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论文
摘要
当今世界工业生产技术的发展越来越快,人们对材料的性能要求越来越高,镁合金是最轻的工程金属材料之一,镁合金具有如下特点:
质量轻、刚性好、具有一定的耐蚀性和尺寸稳定性、抗冲击、耐磨、衰减性能好及易于回收;另外还有高的导热和导电性能、无磁性、屏蔽性好、无毒。
镁合金广泛用于携带式的器械和汽车行业中,达到轻量化的目的,镁合金的比重虽然比塑料重,但是,单位重量的强度和弹性率比塑料高,所以,在同样的强度零部件的情况下,镁合金的零部件能做得比塑料的薄而且轻。
另外,由于镁合金的强度也比铝合金和铁高,因此,在不减少零部件的强度下,可减轻铝或铁的零部件的重量。
特别是在汽车工业和电子信息产业中获得大量应用。
这种工业材料需求如此之大,但是国内这种镁的加工浇铸技术还是比较落后,很多地方还是采用加工人工操作,先进一些的也只是采用半连续自动技术,由于没必须在高温高压下才能进行浇铸,那么人的工作环境就很差控制起来也很散,加工出来的镁合金产品也很粗糙,效率也很低,对于污染的处理也很难得到很好的控制,为了满足工业对镁合金要求,并且保证生产设备的稳定性及高效率的生产,本项目结合现状,设计了一套基于PLC程序控制的镁合金自动浇铸控制系统。
关键词:
自动浇铸、浇铸泵、可编程序控制器、变频器、PLC控制、伺服驱动运动。
Abstract
Worldindustrialproductionandtechnologicaldevelopfasterandfaster,peopleareincreasinglydemandinghigh-performancematerials,magnesiumalloyisoneofthelightestengineeringmetalmaterials,magnesiumalloyshavethefollowingcharacteristics:
lightweight,rigid,andhasacertaincorrosionresistanceanddimensionalstability,impactresistance,abrasionresistance,attenuationperformanceandeaseofrecycling;inadditiontohighthermalandelectricalconductivity,non-magnetic,shieldingisgood,non-toxic.Magnesiumalloyiswidelyusedinportabledevicesandtheautomotiveindustrytoachievethepurposeoflightweightmagnesiumalloyalthoughtheproportionofweightthanplastic,butthestrengthperunitweightandhighelasticityratethanplastic,sothestrengthofpartsinthesamethecaseofmagnesiumalloypartscandobetterthanthethinandlightplastic.Inaddition,thespecificstrengthofmagnesiumalloysisalsohigherthanthealuminumandiron,therefore,doesnotreducetheintensitycomponents,aluminumorironcomponentsreducetheweight.Especiallyintheautomotiveindustryandelectronicsandinformationindustrytogetalotofapplications.Thedemandforindustrialmaterialssogreat,butthedomesticprocessingofmagnesiumcastingtechnologythatisstillrelativelybackward,andinmanypartsofortheuseofmanualprocessing,advancedsomeoftheonlysemi-continuousautotechnology,becausetheydidnothavetobecarriedoutunderhightemperatureandpressurecasting,thenthepoorpeopletocontroltheworkenvironmentisalsoverycasual,processingoutofmagnesiumalloyproductsisalsoveryrough,theefficiencyisverylow,verydifficulttodealwithpollutioncontrolwell,inordertomeetindustrydemandsformagnesiumalloyrequirements,andensurethestabilityofproductionequipmentandhighefficientproduction,combinedwiththeprojectstatus,designaPLCprogramcontrolbasedonauto-castmagnesiumalloycontrolsystem.
Keywords:
SiemensPLC,Inverter,PLCcontrol,auto-casting,castingpumps,servo-drivenmovement.
目录
摘要1
目录3
绪论4
1镁合金的介绍5
1.1镁及其合金的简介5
1.2镁合金的应用领域6
1.3镁合金铸造的现状7
1.5本课题的内容和任务8
2浇铸系统构成8
2.1浇铸系统的说明8
2.2浇铸系统组成9
2.3浇注系统的工作流程10
2.4工作流程图11
3浇铸系统电气控制的硬件设计和程序设计12
3.1可编程控制器的选择13
3.2控制过程14
3.3控制系统I/O点及地址分配15
3.4电气控制线路的设计15
3.5触摸屏的应用16
3.6系统程序设计18
结论29
谢辞31
参考文献32
附录33
绪论
镁合金是最轻的工程金属材料之一,具有很好的比强度、比刚度等性能,特别适合制造要求重量轻、强度高、减震降噪的工程结构部件和要求一定强度的壳类零件。
镁合金低熔点、低比热及充型速度快等优点极其适合于用现代压铸技术进行成形加工。
现代科技和相关产业技术的发展,使镁合金的应用范围迅速扩展,特别是在汽车工业和电子信息产业中获得大量应用.随着科技进步及对镁可贵性的认识,其产品广泛用於航空、航天、汽车配件、电子及通讯等领域。
汽车行业采用镁合金量的急剧增加是拉动镁合金全球用量增加的重要因素,生产商在汽车上应用镁合金零部件不仅是为了减轻重量,更是藉此来不断提高汽车的性价比,从而加强其在竞争日益激烈的汽车巿场上的竞争优势。
电子信息产业由于数字化的发展,巿场对电子及通讯产品高度集成化、轻薄化及可回收的要求愈来愈高。
以前作为主要材料的工程塑料已经无法满足要求,因此人们把目光投向了镁合金。
目前市场上的原镁和一些镁合金几乎都是由人工来操作生产机器而获得的。
但是加工这种镁合金材料必须在高温下进行,就要求工人必须在高温下作业,而且很疲劳,效率也不高。
我们公司根据市场的这些情况,便设想设计这种生产设备来代替人的劳动,通过PLC来控制这种设备的生产,来满足市场的强大需求。
而从自然的石头到镁合金原料的这种生产技术比较难掌握,所以市场上还没有几家公司有这种齐全的生产设备和公司里也没有强大的资金来投资,而且这种从原镁到镁合金的浇铸过程更是难以控制,于是研究这种自动控制过程有着深刻的意义。
1镁合金的介绍
1.1镁及其合金的简介
1.1.1镁资源储量丰富
镁是10种常用有色金属之一,其蕴藏量丰富,在地壳中的含量达到2.1%-2.7%,在所有元素中排第六位,是仅次于铝、铁、钙居第四位的金属元素。
主要来自海水、天然盐湖水、白云岩、菱镁矿、水镁石和橄榄石等。
据估计,全世界的菱镁矿资源量约为120亿吨,水镁石几百万吨,海水中的镁含量估计为6×10(16次方)吨,另外还有大量的白云石和盐湖镁资源,真可谓用之不竭。
我国是世界上镁资源最为丰富的国家之一,镁资源矿石类型全,分布广,总储量居世界第一:
菱镁矿储量居世界首位,我国含镁白云石矿丰富,白云石资源遍及我国各省区,特别是山西、宁夏、河南、吉林、青海、贵州等省区,现已探明储量40亿吨以上;我国4大盐湖区镁盐矿产资源的远景储量达数十亿吨其中,镁合金作为最轻的金属结构材料,是一种发展迅猛的绿色环保合金,具有密度小、比强度和比刚度高、尺寸稳定性好、导热性能优越、切削加工想能好、电磁屏蔽好、可无限地再利用等众多优点。
所以正被广泛应用于手提电脑、手提电话、数码相机、家用电器、汽车等多种行业,有着广阔的市场和前景。
1.1.2镁生产需求量快速增长
镁及其合金是迄今在工业中应用的最轻的金属结构材料,具有重量轻、密度小、强度高、刚性好、压铸性能好、降低噪音、电磁屏蔽性和减震性好、可循环利用等特性。
被材料专家誉为本世纪最具有开发和应用潜力的绿色工程材料,近几年镁及其合金开始替代铝材和钢材,广泛用于飞船、飞机、导弹、汽车、计算机、通信产品、消费类电子产品的制造等,生产和消耗呈快速上升趋势。
20世纪90年代中期以来,随着各领域对镁的巨大需求,镁及镁合金研发及应用进入高速增长期,尤其是在发达国家得到高度关注。
近10年,全球原镁生产年均增长速度达8%,2004年全球产量达到60万吨以上,主要生产国家有:
中国(45万吨)、加拿大(5.5万吨)、俄罗斯(5万吨)、美国(4.3万吨)、塞尔维亚(4万吨)、以色列(3.3万吨)、哈萨克斯坦(1.8万吨)、巴西(1.1万吨)。
全球近10年原镁消费需求增长速度为7.4%,2004年较上年增长近20%,主要消费领域为:
拉镆铸造(占44.94%)、铝合金(占31.52%)、炼钢脱硫(占15.56%)、其他消费(占8%);拉镆铸造的主要领域是汽车业,欧洲对镁的消耗增长强劲,美国仍然是最大的消费者,2004年其本土镁产品的表观消费在11万吨。
西方镁合金应用的市场增长率达到了15%以上,全球镁合金的应用年均增长达到10%左右,而同期西方锡、铜、铝、锌的年均增长率只有2%-4%左右。
2005年美国镁产品的表观消费量达到14万吨,日本镁锭的需求量为3.8万吨,欧洲是目前在汽车用镁方面需求量最大的,估计2005年欧洲镁市场的容量为14.5万吨,其中车用镁合金量超过10万吨。
非洲以及中东地区镁产品消耗量在1.1万吨以上,南美洲地区对镁的需求在1.8万吨以上,中国以外的亚洲国家镁产品的需求量在6万吨以上,其他地区对镁产品的需求量约13.7万吨,这部分由加拿大、以色列、俄罗斯、挪威等公司控制。
汽车用镁压铸件的增长是近十年来轻量化的热点,美国、欧盟、日本汽车业都成立了相应的研究部门和产业同盟,制定并实施了相关研发计划,预计在21世纪有很大的发展前景。
1.2镁合金的应用领域
镁合金作为目前密度最小的金属结构材料之一,广泛应用于航空航天工业、军工领域、交通领域(包括汽车工业、飞机工业、摩托车工业、自行车工业等)、3C领域等。
镁合金的特点可满足于航空航天等高科技领域对轻质材料吸噪、减震、防辐射的要求,可大大改善飞行器的气体动力学性能和明显减轻结构重量。
从20世纪40年代开始,镁合金首先在航空航天部门得到了优先应用。
在国外,B-36重型轰炸机每架用4086kg镁合金簿板;喷气式歼击机“洛克希德F-80”的机翼用镁板,使结构零件的数量从47758个减少到16050个;“德热来奈”飞船的起动火箭“大力神”曾使用了600kg的变形镁合金;“季斯卡维列尔”卫星中使用了675kg的变形镁合金;直径约1米的“维热尔”火箭壳体是用镁合金挤压管材制造的。
我国的歼击机、轰炸机、直升机、运输机、民用机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星、飞船上均选用了镁合金构件:
一个型号的飞机最多选用了300-400项镁合金构件;一个零件的重量最重近300kg;一个构件的最大尺寸达2m多。
在军工方面需要镁合金板材以提高结构件强度,减轻装备重量,提高武器命中率。
目前国内需要的板带材不得不从国外进口。
1.3镁合金铸造的现状
镁合金浇铸是指使用以工业冶炼的方法将镁从含镁的矿石(白云石)中提炼出来的粗镁,再经过精炼将粗镁变成精镁的过程。
按成形工艺,镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金,两者在成分、组织性能上存在很大差异。
铸造镁合金主要用于汽车零件、机件壳罩和电气构件等;变形镁合金主要用于薄板、挤压件和锻件等。
铸造镁合金比变形镁合金的应用要广泛得多。
生产中铸造镁合金使用的场合比较广泛。
铸造镁合金大致可以分为三个阶段:
(1)第一个阶段是一个基础阶段主要在镁中加入铝和锌,即Mg-A1-Zn系合金。
这类合金可得到与铸造铝合金相近的抗拉强度。
我国的ZM5、英国的L121及美国的AM80A都属于这类合金,主要添加元素为铝,而锌的含量较低,主要是因为锌含量增加时,容易出现显微疏松。
(2)第二个阶段是一个改进阶段在镁中加入锆,常见的含锆合金系有Mg-Zn-Zr,Mg-RE-Zr等。
锆在镁合金中的主要作用就是细化镁合金晶粒,从而提高镁合金的屈服强度,并使镁合金具有良好的抗疲劳性能和较低的缺口敏感性。
缺点仍然是因为结晶间隔较宽,容易出现显微疏松和热裂倾向。
所以目前应用最多的是不含锆压铸镁合金Mg-Al。
另外为了提高镁合金高温抗蠕变性能,产生了以稀土元素为主要组元的镁合金。
(3)第三个阶段是提高阶段在镁合金中加入银,银合金化后能增强时效强化效应,大大提高了镁合金的高温强度和蠕变抗力,但会降低合金耐蚀性能。
本文应用西门子公司生产的可编程控制器S7-200PLC,实现镁合金浇铸过程自动控制系统,该系统充分利用了可编程控制器(PLC)控制功能。
使该系统可靠稳定,时期功能范围得到广泛应用。
1.5本课题的内容和任务
本课题是一个与实际生产相结合的课题。
电气控制技术在生产过程、科学研究和其它各个领域的应用十分广泛。
本课题的主要内容是以自动浇铸镁合金系统为设计对象,首先介绍了系统组成、工作流程及控制要求;其次详细讲解了系统的电气控制的硬件设计和程序设计。
本课题的具体要求是:
1.熟悉常用控制电器的工作原理和用途,达到正确使用和选用的目的,同时要了解新型元器件的用途。
2.熟悉掌握电气控制线路的基本环节,并具备阅读和分析电器控制线路的能力,使之能设计简单的电器控制线路,较好的掌握电气控制线路的简单设计法。
3.熟悉可编程控制器的基本概况,深刻领会可编程控制器的工作原理及程序设计方法。
2浇铸系统构成
2.1浇铸系统的说明
浇铸系统作为有色金属铸件生产的重要装备,通常是在现场环境恶劣,电磁干扰严重的环境下工作,其供电系统也常受大负荷设备启停的干扰,决定了其控制系统的高抗干扰性。
采用可编程逻辑控制器PLC,可利用其硬件和软件上采取的一系列抗干扰措施,使它可以直接安装于工业现场而稳定可靠地工作。
但单纯的PLC控制系统不宜实现现场监控以及工艺参数的现场设置和修改。
若采用上位监控计算机PC与PLC通信的方式进行监控和参数设置,不仅投资成本高,而且上位机一般难于设置在压铸机高温、辐射、高电气干扰的生产现场,不便于现场操作人员对生产过程实施监控和参数的在线设置。
鉴于压铸机控制系统工艺参数较多,且需要人机交互,使用可靠性高的触摸屏就是很好的选择。
通过触摸屏和PLC结合使用,可以在触摸屏中直接设定目标值并与生产实际值作比较,并可实时监控到系统各工艺参数的大小和变化趋势,实现报警、故障诊断等功能,从成本、开发、维护上更适合于压铸机控制系统。
2.2浇铸系统组成
浇铸机系统电气控制系统分以下几个方面:
Ø主令开关功能;
Ø伺服马达驱动;
ØS7-200可编程控制器
Ø模拟量输入输出模块
Ø电气控制系统工作原理;
2.2.1主令开关功能
①控制柜
⑴浇铸方式旋钮
A.手动:
系统可以通过手动来操作运行
B.自动:
系统在自动状态下,按下开始按钮就可以按照所编程序的步骤运行。
⑵浇铸泵状态旋钮
旋钮:
浇铸泵低速和高速调节
⑶速度旋钮
旋钮:
铸锭机速度的调节
⑷自动启动自动停止按钮
控制系统的工作状态
⑸还有一系列的其他部分的启动停止按钮
它们的功能手动的控制系统各部分的工作状态,如铸锭机启动,停止,加热管启动和停止等
2.2.2伺服马达驱动
伺服驱动系统(ServoSystem)简称伺服系统,例如数控机床等。
伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点,这类专用的电机称为伺服电机。
该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元,简称为伺服,一般其内部包括电流、速度和/或位置闭环。
它主要有控制器,放大器,伺服电机和相关辅件,它的工作原理是电机的速度=脉冲频率,距离=脉冲数
我们这里作用主要是炉温的显示控制
2.2.3S7-200可编程控制器
连接系统的不同部分可以编程,通过程序可在在计算机上控制系统的运行情况。
2.2.4模拟量输入输出模块
把模拟信号转换成数字信号给PLC,再把数字信号转换成模拟信号在仪表上显示。
2.3浇注系统的工作流程
2.3.1变频调速技术
变频调速与直流电机调速比较,具有很大的优越性:
整个系统体积小、重量轻、控制精度高、保护功能完善,操作过程简便,可靠性高,通用性强。
尤其是该技术用于一些耗能设备的控制上,具有非常显著的节能效果:
通过对用电设备进变频调速技术改造,可使总耗电量减少30%-40%,节能的量产生了一种飞跃。
变频调速系统和成套设备已大举进入中国市场,如欧洲的ABB,德国的西门子,丹麦的丹佛思,日本的三肯、三菱、富士,法国的施耐德,韩国三星、LG等。
①变频调速工作原理
由电机学的一个基本公式
n=60f/p(式2-1)
式中电动机定子绕组的磁极对数p一定,改变电源频率f,即可改变电动机同步转速。
异步电动机的实际转速总低于同步转速,而且随着同步转速而变化。
电源频率增加,同步转速n增加,实际转速也增加;电源频率下降,电机转速也下降,这种通过改变电源频率实现的速度调节过程称为变频调速。
②变频器控制方式
为适应不同场合,不同特性的拖动设备,变频器的控制方式也就不同,可分为开环与闭环控制,开环控制时,整个变频调速系统到电机,是一个单向有序的控制运动系统;闭环控制时,从变频调速系统到电机之间构成一个正向控制及反馈控制的环路。
闭环控制时,常将电动机的速度检出作为输出的反馈量送回控制系统,进行输入输出的对比协调控制。
③电气控制系统工作原理
浇铸控制方式选择旋钮打到自动状态,点开始按钮,浇铸泵低速运行,铸锭机运行,A碰到铸锭机行程开关,铸锭机停止,浇铸管下降,到位后,浇铸泵高速运行,探针上限“ON”,浇铸泵低速运行,浇铸管上升,铸锭机运行,从A处循环下一次,按停止按钮或者自动旋钮打到手动,系统停止运行。
在手动情况下可以按不同的按钮可以实现相应的操作。
2.4工作流程图
图4-1工作流程图
3浇铸系统电气控制的硬件设计和程序设计
3.1可编程控制器的选择
3.1.1可编程控制器的选择原则
输入输出点数以及软件对PLC功能几指令的要求是选择PLC这是PLC应用设计中很重要的一步,目前,国内外生产的PLC种类很多,在选用PLC时应考虑以下几个方面。
①规模要适当
机型规模大小的重要依据。
首先要确保有足够的输入输出点数,并留有一定的余地(要有10%的备用量)。
如果只是为了实现单机自动化,或机电一体化产品,可选用小型PLC。
如果控制系统较大,输入输出点数较多,被控制对象设备较分散,可以选用中型和大型的PLC。
还应确定用户程序存储器的容量。
一般初略的估算方法是:
(输入+输出)(10—12)=指令步数。
特别要注意因控制较复杂,数据处理量较大,可能出现存储量不够的问题。
②功能要相当,结构要合理
对于以开关量进行控制的系统,一般的低档机就能满足要求。
对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的系统,应选用带A/D,D/A转换,加减运算,数据传送功能的低档机。
对于控制比较复杂,控制性能要求较高的系统,例如要求实现PID运算,闭环控制,通信联网等,可视控制规模及复杂程度,选用中档或高档机。
其中高档机主要用于大规模过程控制,全PLC的分布控制系统以及整个工厂饿自动化等。
对于工艺过程比较固定,环境条件比较好的场合,选用整体式结构PLC。
其它情况则选用模块式结构PLC。
③输入输出功能及负载能力的选择
选择哪一种功能的输入输出形式或模块,取决与控制系统中输入输出信号的种类,参数要求和技术要求,选用具有相应功能的模块。
对于输出形式,分为无触点和有触点两种形式。
无触点输出大多数使用大功率三极管(直流输出)或双向可控硅(交流输出)电路,其优点是可靠性高,响应速度快,寿命大,缺点是价格高,过载能力差。
有触点输出是使用继电器输出,其优点是适用电压范围宽,导通压降损失小,价格便宜,缺点是寿命短,响应速度慢。
此外,还应考虑输入输出的负载能力,要注意承受的电压值和电流值。
应该指出的是输出电流和导通电流值是不同的概念。
输出电流值是指每一个输出点的驱动能力。
导通负载电流值是指整个输出模块驱动负载时所允许的最大电流值,即整个输出模块的满负载能力。
④使用环境条件
在选择PLC时,要考虑使用现场的环境条件是否符合它的规定。
一般考虑的环境条件有:
环境温度、相对温度、电源允许波动范围和抗干扰指标。
3.1.2本文可编程控制器的选择
参照可编程控制器选择原则:
本系统的控制量基本上为开关量输入输出,但三个炉温是模拟量输入还有对变频器的控制,所以一般的低档机就能满足要求外加三个231模拟量输入模块和一个模拟量输出模块,再根据输入、输出量的点数,本系统选择德国西门子公司的S7-200(CPU224)一台,加上两台扩展模块S7-200(EM231CN4路4-20mA输入模块、EM232CN2路4-20mA输出模块)。
这样的配置是比较合理的。
因为①S7-200PLC为模块结构,组合方便,可根据工艺要求构成各种控制系统;②PLC机硬件接线简明,便于维修;③输入/输出由发光二极管显示工作状态,给维修人员带来了极大的方便;④系统适应性强,可在不改变硬件的情况下,修改一下程序就可适应新的生产工艺要求;⑤系统编程使用一般电工所能接受的梯形图。
3.2控制过程
自动浇铸控制过程(PLC)
①炉温控制(其中:
三座熔化炉,一座浇铸炉)
⑴每座炉上
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