富士觸摸屏與PLC在銅材冶煉業的應用
近些年來，隨著我國的電力、電器行業的迅猛發展，對材料提出了新的技術要求，帶動了銅加工行業的加工工藝的進步。我們參與完成了銅加工設備中名為“無氧銅桿連鑄機組”的關鍵設備的電控系統的開發生產。 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晶成銅桿，通過牽引實現連續鑄造。這樣工藝生產出的銅材導電性能好，線路損耗低，已經受到行業的認可。 電控系統負責完成銅桿從上引連鑄 、牽引、卷繞成盤的流水線的整個生產過程的控制。其中伺服電機帶動減速機和及其他機械結構將銅桿向上牽引，實現連續鑄造；再由變頻器帶動機械對鑄造好的銅桿實現牽引、卷繞、完成盤狀包裝。 由于這種冶煉設備都連續24小時不間斷運行，一般日產20噸Φ8mm銅桿，產量大，產值高，所以對機組的可靠性要求也很高。設備一旦由于故障而停機，為了避免爐中的銅水冷卻凝固后與爐子結為一體，必須要通電保溫，光一天的電費損失就高達5000元人民幣。由于停機造成大量的廢銅也是一大筆損失。同時，該種設備的工作環境卻相當惡劣：現場環境溫度極高，距離中頻加熱爐旁2米的環境溫度還要達到50℃，會加速電器元件的老化；炭粉、灰塵等導電顆粒可能會影響觸摸屏、PLC、伺服驅動器等電器元件的正常工作。這樣的環境已經超越了一般電器產品的環境要求，但產品一旦發生故障又會帶來損失和不良的反響，這樣的設備對我們及選用的產品來說都是一種考驗。 為此，我們經過了廣泛的市場調查，進行了實物試驗，并進行了方案論證。我們最終采用了抗干擾能力強、性價比較高的日本富士電機公司的觸摸屏和可編程控制器來控制交流伺服系統和變頻器，組成整個項目的電氣控制系統。 系統控制框圖: 2# 上引連鑄 機構單元 RS485 通訊模塊 RS485 通訊模塊 RS485 通訊模塊 牽引與卷繞機構單元 1# 上引連鑄 機構單元 電控系統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組成予以分別的說明。
一：銅桿上引部分： 上引系統硬件構成及控制框圖： 1# 上引機構組成 2# 上引機構組成 富士可編程控制器 SPB 交流伺服系統 富士觸摸屏 UG20 富士可編程控制器 SPB 交流伺服系統 機械部分 富士觸摸屏 UG20 機械部分 上引部分由如上控制框圖所示的兩套完全獨立的機構組成，通過觸摸屏設置上引的位置控制量、上引的速度，以及作為整個系統故障及運行數據、狀態顯示。通過可編程控制器完成速度與牽引距離的浮點數算法，然后通過PLS1這條高級脈沖輸出指令完成上引的控制過程。上引節距的控制精度為0.01mm, 速度最高可達到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實現高速、高頻的運行與停止，保證了上引的速度與精度。
二：銅桿牽引與卷繞部分： 這部分負責將前面連續鑄造出來的12根銅桿，通過12個變頻器牽引，再通過另外的12個變頻器來進行卷繞控制，實現成品的繞盤，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行RS485的通訊，可以直接獲得連鑄的速度，以此作為基準速度，并接收與每一根銅桿相連的浮輥電位器的信號，以此獲得由于機械打滑等原因引起的線速度誤差。PLC將兩部分數據運算后，修正變頻器的速度，使牽引系統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LINK-DATA的數據傳遞功能，能夠實現每一個處于RS485通訊網絡中的可編程控制器之間的數據共享，可以大大減少工程技術人員編制通訊程序的時間，極大地提高了編程效率。即使2套獨立的上引機構有不同的連鑄速度，也可以通過實時的數據傳送到牽引部分的PLC，使之及時調整變頻器的牽引速度。 而且，SPB系列可編程控制器的A/D模塊的轉換精度達到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的難點：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，循環往復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、導向輪、轉動的繞盤外再也沒有其他機械機構，同時客戶還提出要求，要通過觸摸屏設定繞盤的內、外徑尺寸。
首先，我們運用高等數學的理論建立數學模型，進行精確的數學計算。SPB系列的可編程控制器具有強大的浮點運算功能，使我們順利地將高等數學的運算公式轉換成可編程控制器的運算公式，很好地實現了繞盤的控制。 其次為了節約成本，我們通過利用可編程控制器的48個輸出點，加上我們自己編制的專用程序實現了精確到0.1Hz的調頻，順利實現了對24個變頻器的調速控制，省掉了24路D/A的轉換，極大地降低了成本。 我們經過調試和精簡PLC指令，順利地完成了卷繞部分的工作，達到了客戶的要求。 總結： 值得一提的是，在項目中，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，但是觸摸屏又已經占據了編程口，給現場調試中進行在線監控帶來了困難。這時，我們把計算機直接接到富士PLC的編程口，調試時取代觸摸屏，從電腦把數據輸入到PLC的數據寄存器，將PLC內的輔助繼電器地址強行置位，而且置位后的數據立即參與運算，實現了在線監控。這種直接輸入的功能，令調試變得更直接、更便利。 以前，在上引連鑄設備領域，國內只生產機械式的低檔設備，產量低，不能滿足客戶的產量要求；而高檔設備都依賴進口，其高昂的價格令國內眾多企業駐足不前。我們的電控系統開發成功后，性能不遜于進口設備，使得國產設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產品，使得操作界面友善、維護便利、價格低廉，使得設備獲得了市場的一致認可，短時間內就基本取代了進口設備。 我們的電控系統在2年的實際應用中，經受了惡劣環境的考驗，系統運作穩定可靠。生產出的銅桿產品質量優良，即使是由廢銅原料生產的銅桿也可以拉絲成直徑0.08mm的導線，獲得了客戶的好評。目前，這種設備已經進入批量生產，遠銷緬甸、越南、泰國、印尼等東南亞國家。
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組成予以分別的說明。
一：銅桿上引部分： 上引系統硬件構成及控制框圖： 1# 上引機構組成 2# 上引機構組成 富士可編程控制器 SPB 交流伺服系統 富士觸摸屏 UG20 富士可編程控制器 SPB 交流伺服系統 機械部分 富士觸摸屏 UG20 機械部分 上引部分由如上控制框圖所示的兩套完全獨立的機構組成，通過觸摸屏設置上引的位置控制量、上引的速度，以及作為整個系統故障及運行數據、狀態顯示。通過可編程控制器完成速度與牽引距離的浮點數算法，然后通過PLS1這條高級脈沖輸出指令完成上引的控制過程。上引節距的控制精度為0.01mm, 速度最高可達到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實現高速、高頻的運行與停止，保證了上引的速度與精度。
二：銅桿牽引與卷繞部分： 這部分負責將前面連續鑄造出來的12根銅桿，通過12個變頻器牽引，再通過另外的12個變頻器來進行卷繞控制，實現成品的繞盤，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行RS485的通訊，可以直接獲得連鑄的速度，以此作為基準速度，并接收與每一根銅桿相連的浮輥電位器的信號，以此獲得由于機械打滑等原因引起的線速度誤差。PLC將兩部分數據運算后，修正變頻器的速度，使牽引系統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LINK-DATA的數據傳遞功能，能夠實現每一個處于RS485通訊網絡中的可編程控制器之間的數據共享，可以大大減少工程技術人員編制通訊程序的時間，極大地提高了編程效率。即使2套獨立的上引機構有不同的連鑄速度，也可以通過實時的數據傳送到牽引部分的PLC，使之及時調整變頻器的牽引速度。 而且，SPB系列可編程控制器的A/D模塊的轉換精度達到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的難點：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，循環往復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、導向輪、轉動的繞盤外再也沒有其他機械機構，同時客戶還提出要求，要通過觸摸屏設定繞盤的內、外徑尺寸。
首先，我們運用高等數學的理論建立數學模型，進行精確的數學計算。SPB系列的可編程控制器具有強大的浮點運算功能，使我們順利地將高等數學的運算公式轉換成可編程控制器的運算公式，很好地實現了繞盤的控制。 其次為了節約成本，我們通過利用可編程控制器的48個輸出點，加上我們自己編制的專用程序實現了精確到0.1Hz的調頻，順利實現了對24個變頻器的調速控制，省掉了24路D/A的轉換，極大地降低了成本。 我們經過調試和精簡PLC指令，順利地完成了卷繞部分的工作，達到了客戶的要求。 總結： 值得一提的是，在項目中，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，但是觸摸屏又已經占據了編程口，給現場調試中進行在線監控帶來了困難。這時，我們把計算機直接接到富士PLC的編程口，調試時取代觸摸屏，從電腦把數據輸入到PLC的數據寄存器，將PLC內的輔助繼電器地址強行置位，而且置位后的數據立即參與運算，實現了在線監控。這種直接輸入的功能，令調試變得更直接、更便利。 以前，在上引連鑄設備領域，國內只生產機械式的低檔設備，產量低，不能滿足客戶的產量要求；而高檔設備都依賴進口，其高昂的價格令國內眾多企業駐足不前。我們的電控系統開發成功后，性能不遜于進口設備，使得國產設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產品，使得操作界面友善、維護便利、價格低廉，使得設備獲得了市場的一致認可，短時間內就基本取代了進口設備。 我們的電控系統在2年的實際應用中，經受了惡劣環境的考驗，系統運作穩定可靠。生產出的銅桿產品質量優良，即使是由廢銅原料生產的銅桿也可以拉絲成直徑0.08mm的導線，獲得了客戶的好評。目前，這種設備已經進入批量生產，遠銷緬甸、越南、泰國、印尼等東南亞國家。
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