丝机系统构成
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图1 喂丝机结构示意图 图2 无线吊钩秤示意图 图3 喂丝变频器接线图 图4小车变频器接线图
自动喂丝机可以分为立式和卧式两种，按芯线数量可以分为单线、双线、四线等类型。典型喂丝机采用变频调速驱动，变频电机再经过变速箱二级变速输出到驱动主动辊轮，由压紧装置作用将合金线送出，从而实现自动喂丝控制，但市场上部分喂丝机并未做到速度和位置闭环精确控制。为提高控制精度，本设计采用增加传感器。送线辊轮包括主动轮和从动轮，在从动辊轮装有脉冲传感器反馈送线速度和长度，并利用实施采集的铁水参数，实现全自动喂丝控制功能。喂丝机结构示意如图1所示，系统由双线合金线卷提供合金包芯线，送入送线辊轮，主动辊轮由变频电机耦合二级变速机构来驱动，从动辊轮起压紧功能，并在其安装接近脉冲传感器，脉冲信号由高速计数端子反馈到PLC。铁水包盖和喂丝机门均由气动电磁阀控制升降和开关。在喂丝机底部设有进退小车，用于运送铁水包进出机体，小车也用变频器驱动。在喂丝机体外侧设置相应控制柜，内部安装PLC、变频器、触摸屏等相应模块。为了自动获取铁水的重量，设计采用吊钩秤实现起吊铁水包时在线获取铁水重量，通过无线传输到仪表接收端，通过仪表通信总线将重量数据传输到PLC，吊钩秤示意图如图2所示。
4喂丝机硬件电路设计
利用变频器拖动电机很容易实现电动机正反转、进行较高精度的调速和制动以及软起动等功能。本设计变频器选用FR-E700系列，其频率设定，除了可用PLC输出端子控制多段速度设定外，也可以用模拟量连续设定频率。小车驱动变频器采用三段速控制方式，喂丝驱动变频器采用模拟量连续调速方式。模拟量输入范围4-20mA，要使端子4有效，必须使AU信号输入有效。这里选择RES端子用作AU信号输入（将AU端子与SD短接），方向信号STF，STR由PLC输出模块驱动，变频器I/V拨码开关拨至I侧。变频器电路如图3、图4所示[3]。各变频器参数设置如下表1所示。控制系统包括控制器PLC、触摸屏、模拟量输出模块。根据系统规模和要求，选择合适和应用广泛的西门子S7-200 Smart PLC，型号为SR60。触摸屏选用具有登陆用户管理、操作历史记录及配方管理的MCGS触摸屏，模拟量选用AQ02模块。控制系统输入信号既有面板常规手动操作按钮，也有传感器输入信号，安全连锁信号。输出信号包括电机驱动信号、上下盖信号、开关门信号，也有状态指示灯等信号。部分控制信号I/O分配表如表2所示。
表1 变频器参数设置表 表2 控制系统I/O分配表
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5喂丝控制流程
喂丝控制在控制柜柜面设置两个三位式转换开关，一个设置分别对应手动点动调整、手动连续喂丝、自动喂丝。另一个设置成A线自动喂丝、B线自动喂丝和AB线同时自动喂丝三个模式。柜面还设置A（B）喂丝、A（B）退丝、进车、退车、上包盖、下包盖等按钮，触摸屏上也对应设置操作按钮，这样设置可以满足厂家使用时不同的喂丝功能要求。为防止工人在人工穿线时发生卡阻等危险，在柜门和喂丝机机顶均设置急停按钮，保证操作安全。考虑到要求双线喂丝又有手动和自动方式，前提是能自动获取铁水的重量、温度、含镁量、含硫量等参数。重量由无线吊钩秤获得，温度由现场自动测温枪获取，其他参数由光谱分析仪人工取样获取。这些参数都有各自模块控制流程控制获得。这里只列出自动控制总流程图，A线自动喂丝流程如图5所示。
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图5 A线自动喂丝控制流程图
6结束语
针对典型自动喂丝机系统构成及其功能进行了分析，重点对变频器电路和参数设置进行了讨论，设计了自动喂丝控制系统的输入输出信号列表，并基于西门子PLC、MCGS触摸屏、三菱变频器设计了总体控制流程。
[参考文献]
[1]吴玉彬，吴荷生，宋润滨，等. 包芯线技术及其在国内外的应用[J]. 中国铸造装备与技术，1998，6：6- 9.
[2]安京,李海燕.喂丝机喂丝速度的影响因素及对策[J].机械工程师，2004.12：54
[3]三菱通用变频器FR-E700使用手册(应用篇)[Z].三菱电机
附作者信息：
作者简介：蔡齐齐（1999-），男，南京科技职业学院电气与控制学院2019级学生；
赵羚琨（1999-），男，南京科技职业学院电气与控制学院2019级学生；
彭光宇（1999-），男，南京科技职业学院电气与控制学院2019级学生；
贺小明（1977-），男，南京科技职业学院电气与控制学院讲师。