低松弛预应力钢丝生产线电气系统控制的研究

低松弛预应力钢丝生产线电气系统控制的研究 天津大学硕士学位 低松弛预应力钢丝生产线 电气系统控制的研究 Low-Relaxation Prestressed Steel Wire Production Line of the Electric Control System 学科专业:通信与信息系统 研 究 生:杨昱 指导教师:付晓梅 副教授 天津大学电子信息工程学院 2012年 5 月独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经 发表 或撰写过的研究成果,也不包含为获得 天 津大学 或其他教育机构的学位 或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中 作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:签字日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天 津大 学 有关保 留、使用学位论文的规定。 特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 导师签名: 签字日期:年 月 日 签字日期:年 月 日 中文摘要 低松弛预应力钢丝是用于预应力混凝土结构的高强度经济型钢材之一。预应 力技术已成为土建工程中一种十分重要的结构材料的工艺处理手段,其应用领域 日益扩大。应用此技术的混凝土具有如下优点,可明显降低结构自重,提高承载 量,加强隔音、保温性能,并且可进行工厂化生产,改善作业条件,降低环境污 染和缩短周期等。 本文根据低松弛预应力钢丝稳定化生产线的工艺要求,对其电气控制系统进 行了分析、,并对感应加热原理和电源的选择进行分析,来达到满足工艺要 求、降低能耗及减少钢丝损耗的目标,进行了系统的分析、研究和设计。主要内 容如下: 低松弛预应力钢丝稳定化生产线系统控制的研究是应用型研究,明确应用型 研究的原则,是要以生产线达标为目的,即生产线使用者的需求为基点。 对低松弛预应力钢丝稳定化生产线系统控制的原理,硬件选择、通信选择、 软件设计进行分析、研究。 对感应加热过程的原理、选型、控制加以分析,以满足工艺要求、降低能耗 及减少钢丝损耗为目标进行分析研究。 最后,通过分析、研究提出进一步研究的方向。 关键词:低松弛预应力钢丝;工艺;机械装备;感应加热;电气系统控制 ABSTRACT Prestressed steel wire is one of used for low relaxation prestressed concrete structure of high strength economic steel. Prestressed technique has become a kind of very important civil engineering structure materials and special technology method, its application field is expanding. Application of the technology of concrete has the following advantages, can obviously reduce weight structure, improve load capacity, strengthen the sound insulation heat preservation performance, and can be factory production, the improvement work conditions and reduces environmental pollution and shorten the construction period, etc According to the technological requirements of low relaxation prestressed steel wire stabilization production line this text has analysis and design for electrical control system, for induction heating principle, the choice of the power supply, and to meet the requirement of process and reduce the energy consumption and reduce the loss of steel wire as the goal, proceed the system analysis, research and design. Main contents are as follows: Low relaxation prestressed steel wire stabilization production line system control is applied research, clear the principle of applied research, with the production line to achieve purpose: namely production line the needs of users for basis points Made the analysis and research for Low relaxation of prestressed steel wire stabilization control of the production line system principle, hardware selection, communication options, software designInduction heating process of the principle, type selection, control and meet the requirement of process and reduce the energy consumption and reduce the loss of steel wire for target were analyzedFinally, through the analysis and put forward the direction of further research Key words:low relaxation prestressed steel wire; process; mechanical equipment; induction heating; electric control system 目 录 第一章 绪论1 1.1 结构混凝土应用及预应力钢丝生产现状. 1 1.1.1中国预应力钢丝发展过程. 1 1.1.2预应力钢丝产品重要指标及涉及的核心内容2 1.2 发展应用结构混凝土及预应力钢材的意义 2 1.3 直进式拉丝机的发展与应用 3 1.4 感应加热的发展与应用3 1.4.1感应加热发展历史. 3 1.4.2感应加热应用场合. 4 1.5 过程控制的发展与应用5 1.5.1各种控制系统的特点 5 1.5.2控制系统的选择6 第二章生产线工艺控制方式和通讯方式. 7 2.1生产线工艺控制方式. 7 2.2 可编程控制器系统通讯 8 2.2.1PPI通讯协议9 2.2.2Modbus 通讯协议. 10 第三章 感应加热设计及控制13 3.1 感应加热原理. 13 3.2 感应加热电源的设计. 14 3.2.1半导体开关器件 16 3.2.2电路拓扑结构. 16 3.3 感应加热槽路设计22 3.3.1加热频率选择的主要因素22 3.3.2加热功率的计算 23 第四章 生产线系统控制. 27 4.1 生产线工艺对系统控制的要求 27 4.2 生产线系统控制原理. 27I4.3 生产线系统控制硬件选择27 4.3.1电机及调速装置的选择 28 4.3.2控制系统的选择 28 4.3.3中频感应加热装置32 4.4 生产线软件设计 32 4.4.1启动/停止控制32 4.4.2速度控制 32 4.4.3中频功率控制. 35 4.4.4通讯软件 39 4.4.5其它辅助功能. 40 第五章 全文总结. 41 参考文献 42 致 谢. 44 II 第一章 绪论 第一章 绪论 九十年代初期,低松弛预应力钢丝及钢绞线的生产线在国内还基本处于空白 状态,而目前的产量已占预应力制品的 50%以上。究其原因是由于高强度低 松 驰预应力钢丝是一种高效建筑用钢材,具有强度高、松驰性能好、节省材料 等诸 多优点。再有,随着我国建筑业对钢材品种、质量等要求的不断提升,其应用 领 [1] 域正在迅速扩展,需求量逐年递增,因此对其生产过程进行研究,实属必要 。 1.1 结构混凝 土应用 及 预应力钢 丝生产 现 状 1.1.1 中国预应 力钢丝 发 展过程 五十年代初,天津第一预应力钢丝有限公司(前身)试制成功了我国第一根 预应力钢丝,并应用于南京长江大桥。直至八十年代末生产工艺及装备、产 品质 量变化不大,期间预应力钢丝采用单个拉丝机反复拉拔,后经机械矫直铅浴回火 而成。采用传统电机,速度固定,无调整功能,拉丝机线速低且钢丝头尾反复拉 拔降低产品性能,不能实现大盘拉拔和收线。 矫直回火机组,牵引与收线设备,由二台电机拖动,其速度匹配也只能靠摩 擦打滑解决。由于采用机械旋转矫直和铅浴回火,受机械旋转速度和铅锅长度的 制约,收线速度受到限制,仅能达到 25m/min的水平,生产过程中需多次上下线, 造成生产效率低下,产能低。同时只能生产普通松弛级别的钢丝,严重阻碍了结 构混凝土的应用和发展。 八十年代末,第一条意大利低松弛钢丝生产线被天津第一预应力钢丝有限公 司引进,在此行业领域中起到了引领和标杆的作用。随后又有几家公司陆续引进。 九十年代,由于体制及资金的限制,引进的仅有几条生产线而已,此时有一 部分民营企业开始进入该行业,但仍是在低端徘徊。 进入二十一世纪,迎来了预应力钢丝行业的春天。预应力钢丝的应用经过多 年的市场培育日趋成熟,为预应力钢丝的需求创造了巨大的市场空间,市场需求 的拉动市场资金积累的效应,利益的驱动,为行业的发展提供了条件,吸引了大 批投资者和专业技术人员的投入,感应加热专业技术和控制系统技术的发展,使 该行业技术进入了快速发展阶段。 2001 年,第一条采用滑差电机调速技术及加热回火技术的低松弛预应力钢 1 第一章 绪论 丝生产线诞生了。紧随其后采用了直流调速技术,交流变频技术,感应加热回火 技术的生产线诞生,并快速发展提高。 2005年左右,我国的预应力钢丝生产线基本达到了进口生产线的水平。 1.1.2 预应力钢 丝产品 重 要指标及 涉及的 核 心内容 一、低松弛 低松弛是预应力钢丝一项重要的性能指标。所谓低松弛是指钢丝在长期保持 拉应力的同时,出现这种拉应力缓慢下降的趋势,而此下降趋势我们希望越慢越 好,才能保证结构混凝土的承载能力。为解决这一问题必须增加钢丝的数量或在 施工中应用多次超张放张的方法来降低钢丝的松弛值。这样一方面增加了用钢成 本,一方面增加了施工难度。 从宏观上说,既然在常温下通过超张可以消除钢丝的松弛,那么在一定温度 时间下,施加对应张力即可降低钢丝松弛,也就可以在钢丝生产环节中解决钢丝 松弛问题,钢丝松弛的微观机理不是本文研究的内容,在此不做表述。从宏观上 说,采用感应回火技术加热钢丝,使钢丝在张力的条件下回火,即可解决钢丝松 弛问题。 二、感应加热回火技术和张力控制技术是钢丝实现低松弛的关键技术。 传统预应力钢丝回火是采用铅浴回火,铅具有很好的热稳定性,为钢丝在同 一温度下,在规定时间内回火提供了保证。但受铅锅长度及回火时间的制约,限 制了线速度的提升,同时铅有污染性,影响操作者的健康,铅耗又增加了生产成 本。由于钢丝通过铅锅为弧线使大张力的施加成为问题。采用电加热或其它方式 同样存在加热时间,保温时间造成炉体过长问题,同时间接加热是由表面及里, 一方面效率低,一方面造成钢丝表面脱碳。 感应加热技术为直线加热解决了张力的施加问题,它为涡流加热,对钢丝整 体进行加热,是透热式加热方式,加热速度快,无需提前热炉或加热铅,即操作 方便,又节能、环保,感应加热技术的采用推动钢丝生产技术上了一个大台 阶。 系统控制为钢丝张力的设定、保持、调整提供了良好的解决,使钢丝在 不同规格,不同速度,不同张力下的稳定运行成为现实,推进了钢丝生产技术的 跨越式发展。 1.2 发展应用 结构混 凝 土及预应 力钢材 的 意义 低松弛预应力钢丝是高效经济型钢材。预应力混凝土与普通钢筋混凝土相 比,所用钢丝量和混凝土量都有所大幅度减少,其中受力钢丝用量可减少 70%左 2 第一章 绪论 右,混凝土可节省 40%左右。预应力混凝土结构不仅可以减少钢材和混凝土用量, 还可降低结构自重,提高承载量,加强隔音、保温性能,并且可进行工厂化生产, 改善作业条件,降低环境污染等,同时使施工快捷工期短,并可降低空间的占用。 如采用预应力混凝土结构建造高层建筑,在高度相同条件下,可增加层数,在层 数相同条件下,可降低高度。总之,经济效益、社会效益明显。预应力钢丝的发 展推动了预应力混凝土技术的发展,反之,预应力混凝土技术的发展又进一步推 [2] 动了预应力钢丝技术的发展他们相互促进 。 预应力钢丝向更加低松弛性能,大规格,大盘重,高强度进一步发展和提高, 必将对预应力混凝土技术的发展起到强有力的支撑,必将对预应力钢丝的生产技 术提出更高的要求,对社会必将产生更大的贡献。 1.3 直进式拉 丝机的 发 展与应用 九零年以前我国从国外引进了几条直进式拉丝机。预应力钢材行业直至九零 年以后仍大量使用单次拉丝机,我国直进式拉丝机的发展是在模仿进口拉丝机的 基础上发展起来的。交流变频技术及交流控制技术的应用和发展真正推动了我国 直进式拉丝机的发展,交流变频技术和交流控制技术是我国直进式拉丝机发展的 根本技术支撑。 直进式拉丝机的无扭转拉拔、高速拉拔、大盘重收线,不仅在预应力钢材行 业,在各个线材制品行业都有广泛的应用。 直进式拉丝机的发展和应用,从产能、质量、成本及线材拉拔上实现了质的 突破,促进了线材制品行业的突飞猛进的发展。 1.4 感应加热 的发展 与 应用 1.4.1 感应加热 的 发展 历 史 法拉第的电磁感应现象可应用于感应加热,即利用交变的电流产生的交变磁 场会在导体中产生感应电流,从而使导体发热,来实现感应加热。在很长的时间 里,技术人员对其并没有充分的认识,而是尽量降低此发热现象对各种场合的影 [3] 响,来减小损耗 。 从 19 世纪末期,技术人员才意识到此现象的有利一面,即可利用它取代某 些传统的加热方法,因为感应加热有以下优点:a 加热温度高,而且是非接触式加热;3 第一章 绪论 b 加热效率高,节能; c 加热速度快,被加热物的表面氧化少; d 温度容易控制,产品质量稳定,节能;e 可以局部加热; f 容易实现自动控制,省力; g 作业环境好,几乎没有热、噪声和灰尘; h 作业占地少,生产效率高; i 能加热形状复杂的工件; [4] j 工件容易加热均匀,产品质量好 。 上述是感应加热所具有优点,工程技术人员对以上优点做了长期的研究。第 一台感应熔炼炉开槽式有芯炉被瑞典技术人员在 1890 年研制成功,相继之后 闭槽有芯炉在 1916 被年美国人发明,从此可以说感应加热技术的实用化阶 段已 [5] 经到来 。20 世纪以来,各类电力电子器件和相关技术的飞速发展,使得感应加 热技术有了极大的进步。1957年,晶闸管(GRC)的出现,标志着现代电力电子技术的开始。同时, 也引发了感应加热技术的革命。它被应用于感应加热装置,使感应加热技术开始 了质的飞速发展。80年代后,电力电子器件开始了新的一次飞速发展,GTO、MOSFET、IGBT、 MCT、SIT 等器件依次出现,技术人员利用这些元器件的优点,将其利用到感应 [6] 加热系统 。早期,我国对电力电子技术并不十分重视,导致此技术在我国起步较晚,使 得感应加热技术在很大程度上落后于国外水平。但广阔的市场前景,促使研制感 应加热的技术人员和厂家也处于逐年增加的趋势。 1.4.2 感应加热 的 应用 场 合利用上述特点,使得感应加热技术得到了广泛的应用。例如,锻造加工、表 面热处理和熔炼等方面。感应加热要有它的加热场所,那就是感应炉,可分为感 应加热炉和感应熔炼炉两大类。 近年来在我国现代金属制品的生产中感应加热技术被广泛使用,并且国内感 应加热设备厂家已经能够提供成套化的感应加热设备、机械设备及控制系统,如 图1-1所示,其中图 1-1a大规格精扎螺纹钢筋感应加热生产线,图 1-1b为预应 力混凝土用高强度预应力钢棒生产线,图 1-1c 为汽车轮胎用钢帘线多丝感应加 热炉,图 1-1d为低松弛预应力钢绞线稳定化处理用移动式感应加热炉,图 1-1e [7,8] 为弹簧钢筋及高速铁路轨枕用大规格预应力钢棒感应加热生产线 。4 第一章 绪论 ab c d e 图1-1 感应加热技术在金属制品中的应用 1.5 过程控制 的发展 与 应用 过程控制系统在生产工艺中主要完成参数的显示、记录、检测、控制、调节、 报警等诸多功能。它的特点是监控参数多并数据变化快,可对生产过程进行复杂 的实时控制过程,数据处理及存储容量较大。我们可以根据不同的生产工艺要求, 采用不同的控制系统,来可靠的完成生产任务。 可编程控制系统(PLC)和分散控制系统(DCS)是当前国内较先进的过程控 制系统,并且他们有互相靠拢的趋势,两者的适用范围,已有很大的交叉。新型 的DCS在顺序控制功能上较强大,而新型的PLC处理闭环控制方面也不逊色DCS, 在组建大型网络上二者均可。下面就应用特点及选型原则两方面来分析一下新型 的PLC和新型的 DCS在不同的生产过程控制中的应用。 1.5.1 各种控制 系统的特点 PLC系统的主要特点是:工作可靠,运行速度快;积木式结构,组合灵活; 良好的兼容性;程序编制及生成简单、丰富;网络功能强。PLC系统能很好地完 [9] 成工业实时顺序控制、条件控制、计数控制、步进控制等功能 。 DCS具有以下主要特点:功能全;采用网络通讯技术;完备的开放系统;可 靠性高;具有综合性和专业性;实现了人机对话技术;系统扩展灵活;管理能力 [10] 强 。5 第一章 绪论 1.5.2 控制系统 的选择 伴随着个人计算机技术的飞速发展,可编程控制系统和分散式控制系统,两 者相互借鉴、渗透、融合,使得用户在设计和使用控制系统时的选择性更大。PLC 系统在监控功能和数据处理能力上有所提高,DCS则向开放性发展,操作站采用 工控机,采用通用的 Windows 操作系统作为操作平台。使得丰富的软件资源得以 在PC机上应用,从而使系统更简单价格更低,系统的性价比得到了提高。 对于不同的生产过程可以选用不同的控制系统,DCS通常应用在较大规模和 复杂程度高的过程控制系统。因 DCS 具有能对大量的模拟量数据信息地进行分 析、处理、运算,能完成各种复杂的调节控制计算的能力。而PLC在过程控制系 统中适合于系统规模较小并以逻辑控制和顺序控制为主,只有少量的模拟量数据 处理和闭环控制时优先选用 PLC。因为可编程控制系统工作可靠性高,模块化结 构组合灵活,可以减少系统设计和调试周期。6 第二章 生产线工艺控制方式与通讯方式 第二章 生 产线 工艺 控制 方式 与 通 讯方 式 2.1 生产线工 艺 控制 方 式图2-1 低松弛钢丝稳定化生产线的生产工艺流程图 一、生产工艺流程 盘条经酸洗磷化表面处理后,放入开卷式放线架上放线。后进入5/900 直进 式拉丝机的罐体上进行五道次拉拔,把大直径钢丝逐步拉拔成所需要的小直径钢 丝,要实现五台拉丝机的五个拉丝罐之间的速度匹配,应遵循五个拉丝罐之间的 秒流量体积相等的原则,在控制中应用主给定和辅助给定两个控制量去控制各拉 丝罐之间的速度匹配,在后面第四章会有重点介绍。之后进入被动式旋转磨盒, 拉拔出旋转肋,其目的是加大接触面积,增加钢丝和混凝土的接触面积。再送入 矫直机矫直后,进入感应加热炉进行中温回火,由于钢丝的进线速度和进线温度 的变化,导致出线温度的变化,而钢丝的加热温度的变化直接影响钢丝的性能, 所以我们要对感应加热炉的功率进行控制,从而保证钢丝的出现温度。加热后的 钢丝进入喷水冷却水槽, 在最短的时间内把钢丝冷却,保证钢丝质量。冷却后 的钢丝进入张力轮,张力轮的速度是整条生产线的基准速度,它与被动式旋转模 盒形成稳定的张力。然后进入起全线拖动功能的牵引机。再通过液压剪剪切 并导 向收线机,液压剪的剪切换向只需人工输入指令,由 PLC 完成系列动作,或预先 设定剪切米数,由 PLC 自动完成系列动作,并将钢丝导向收线机,收线机与牵引 机之间要实现速度匹配,实现收线整齐,并有利于使用者放线合格的预应力钢丝 7 第二章 生产线工艺控制方式与通讯方式 产品。 二、低松弛钢丝稳定化生产线设备控制系统 控制系统包括集中控制柜、琴式操作台、变频器、PLC 装置和 10 寸的触摸 屏显示器等元件组成。采用 SIEMENS S7-200 系列 PLC 装置为控制核心的控制系 统,变频器选用欧瑞系列变频器,集中控制台配有 10 寸彩屏触摸式人机界面, 供人机对话。可编程控制器与变频器之间采用模拟量控制,确保生产线按最佳工 艺参数运行。 集控台的主要功能有: 启动与停车:生产线在正常的启动与停车时,要求能够自动完成各传动 机构和电源的启动/停止,并实现速度与功率的合理匹配,使系统稳步 运行。 速度和加热功率控制:生产线工作时,采用速度、电流、电压、功率 的 闭环控制,实现运行速度稳定,加热电源输出功率自动控制,并按设定 自动实现速度与加热功率的匹配,实现中频感应加热的自动跟踪(速度 与功率匹配),实现张力的设定和保持。 实现液压剪切机自动/手动剪切换向及收线机自动收线功能。 人机界面中文图形文本可设定及实时显示以下参数(线速度等工艺参 数、设备运行参数、故障信息、显示生产线工作状态信息等)。 温度检测:钢丝回火加热温度采用红外线测温仪,测温范围 200-600?, 测温仪响应时间满足测量精度和工艺调整的要求。温度测量时要保证瞄 准及调整方便、显示值处理有峰值和平均值等多种处理方式。 2.2 可编程控 制器系 统 通 讯协议 可编程控制器(PLC),英文全称 Programmable Logic Controller,是在 以计算机技术为基础的前提下,设计出来的适合于工业环境下的生产与控制。在 计算机技术与计算机网络迅猛发展的今天,它们的很多新成果被应用于PLC 的设 计与制造中,有效地提高了它的运算速度,存储容量和智能化。尤其是在自动化 控制网络和国际通用网络中都扮演着十分重要的角色,发挥着重要的贡献。 可编程控制器因其具有高的可靠性、编程简单、抗干扰能力强、通用性好、 灵活方便、功能全面和安装简单等优点,在工业控制领域中已经得到了广泛的应 用。本生产线采用西门子公司的 S7-200 系列 S7-226CN 系列作为生产线控制系 统的核心,它是一种解决各类小型控制任务理想选择。其指令丰富、功能强大、 结构紧凑、便于扩展、性价比高,在市场上的占有率长期处于高水平状态。西门 8 第二章 生产线工艺控制方式与通讯方式 子公司的 S7-200系列可编程控制器支持 PPI、MPI、Profibus、modbus 和自由口 等多种通讯方式。本生产线主要用到了两种通讯方式,分别是 PPI 通讯协议和 modbus 通讯协议。 2.2.1 PPI 通讯 协议 一、 PPI 协议 PPI 协议是 SIEMENS 公司专门为 S7-200 开发的通讯协议,S7-200 CPU 的通 信口(Port0、Port1)支持 MPI、PPI、自由口通信协议,编程软件 STEP 7-Micro/WIN 与CPU进行编程通信也通过 PPI 协议。PPI协议是一种主从协议:主设备(主站) 向从设备(从站)发出请求命令,从设备做出相应的回应。从设备是被动的,不 会主动发信息给主设备,而是在等候主设备向从设备发出请求命令或查询命令再 作出回应。 二、PPI 协议分析 PPI协议采用主从的方式进行通讯,主设备(主站)与从设备(从站)在一 个令牌环网(Token Ring Network)中。当主设备检测到网络上能正常通讯时, 主设备就接收令牌,此时主设备就向从设备发出指令建立 PPI网络。一个 PPI网 络中可以允许有多个主设备,主设备可以是个人电脑,可以是人机界面、可编程 控制器等设备,但是在同一个网络最多也只能建立包括 32 个主设备的多主站网 络,而从设备的数目没有限制。当 PPI网络中有多个主设备时,应先比较一下主 设备的站号,再将令牌传递。在设置主设备站号时也有一定的要求,应设置的第 些,可有效节省通讯时间避免不必要的浪费。在一个新的主设备第一次添加到 PPI 网络中来的时候,需要经过至少 2个完整的令牌传递后才会建立网络拓扑, 接收令牌。对于 PPI网络来说,暂时没有接收令牌的主设备也可以做为从设备响 应其他主站的请求命令。PPI 协议与 modbus 不一样,它是不公开的,要解密它 可以通过监听它的通信数据,再与 Profibus 协议标准进行对比性分析,从而总 结出对应的 PPI协议的报文格式,这也只是达到使用的目的,没有实现完全破解 相关内容。 三、PPI 指令的实现步骤 任一条 PPI指令执行完成都需要两个来回即四次子指令操作才能实现。先是 由主设备向从设备发出读写命令,从设备响应主设备发来的读写命令并向主设备 发出响应信息,主设备收到从设备发来的响应信息后发出确认信息,从设备收到 [11] 来自主设备的确认信息后完成相应的读写操作,并向主设备返回相应的数据 。 主从设备完成两个来回的数据收发,即完成一条PPI 指令的执行。下面就是以读 写指令过程为例来介绍PPI指令的执行方法。9 第二章 生产线工艺控制方式与通讯方式 主设备不管是完成读操作还是写操作,都要经过上述四次子指令操作才能实 现。读一个数据时,无论读取哪种数据单元,主设备的读请求指令都是 33 个字 节。主设备向从设备发出读指令后,从设备接受读指令并对其进行校验,若读指 令正确,从设备则向主设备返回 E5H。主设备收到E5H 后,则发送相应的数据给 从设备进行确认。从设备收到主设备发来的确认信息并校对,如果正确,则进行 读写操作并返回相应的数据。 本生产线在进行人机界面(HMI)和可编程控制器之间通讯时选择 PPI 协议。 人机界面是主站(PPI协议已内嵌入人机界面),可编程控制器是从站,通讯简 单。可实现数据的输入、采集与生产过程的监控。 2.2.2 Modbus 通讯 协议 Modbus 协议常用于可编程控制器与其它设备之间的通讯。利用 Modbus 协 议平台,各种控制器彼此之间,以及控制器通过计算机网络和其它相关设备之间 可以实现相互通信。Modbus 协议现今已成为一种工业行业的通用标准。基于 Modbus 协议,各个厂家生产的可编程控制器可方便的互联成工业网络,以实现 集中控制和监控。 Modbus 协议规定了一种可由控制器认识和使用的消息结构指令,而毋须考 虑各个控制器是通过哪一种网络来实现通信的。该协议阐述了可编程控制器要求 访问另外设备的过程,假如需要回应来自另外设备的请求,包括如何侦测故障并 存储,此协议规定了消息域格局及其相关内容的通用格式。 如在某个 Modbus 网络上进行沟通时,该协议规定了每个可编程控制器必须 要确认它们的物理地址,并能快速识别按此物理地址发来的信息,判断出要使用 哪个指令行动。假如要求回应,控制器将自动产生反馈信息并利用该协议回复。 对于其他网络环境,可以实现将 Modbus 协议的消息将转换为在这种网络上所使 用的帧或包结构,此转换形式同时拓展了利用具体的网络来处理路由路径、节地 址和错误检测的办法。 一、在 Modbus网络上进行转输 利用某个 RS-232C 兼容串行接口作为 Modbus 的标准口,并规定了连接口的 信号位、电缆、针脚、传输波特率和奇偶校验。再有,控制器可以直接或间接利 用Modem组建网络。 控制器之间采用主/从的通信技术,即只有一个主设备能够向外发出查询指 令。其余从设备依据主设备的初始化查询数据进行相关反应。典型的主设备:主 机和可编程仪表。典型的从设备:可编程控制器。10 第二章 生产线工艺控制方式与通讯方式 主设备和从设备能够进行单独通信,还可以和所有从设备用广播方式进行通 信。假如为一对一的单独通信,从设备就要像主设备回复一个消息,假如主设备 是以广播形式进行查询,则可以不予应答。Modbus 协议有自己的主设备的查询 格式:即设备(或广播)的地址、功能代码、全部需要发送的数据及某一错误检 [12] 测域 。 从设备的回应消息同样利用 Modbus 协议组成,包含确定行动域、所有需要 回复的数据和某一错误检测域。假如从设备在接收消息过程中消息发生错误,或 者是从设备无法执行主设备发送的命令,从设备会建立一个错误的消息并将此错 误信息作为回复发送给主设备。 二、在其它类型网络上进行转输 当在其余网络上进行通信时,控制器采用对等技术,所有控制都可以初始和 另外控制器之间的通信。因此在使用单独通信的过程中,既可以把控制器看成主 设备也可以看成从设备。传输进程允许在提供的多个内部通道同时进行。 在消息位上,Modbus协议同样采用主/从原则,虽然网络通信是采用“对等” 的方式。假如某一控制器发送了一个信息,那么它就可以被认为是主设备,且期 望得到从设备的回应。相同的,如果控制器接收了一个信息,它就会建立一个从 设备回复格式同时给发送信息的控制器予以回应。其过程如图 2-1所示:图 2-1 查询?回应周期 (1)查询被主设备选中的从设备通过查询消息中的功能代码得知需要执行 哪些功能。从设备需要执行功能的所有附加信息均包含在数据段中。如:代码 03 为要求从设备读并返回保持寄存器的内容。数据段包含所有必须要告诉从设 11 第二章 生产线工艺控制方式与通讯方式 备的消息:从哪个寄存器起始读以及需要读寄存器的数量。从设备通过错误检测 域来验证消息内容是否正确。 (2)回应假如从设备产生了一个正常的回应,在回应信息中的代码为对查 询信息中的代码的回复。数据段包含了从设备采集的数据:象寄存器值或状态。 当有错误发 生时,将修改功能代码以指出错误的回应消息,并且数据段中含有 描述这个错误信息的代码。主设备利用错误检测域确认消息内容的可用性。 三、两种传输方式 Modbus 协议有 ASCII 或 RTU 两种传输模式,控制器可以将其中的任何一种 [13] 模式设置为标准的 Modbus 网络通信 。用户可以使用任一模式,包括串口通信 参数等,需要注意的是,在相同的 Modbus 网络上配置的所有控制器设备必须选 用相同的串口参数和传输模式。 ASCII模式: 地 功能数据 数据数 LRC 高 LRC 低 : 回车 换行 址 代码 数量 1 据n 字节 字节 RTU模式: 功能数据 CRC 低 CRC 高 地址 数据 1. 数据 n 代码 数量 字节 字节 以上所选的 ASCII 或 RTU 传输方式只适合标准的 Modbus 网络,它规定了在 Modbus 网络上连续传输的消息段的每一位,并且决定如何把信息转换成消息域 和如何解码。在另外的网络上(如Modbus Plus和MAP)Modbus消息被转换成与 串行传输不相关的帧。 在本论文中,可编程控制器和变频器之间就采用 Modbus 协议进行通讯,它 的全开放性给我们带来了很多的便利。12 第三章 感应加热设计及控制 第三章 感 应加 热设 计及 控制 3.1 感应加热 原理 感应加热的基本原理是通过电磁感应将电能转化为被加热工件所需要的热 能的过程。在导体中主要通过自由电子进行导电,如果在导体上加电压,自由电 子会按照统一方向做定向移动,从而形成电流。电子在移动过程中,由于电阻的 [14] 存在,会引起导体发热 。 如果将待加热的金属放在高频磁场内,在待加热的金属中会产生感应电动 势,从而产生涡流,又由于金属材料具有电阻,结果使金属发热,利用感应涡流 的热效应进行加热,叫感应加热。这说明感应加热是靠感应线圈把电能传递给要 加热的金属,然后电能在金属内部转变成热能。这种能量的转换是通过电磁 感应 传递,被加热金属与感应线圈并没有实质的接触。感应加热的原理图如图 3-1所 示。 交变的电源在感应线圈里产生交变的电流i,在金属工件中就产生了交变的 磁通。依据电磁感应定律在金属中产生磁通量的方向可由右手螺旋定则判断。图 3-1感应加热原理图 iI sin ?t 如图3-1所示,当通入交变电流 为分析方便,令i为正弦电流, m 因为任意交变电流都可通过傅立叶分析,变为有限个正弦波的叠加时,根据麦 [15] 克斯韦电磁方程忽略边缘效应有 :NSi? (3-1) l 式中:N 为线圈匝数。13 第三章 感应加热设计及控制 当处于磁导率在恒定介质中磁通量与电流 i 波形形状相同,即 ?t? sin ?t,根据感生电动势 ,可得: et?du /dt metN? cos ?t (3-2) m 其有效值为: (3-3) E2 ?fN? 4.44Nf m m 从上述分析可知,当金属放入有交变电流通入的感应炉内时,将在金属内部 感应电动势,并且由于金属内部电阻的存在引起电流i,使金属内部加热。其公 式所示: 2 Q0.24I Rt (3-4) 式中:I 为电流有效值;R为工件电阻。 在加热过程中,随温度升高,电磁物理过程将变得非常复杂。只能大致给出 变化趋势,认为增大频率和磁通时,输出功率会增大。但是由于线圈内磁场的建 立几乎是瞬时的,相对于常规加热方式其加热速度有很大的优势。 导体电流密度由表面向里面是处于逐渐衰减的状态。工程上规定:当内部电 流密度衰减到只有表面的 0.368 倍时,该处到表面的距离d 称为电流透入深度。 因此可以认为在电流透入深度d 内,聚集了交流电流在导体中产生的大部分热 量,电流透入深度d可表示为: (3-5) d5030/f r式中:为导体材料的电阻率; 为相对磁导率; f 为电流频率。 r从式3-5可知,当和 确定后,d 仅与 f 的平方根成反比,因此可以通 r 过改变 f 来控制d。 3.2 感应加热 电源的 设 计 感应加热电源是将电网中的工频电流,转换为感应加热所需要的一定频率的 电流,送入到感应线圈中,是低松弛钢丝稳定化生产线中的关键设备和保证 稳定 化处理工艺的核心,其主要由三部分组成: 1 整流电路:将工频电流转换为直流电流,常用的电路为二极管三相不控 整流或可控硅三相全控整流电路;14 第三章 感应加热设计及控制 2 滤波装置:大电容或大电感,对整流桥输出的直流电流进行滤波,形成 稳定的电压源或电流源; 3 逆变电路:将滤波后的直流转换为一定频率的交流,由于 H 型全桥逆变 电路具有电路稳定可靠等特性,因此一般选用全桥逆变电路; 可以看出,感应加热电源的逆变电路又是整个设备的关键部分和核心,一般 感应加热电源以全桥逆变电路所采用的半导体开关器件可以分为: 可控硅 电源; IGBT 电源; MOSFET 电源; 另一方面,感应加热电源的通过多年的在实际电路中的应用,其拓扑结构日 趋完善,有了自己一套固定的 AC/DC/AC 变换模式,同时往往通过在负载电 路中 并联匹配电容或者串联匹配电容来达到提高负载电路功率因数的目的。因此 根据 匹配电容在电路中的构成方式不同就形成了全桥串联谐振电路电压型和并联 谐振电路(电流型)。这两种依据电容在电路中构成方式不同的逆变电路已成为 大功率感应加热电源的基本拓扑结构,如图 3-2a为并联谐振感应加热电源拓 [16-19] 扑结构,图 3-2b为串联感应加热电源拓扑结构 。a b 图3-2 感应加热电源逆变电路基本拓扑结构框图 因此本文从感应加热电源所选用的半导体开关器件和电路拓扑结构,这两个 部分对感应加热电源进行分析,并进一步进行选型和设计。15 第三章 感应加热设计及控制 3.2.1 半导体开 关器件 五十年代末,现代电力电子学时代到来,它是以 GRC的出现为标志的。在中 频(1~8kHz)范围内,传统的中频发电机组被 GRC感应加热装置所取代。但 GRC 也存在着自身的缺陷,如工作频率范围窄,尤其是在高频(10kHz)以上范围内, [20] 不能满足负载的要求,给电源的研制带来了很大的技术难度 。 七十年代末八十年代初,大量的新型的半导体器件被研制成功,其中MOSFET 因其开关速度快、驱动功率小、无二次击穿现象、易并联等优点,成为高频大功 [21] 率感应加热电源(100kHz以上)装置的主要开关器件 。 八十年代末期,绝缘栅极双极晶体管IGBT被研发成功,它综合了场效应管 与双极晶体管优点。因其具备很多优点,像是容量大、开关速度快、通态压降低 等,在做超音频加热电源(10~100kHz)时我们的首选。表 3-1是对分别使用三 [22, 23] 种器件制成的感应加热电源在不同功率和频率范围进行的对比和总结 。 表3-1 各种感应加热电源功率和频率范围 可控硅电源 IGBT电源 MOSFET 电源 大功率 中等功率 小功率 (1000kW) (1000kW) (600kW) 中频 超音频 高频 (0.5-8kHz) (10-100kHz) (100kHz) 一般来说,晶闸管器件电源的价格最为便宜,IGBT 电源其次,而 MOSFET 电 源最贵,而且电源及加热炉的功率越大其价格越贵。此外,可控硅器件电源还具 有如下的显著特点: 可控硅器件单个器件容量大,为 800~1500A/1200~2500V。 单桥或双桥功率就达到 500~700kW,所使用的器件数量少,主电路简单 可靠。 抗过载冲击能力强,电路发生过流时器件不容易损坏。 控制电路和保护电路均十分成熟稳定,可靠性和可维修性好。 3.2.2 电路拓扑 结构 在感应加热电源系统中,全桥逆变电路的输出特性和此电路的工作状态与负 载谐振电路特性紧密相连,因此本节根据全桥逆变电路和负载谐振电路的组合方 式即串联谐振逆变电路和并联谐振逆变电路两方面进行详细分析,选择在本设计 中所采用的逆变电路。16 第三章 感应加热设计及控制 在感应加热电源系统中,负载可看成是电感与电阻串联的等效电路,如图 3-3:图3-3 等效电路 图中L 为等效电感电抗,R为等效负载电阻,其中等效的负载电阻由工件的 等效电阻和热线圈的等效电阻组成。电路的品质因数为:Q wL 1 L Q(3-6) P R wRC L 由此可知负载的功率因数为: R 1 cos (3-7) 2 2 2 RwL 1 ?Q 其中Q 是无功功率,P 是有功功率。 L L 3.2.2.1 串联谐振逆变电路 串联谐振逆变电路如图 3-4 所示,将负载线圈和功率因数补偿电容相串联 后 作为逆变桥的等效负载。这种利用串联谐振的原理工作的逆变器,称之为串 联谐 振逆变器,如下图所示。图3-4 串联谐振逆变电路所示 由于负载利用电路串联谐振的原理,因而在电路达到谐振状态时,L和 C上 承受的电压为逆变器输出电压的 Q倍,而负载电流和逆变器输出电流相同。 U ?U ?QU3-8 L C ab 17 第三章 感应加热设计及控制 其中串联负载电路的品质因数Q应为: w L 1 0 Q? 3-9 R wCR 0 为谐振频率: w 01 w 3-10 0 LC 在实际电路中,由于等效电阻很小,负载电路对直流侧呈现低阻抗,使用由 电压源供电,所以在逆变器的输入端并联一个大的电容C (电容可储能),当C d d 的值充分大时,直流侧相当一个电压源。由于直流侧的滤波电容比较大,可以认 为是一个恒压源(电容隔直通交),因此也称为电压谐振逆变器。功率开关器件 为 VT1-VT4,为避免主开关器件受谐振电容器上高电压的影响,需要在功率开 关管关断期间给负载谐振电路一个无功电流通路,因此在串联谐振型电路中,逆 变器的功率开关器件需要并联 VD1-VD4 的续流二极管。从图中我们可以看到: 相对应的VTn 与VDn构成了一对双向开关通路。 假定电路各部分参数处于理想状态,逆变器输出的电压为高频方波,负载电 流为正弦波,其频率和占空比受制于控制极信号,其幅值由直流侧电压所决 定。 可将输出电压分解为傅里叶级数: 4U d usinn ?t n2k ?1;k ?1,2,3?? 0 n4U 1 1 d sin ?tsin3 ?t? sinn ?t3-11 n3 n? 2 ?f 基波幅值为: 4U dU?1.27U 3-1201m d基波有效值为: 3-13 U ?U / 20.9U01 01m d 基波电压增益: U 01m A? 1.27 3-14 vU d 18 第三章 感应加热设计及控制 由于逆变器输出电压频率受控于控制脉冲的频率,而负载元件的参数确定了 负载的固有谐振频率,因此出现了逆变器输出频率与负载的固有谐振频率之间存 在一种等与不等的关系。当逆变器输出频率高于负载谐振频率时,负载为感性, 此时负载电压超前于电流;当逆变器输出频率低于负载谐振频率时,负载为容性, 此时负载电压滞后于电流;当逆变器输出频率等于负载谐振频率时,负载阻性, 此时负载电压和电流同相位。从而可根据需要对逆变器输出电压频率进行调整来 选择不同性质的负载电路。串联谐振负载阻抗特性如图 3-5:图3-5 串联谐振负载阻抗特性 容性负载图3-6a、感性负载图3-6b、谐振状态图3-6c三种模式下电 压和电流相位关系如图 3-6所示:图3-6 三种模式下电压和电流相位关系 由图可见:逆变器工作于容性负载时,i 超前u 一个相位角。逆变器桥臂换 0 0 流顺序为从功率开关管 VTn 到二极管 VDn,可以看出 VTn 为 ZVOFF,而 VDn 属于 ZCZVON,在换流期间,VDn的电流下降率di/dt比较大,造成反向恢复电流很大, 甚至超过负载电流,从而会导致 VTn的开通损耗增加。 i u 逆变器工作于感性负载时, 滞后 一个相位角。逆变器桥臂换流顺序为从 0 0