基于P590＋的电磁搅拌器控制系统设计

时间：2024-08-31

王焱玉，秦展田

（1．湖南工业职业技术学院，湖南长沙 410208；2．桂林航天工业学院，广西桂林 541004）

0 引言

电磁搅拌作为改善金属元素分布和组织的一种有效的工艺方法已广泛应用于钢、铝、钛等合金的熔铸控制技术中［1，2］。电磁搅拌装置包括电磁搅拌器、变频电源、控制设备以及冷却水处理系统。电磁搅拌器的工作频率一般在几赫兹左右，处于低频区域，但是其逆变器装置的载波开关频率却超过1kHz，处于中频区域。搅拌形式主要有旋转搅拌、直线搅拌和双边行波磁场产生的旋转搅拌。目前该方面可实现的电路很多，有的采用调节电阻的大小来改变输出电流幅值，其输出电流精度不高，控制不方便；有的直流、交流分开实现，交流采用行波磁场（TEMS）或旋转磁场（REMS），直流在交流基础上整流滤波获得，加上电流闭环控制，其硬件电路复杂。

本文提出了一种基于欧陆数字调速器P590＋的电磁搅拌控制系统，配合SIMENS可编程控制器方便实现交直流形式，并能通过软件设定和修改电流大小和交流电流的运行周期，其输出电流精度高，自动化程度高，控制柔性强。

1 控制系统的结构

本系统能够向稳弧线圈提供直流和交流两种工作方式，电流在0A～60A范围内连续可调，同时交流电流的变化周期为0．1s～300s。电磁搅拌系统应用于真空自耗电弧炉，产生可调的直流、交流形式的稳弧电流，其系统结构如图1所示。

由图1可知，该系统主要由电子搅拌控制、PLC、P590＋硬件电路以及搅拌线圈等几部分组成。其中采用P590＋使得系统简单紧凑，配合其内部的PID控制，可获得高精度的线圈电流，从而获得了较好的搅拌效果。

图1 电磁搅拌系统结构方框图

2 系统控制原理

操作者根据不同的工艺要求在工控机OPT界面设定电磁搅拌所需要的电流形式和数值，交流形式还可设置电流周期。该设置通过工控机和PLC的通讯传递给可编程控制器，由PLC根据设定参数执行程序，产生电流信号加载于硬件电路。电流实时采样值反馈回P590＋，调速器通过内部比较和自整定（Selftune）算法［3］输出符合精度要求的电流加载到电磁线圈，从而产生与设定参数对应的搅拌磁场，在工作中进行有效搅拌。该系统包含两个重要过程：电流的放大及精度控制、交直流电流的实现。

2．1 电流的放大和精度控制

PLC输出的模拟信号范围为4mA～20mA或－10V～＋10V，若将该信号直接放大至所需的电磁搅拌工作电流如40A，则增益将达到1 000倍。由于具有如此大增益的放大器件很少，同时为保证工作电流的精度和稳定的电弧还需对工作电流进行采样反馈和PID控制，因此系统选用欧陆数字直流调速器P590＋，系统硬件电路图如图2所示。P590＋调速器内部集成了一些控制模块，其响应快、控制简单方便；同时还具有结构紧凑、体积小、可适应性强、维护方便的特点。

图2 系统硬件电路图

本系统采用变压器将三相工频交流电降压至一定值作为调速器的输入，该电压对应电磁搅拌的所需功率，这样可以减少直接连接三相电源带来的干扰，对系统起到了很好的隔离作用。在P590＋的端口中，当C8接上＋24V时，A3为电流设定输入，其输入范围为－10V～＋10V，当输入为－10V时，对应为100%正电流给定；当输入为＋10V时，对应为100%负电流给定。其中A5、A6分别为电流幅值的正、负钳位，将电流很好地控制在安全允许的范围内。采用电流采样反馈回A9、B1端口，再利用P590＋内部的PID自整定模块，通过面板预先设置的相关参数和形式来实现电流精度的控制，该方法减少了PLC的程序设计，控制方便，该电流加载于电磁搅拌线圈，使其产生稳定的磁场，对液态金属搅拌更均匀，同时对熔炼电弧起到了很好的稳弧作用，从而使金属铸坯能达到良好的结晶组织和性能。

2．2 交直流的实现

P590＋的输出为直流形式，信号简单、可控，通过改变输出信号的方向和时间来实现交流输出。本系统采用PLC软件编程输出可调的直流电流给定加载于P590＋的A1、A3端口，将A＋、A－端口对应输出的电流加载于电磁搅拌线圈，系统程序详见流程图3。

由图3可知：采用直流形式获得交流输出的实现方法是先由P590＋输出获得DC＋，再通过PLC程序对DC＋采用0－（DC＋）的计算来获得方向相反的直流信号，同时由PLC通过调节DC＋和DC－的时间设定交替输出一定周期的脉冲电流给定，调用自编模块scale来确定上位机设定的输出与给定电流之间的关系，从而确定了搅拌电流的交直流形式和电流大小值。再通过D／A转换输出正负交变的模拟电压信号加载于数字调速器P590＋，调速器的输出端口A＋、A－对应输出交变的幅值相等、方向相反的电流来实现交流形式的搅拌。

图3 PLC程序流程图