介紹富士觸摸屏與和PLC在銅材冶煉行業(yè)中的應(yīng)用案例。
近些年來，隨著我國的電力、電器行業(yè)的迅猛發(fā)展，對材料提出了新的技術(shù)要求，帶動了銅加工行業(yè)的加工工藝的進(jìn)步。我們參與完成了銅加工設(shè)備中名為“無氧銅桿連鑄機(jī)組”的關(guān)鍵設(shè)備的電控系統(tǒng)的開發(fā)生產(chǎn)。 所謂的無氧銅連鑄，是先將銅在400KW的中頻加熱爐中融化，銅水表面始終覆蓋著一層木炭粉，將銅水與氧氣隔絕，而后在冷卻水套中結(jié)晶成銅桿，通過牽引實(shí)現(xiàn)連續(xù)鑄造。這樣工藝生產(chǎn)出的銅材導(dǎo)電性能好，線路損耗低，已經(jīng)受到行業(yè)的認(rèn)可。 電控系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成銅桿從上引連鑄 、牽引、卷繞成盤的流水線的整個生產(chǎn)過程的控制。其中伺服電機(jī)帶動減速機(jī)和及其他機(jī)械結(jié)構(gòu)將銅桿向上牽引，實(shí)現(xiàn)連續(xù)鑄造；再由變頻器帶動機(jī)械對鑄造好的銅桿實(shí)現(xiàn)牽引、卷繞、完成盤狀包裝。 由于這種冶煉設(shè)備都連續(xù)24小時不間斷運(yùn)行，一般日產(chǎn)20噸Φ8mm銅桿，產(chǎn)量大，產(chǎn)值高，所以對機(jī)組的可靠性要求也很高。設(shè)備一旦由于故障而停機(jī)，為了避免爐中的銅水冷卻凝固后與爐子結(jié)為一體，必須要通電保溫，光一天的電費(fèi)損失就高達(dá)5000元人民幣。由于停機(jī)造成大量的廢銅也是一大筆損失。同時，該種設(shè)備的工作環(huán)境卻相當(dāng)惡劣：現(xiàn)場環(huán)境溫度極高，距離中頻加熱爐旁2米的環(huán)境溫度還要達(dá)到50℃，會加速電器元件的老化；炭粉、灰塵等導(dǎo)電顆粒可能會影響觸摸屏、PLC、伺服驅(qū)動器等電器元件的正常工作。這樣的環(huán)境已經(jīng)超越了一般電器產(chǎn)品的環(huán)境要求，但產(chǎn)品一旦發(fā)生故障又會帶來損失和不良的反響，這樣的設(shè)備對我們及選用的產(chǎn)品來說都是一種考驗(yàn)。 為此，我們經(jīng)過了廣泛的市場調(diào)查，進(jìn)行了實(shí)物試驗(yàn)，并進(jìn)行了方案論證。我們最終采用了抗干擾能力強(qiáng)、性價比較高的日本富士電機(jī)公司的觸摸屏和可編程控制器來控制交流伺服系統(tǒng)和變頻器，組成整個項(xiàng)目的電氣控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)控制框圖: 2# 上引連鑄 機(jī)構(gòu)單元 RS485 通訊模塊 RS485 通訊模塊 RS485 通訊模塊 牽引與卷繞機(jī)構(gòu)單元 1# 上引連鑄 機(jī)構(gòu)單元 電控系統(tǒng)主要分兩大組成部分：
1. 銅桿上引部分。
2. 銅桿牽引卷繞成盤部分。 以下對于各部分的控制要求與電氣系統(tǒng)組成予以分別的說明。
一：銅桿上引部分： 上引系統(tǒng)硬件構(gòu)成及控制框圖： 1# 上引機(jī)構(gòu)組成 2# 上引機(jī)構(gòu)組成 富士可編程控制器 SPB 交流伺服系統(tǒng) 富士觸摸屏 UG20 富士可編程控制器 SPB 交流伺服系統(tǒng) 機(jī)械部分 富士觸摸屏 UG20 機(jī)械部分 上引部分由如上控制框圖所示的兩套完全獨(dú)立的機(jī)構(gòu)組成，通過觸摸屏設(shè)置上引的位置控制量、上引的速度，以及作為整個系統(tǒng)故障及運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)顯示。通過可編程控制器完成速度與牽引距離的浮點(diǎn)數(shù)算法，然后通過PLS1這條高級脈沖輸出指令完成上引的控制過程。上引節(jié)距的控制精度為0.01mm, 速度最高可達(dá)到3m/min。由于SPB系列的PLC具有 100kHz的輸出頻率，很輕松地控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)高速、高頻的運(yùn)行與停止，保證了上引的速度與精度。
二：銅桿牽引與卷繞部分： 這部分負(fù)責(zé)將前面連續(xù)鑄造出來的12根銅桿，通過12個變頻器牽引，再通過另外的12個變頻器來進(jìn)行卷繞控制，實(shí)現(xiàn)成品的繞盤，最終形成盤狀包裝。
1．銅桿牽引部分： 銅桿牽引部分與前面的上引部分進(jìn)行RS485的通訊，可以直接獲得連鑄的速度，以此作為基準(zhǔn)速度，并接收與每一根銅桿相連的浮輥電位器的信號，以此獲得由于機(jī)械打滑等原因引起的線速度誤差。PLC將兩部分?jǐn)?shù)據(jù)運(yùn)算后，修正變頻器的速度，使?fàn)恳到y(tǒng)及時地將連鑄出來的銅桿牽引到繞盤部分。 由于SPB系列可編程控制器具有l(wèi)ink-DATA的數(shù)據(jù)傳遞功能，能夠?qū)崿F(xiàn)每一個處于RS485通訊網(wǎng)絡(luò)中的可編程控制器之間的數(shù)據(jù)共享，可以大大減少工程技術(shù)人員編制通訊程序的時間，極大地提高了編程效率。即使2套獨(dú)立的上引機(jī)構(gòu)有不同的連鑄速度，也可以通過實(shí)時的數(shù)據(jù)傳送到牽引部分的PLC，使之及時調(diào)整變頻器的牽引速度。 而且，SPB系列可編程控制器的A/D模塊的轉(zhuǎn)換精度達(dá)到14位（16000/10V）的高分辨率，即使每一根銅桿的線速度有微量的速度變化，都能通過高分辨率的A/D模塊敏銳地捕捉到，使PLC能夠迅速修正。
2．銅桿卷繞部分： 銅桿卷繞部分是整個系統(tǒng)的難點(diǎn)：沒有任何其他的傳感器等電信號，僅僅依靠控制前文提到的卷繞變頻器，就要將銅桿繞成一圈圈均勻排列好的由外往里或由里往外的漸開線狀的盤型，循環(huán)往復(fù)后逐漸堆成圓柱型的一大卷。由于銅材本身就有一定的硬度，除了牽引輪、導(dǎo)向輪、轉(zhuǎn)動的繞盤外再也沒有其他機(jī)械機(jī)構(gòu)，同時客戶還提出要求，要通過觸摸屏設(shè)定繞盤的內(nèi)、外徑尺寸。
首先，我們運(yùn)用高等數(shù)學(xué)的理論建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)計(jì)算。SPB系列的可編程控制器具有強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算功能，使我們順利地將高等數(shù)學(xué)的運(yùn)算公式轉(zhuǎn)換成可編程控制器的運(yùn)算公式，很好地實(shí)現(xiàn)了繞盤的控制。 其次為了節(jié)約成本，我們通過利用可編程控制器的48個輸出點(diǎn)，加上我們自己編制的專用程序?qū)崿F(xiàn)了精確到0.1Hz的調(diào)頻，順利實(shí)現(xiàn)了對24個變頻器的調(diào)速控制，省掉了24路D/A的轉(zhuǎn)換，極大地降低了成本。 我們經(jīng)過調(diào)試和精簡PLC指令，順利地完成了卷繞部分的工作，達(dá)到了客戶的要求。 總結(jié)： 值得一提的是，在項(xiàng)目中，出于成本控制的考慮，往往不配置與觸摸屏連接的RS232通訊模塊，但是觸摸屏又已經(jīng)占據(jù)了編程口，給現(xiàn)場調(diào)試中進(jìn)行在線監(jiān)控帶來了困難。這時，我們把計(jì)算機(jī)直接接到富士PLC的編程口，調(diào)試時取代觸摸屏，從電腦把數(shù)據(jù)輸入到 PLC的數(shù)據(jù)寄存器，將PLC內(nèi)的輔助繼電器地址強(qiáng)行置位，而且置位后的數(shù)據(jù)立即參與運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)控。這種直接輸入的功能，令調(diào)試變得更直接、更便利。 以前，在上引連鑄設(shè)備領(lǐng)域，國內(nèi)只生產(chǎn)機(jī)械式的低檔設(shè)備，產(chǎn)量低，不能滿足客戶的產(chǎn)量要求；而高檔設(shè)備都依賴進(jìn)口，其高昂的價格令國內(nèi)眾多企業(yè)駐足不前。我們的電控系統(tǒng)開發(fā)成功后，性能不遜于進(jìn)口設(shè)備，使得國產(chǎn)設(shè)備的性能明顯提升了一個臺階。而且由于我們采用了富士觸摸屏、PLC產(chǎn)品，使得操作界面友善、維護(hù)便利、價格低廉，使得設(shè)備獲得了市場的一致認(rèn)可，短時間內(nèi)就基本取代了進(jìn)口設(shè)備。 我們的電控系統(tǒng)在2年的實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)受了惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)作穩(wěn)定可靠。生產(chǎn)出的銅桿產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，即使是由廢銅原料生產(chǎn)的銅桿也可以拉絲成直徑0.08mm的導(dǎo)線，獲得了客戶的好評。目前，這種設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)，遠(yuǎn)銷緬甸、越南、泰國、印尼等東南亞國家。
