防氧化喷涂智能控制系统的研制.pdf

2023年10月西安交通工程学院学术研究Oct.2023第 8 卷第3 期Academic Research of Xian Traffic Engineering InstituteVol.8No.3作者简介：作者简介：李睿敏，女，高级工程师，硕士，研究方向：电气工程及其自动化。防防氧氧化化喷喷涂涂智智能能控控制制系系统统的的研研制制李睿敏（西安交通工程学院 陕西西安 710300）摘摘要要：塞棒、水口等功能性耐火材料防氧化层的喷涂质量直接影响钢坯的连铸技术水平，目前国内大都采用人工喷涂方式，喷涂效率低、质量不可控。基于此，本文提出了一种防氧化喷涂控制系统的新方法，介绍了防氧化喷涂系统的组成，阐述了防氧化喷涂智能控制系统的工作原理及其软硬件设计。根据功能性耐火材料防氧化层的喷涂特点和技术要求，控制系统以工业控制计算机为控制核心、多个控制单元共同组成。该系统采用超声波式距离传感器检测塞棒、水口等连铸功能性耐火材料外部形状信息进行计算生成喷涂控制程序；采用先进的配有硬件控制算法的专用运动控制板卡，以位置脉冲控制方式取代模拟量控制方式，提高喷涂手的运动控制精度。实验结果表明，该智能控制系统运行稳定可靠，防氧化层喷涂质量高，各项技术指标均满足或超过设计要求，具有一定推广应用价值。关关键键词词：超声波测距；工控机；喷涂；耐火材料中中图图分分类类号号：O121.8;G558 文文献献标标识识码码：AThe Development ofAnti-oxidation Spraying IntelligentControl SystemLI Ruimin(Xian Traffic Engineering Institute,Xian Shaanxi 710300,China)Abstract：Most of the billets in the world are produced by continuous casting technology.Spout and stopper are the key functionalrefractory materials for high reliability continuous casting,and their performance directly affects the efficiency of continuous castingand the quality of billets.As functional refractory materials such as water spout and stopper are easily oxidized and lost at hightemperature,anti-oxidation coating should be sprayed on their outer surface in order to reduce material loss.At present，most of thedomestic use of manual spraying method,spraying efficiency is low and quality is uncontrollable.Based on this,this paper putsforward a new method of anti-oxidation spray control system,introduces the composition of the anti-oxidation spray system,andexpounds the working principle and software and hardware design of the anti-oxidation spray intelligent control system.According tothe spraying characteristics and technical requirements of functional refractory anti-oxidation layer,the control system is composedof industrial control computer as the control core and several control units.The system uses ultrasonic distance sensor to detect theexternal shape information of functional refractories such as stoppers and water spout to calculate and generate spraying controlprogram.Advanced special motion control board equipped with hardware control algorithm is adopted to replace analog control withposition pulse control to improve the motion control precision of spraying hand.The intelligent control system adopts computercontrol technology,ultrasonic ranging technology,motion board control technology,frequency conversion control technology,servocontrol technology and other advanced control technology to improve the motion control precision of spraying hand.Theexperimental results show that the intelligent control system is stable and reliable,and the quality of anti-oxidation coating is high.All the technical indexes meet or exceed the design requirements,and it has certain application value.Key Words:ultrasonic ranging;industrial computer;spraying;refractory引引言言目前世界上大多数钢坯采用连铸技术生产，水口、塞棒等是实现高可靠性连铸的关键功能性耐火材料，其性能好坏直接影响连铸效率和钢坯质量。由于水口、塞棒等功能性耐火材料在高温下极易氧化耗损，为了减少材料损耗量，需在其外表面喷涂防氧化层6。国内基本采用手工喷涂方式，这种喷涂方式技术水平落后、工作环境恶劣、工作效率低、喷涂质量不易把控。针对我国防氧化喷涂技术的现状，本文研制了一套防氧化喷涂智能控制系统，该75防氧化喷涂智能控制系统的研制控制系统采用计算机控制技术、超声波式测距技术、运动板卡控制技术、变频控制技术、伺服控制技术、气动控制技术等先进控制技术，大大提高了防氧化喷涂的自动化程度和质量4。1 防氧化喷涂系统组成及喷涂原理1.1 喷喷涂涂系系统统组组成成防氧化喷涂系统组成如图 1 所示，该系统主要由供水系统、供料系统、喷涂手系统、干燥系统、防倒装置、大盘转位驱动系统、小盘转位驱动系统、封闭门驱动系统等组成1。23456789ABCDEF11供水系统 2喷涂手 3大盘 4小盘5供料系统 6阀门 7气缸 8防倒装置9封闭门图图 1 防防氧氧化化喷喷涂涂系系统统组组成成示示意意图图工作时，供料系统将按一定比例混合搅拌好的涂料送到喷枪，喷涂手系统中的喷枪将供料系统提供的物料雾化（喷涂手系统中的喷涂手主要是在规定的时间内将喷枪送到指定位置进行喷涂）。干燥系统中的干燥固化设备采用高红外快速加热，设计与运行管理简便，操作方便，并且易于实现自动化控制。护圈防倒装置是为了防止在大盘或小盘旋转时，水口或塞棒在偏心和惯性的作用下倒下，出现倒坯现象。封闭门驱动装置使用的是气动封闭门，通过控制电磁阀改变气缸进气出气的方向，从而使封闭门打开和关闭。大盘转位驱动装置主要用于控制喷涂系统工位的转换。小盘转位驱动装置主要用于控制被喷涂工件的自身旋转等2。1.2 喷喷涂涂原原理理本文研究的防氧化喷涂控制系统的核心部分就是仿形喷涂，即根据工件的表面形状自动调整喷枪进行喷涂2。仿形技术是采用数字化扫描方法提取工件或者已成型产品的轮廓数据，经处理转换成喷涂加工程序。本文研究的喷涂对象主要是水口、塞棒等耐火材料，这些材料大都是柱体或一些标准回转体，而且需要喷涂的都是工件的表面，因此只需要采集工件表面的轮廓数据，然后将所采集到的轮廓数据自动换算成控制数据，之后控制计算机根据工件的形状参数和涂层的厚度参数来设计喷涂的仿形算法。在确定工件形状参数时，首先根据工件高度，设定等间距的采样点；然后利用超声波距离测量传感器，在每一个采样点测量出工件表面到回转台中心的距离或者是工件表面到喷枪水平“零”位置的距离，将这些距离数据记录下来，整个工件的形状参数就可以确定下来，最后将形状参数数据进行处理5。进行仿形喷涂最重要的是建立仿形控制算法，其过程一般是：1）将采样得到的工件表面形状数据进行曲线逼近，建立拟和曲线方程。2）进行轨迹规划。喷涂作业的轨迹需要采用连续轨迹控制。3）采用插补算法。本系统中，工件自身有回转运动，喷枪是在一个 XY 平面内作曲线运动，所以仿照数字增量插补建立了分段直线插补算法。即本系统根据采样得来的数据直接进行分段，每一段内又分若干微小直线段调用脉冲增量直线插补算法，对其进行连续轨迹控制3。Ps（0，0）PE（XE，YE）YX宽度BPi（Xi，Yi）Pi1（Xi1，Yi1）图图 2 直直线线插插补补原原理理直线插补原理如图 2 所示。取某一段分段线段的起点为 PS（0，0），终点为 PE（XE，YE），设定喷枪相对工件的线速度为 V。第一步，确定微小线段插补点的坐标。X Xi(Pi)Xi-1(Pi-1)YEB/(XE)；Y Yi(Pi)Yi-1(Pi-1)B；由上式可得：插补点的坐标为 Xi KYEB/XE(K为整数)，Yi KB(K 为整数)。76防氧化喷涂智能控制系统的研制第二步，确定该微小线段的插补周期 TR2R/V。第三步，根据以上计算结果，调用硬件直线插补指令，输出脉冲进行插补。以上插补算法即为本文所采用的变周期分段直线插补。插补点的坐标和插补周期的计算用软件实现，底层脉冲增量直线插补用硬件实现，实现系统实时性和稳定性。2 防氧化喷涂系统的控制原理及硬件设计2.1 控控制制原原理理防氧化喷涂智能控制系统的工作原理如图 3 所示，工作时，首先启动系统并自检；系统上电，控制软件检测各工位的传感器信号，检测各种设备的初始位置并调整。其次，进行参数设置：设定要喷涂工件的工艺参数、运行参数，控制系统将会根据这些工艺参数调用相应的喷涂程序。再次，进入工作状态；生产线开始自动工作，并且随时返回工作状况。最后，停机；记录系统状态，关闭各可执行元件，各检测元件回到初始状态11。人机接口开关量信号各种电磁阀伺服变频使能电压报警器指示灯伺服控制模块垂直伺服电机水平伺服电机输入信号调理数字输入输出模块工业控制计算机大盘三相电机小盘三相电机输出信号调理变频控制模块信号检测输入温度传感器距离传感器图图 3 防防氧氧化化喷喷涂涂智智能能控控制制系系统统工工作作原原理理2.2 硬硬件件设设计计2.2.1 主控模块设计耐火材料的防氧化喷涂系统功能复杂、工作环境恶劣，在主控模块设计时，不仅要求其控制系统功能丰富、实时性好，还必须具有较高的稳定性、抗干扰性。据此，本系统选用的研华公司 IPC610型工控机为防氧化喷涂控制系统的控制核心。基于工业 PC 的数据采集系统的应用会越来越广泛，考虑到性价比和兼容性，本系统所使用的数据采集系统的控制板卡全部选取研华公司的产品，主要有数字量输入输出板卡、模拟量输入输出板卡和运动控制板卡13。数字量输入输出卡包括数字输入输出卡PCL-730、数字输入板 PCLD-782B 和数字输出继电器端子板 PCLD-78512。数字量输入板卡主要检测各个数字量传感器的信号输入、开关量信号的输入等；数字量输出板卡主要控制变频伺服模块的数字量输出以及各个气缸电磁阀的通断。系统选用的模拟量输入输出板卡有 PCL-726、PCL-818L、PCLD-780、PCLD-8115 和一个 DB37电缆。模拟量输入板卡主要用来检测温度传感器的电压输入量和超声波距离测量传感器的电压输入量，并进行模数转换；输出板卡主要用来控制变频模块的速度输出。由于本系统要求采用脉冲信号作为伺服模块的驱动信号，而且精度要求较高，故采用研华PCI1240 四轴步进脉冲型伺服电机驱动卡。运动控制卡主要用来提高伺服电机在控制喷枪运行时的位置精度和速度精度，主要采用卡上自带的硬件直线插补算法解决运动过程的点位控制，从而保证了实时性的要求15。2.2.2 变频调速控制模块设计FR-A54025SDSTRMRST工频380V/50HzVWU大盘电动机STF25STRSTFSDFR-A540小盘电动机WUVM工频380V/50HzSTR工业控制计算机模拟量输出模块数字量输出模块图图 4 变变频频调调速速模模块块连连接接示示意意图图在防氧化喷涂智能控制系统中，工位转换和工件自身旋转都是通过变频调速来实现7。变频调速是通过改变异步电动机定子供电电源频率，从而改变电动机同步转速来实现。根据大盘小盘转位的变频调速要求，经过对比论证，最终选用日本三菱77防氧化喷涂智能控制系统的研制FR-A540 系列。变频调速模块连接如图 4 所示。大盘变频调速的工作过程为：工控机主控模块通过 D/A 数模转换模块输出到变频器的模拟量速度设定端子，并通过无触点传感器监测大盘转位，在接近目的地时先减速，一旦检测到达位置，立即停止。小盘变频调速的控制过程为：工控机主控模块通过 D/A 数模转换模块输出连续变化的值到变频器的模拟量速度设定端子来控制小盘的转动，以满足喷涂算法的需要16。2.2.3 检测模块和伺服驱动模块设计在自动检测控制领域，常用的测距方式有超声波距离检测、光学距离检测和涡流距离检测三种。但是超声波距离检测的测量范围宽且响应速度快，误差小，所以本文选择超声波距离检测方式。在测距时用的测距仪是大恒集团生产的 946 系列超声波传感器，具有非接触测量距离、易于目标瞄准、测量精度高、抗干扰、可靠性高等特点8。本系统的喷涂手伺服控制选用的日本三菱公司生产的 MR-J2S 系列全数字交流伺服系统9。该伺服控制系统响应速度快，运行平稳，高速输出恒定；控制精度高，可对伺服电机的速度和方向进行高精度平稳控制。3 智能控制系统软件设计考虑到喷涂控制系统软件的通用性、稳定性和兼容性等问题，本文将喷涂控制系统软件分为底层硬件接口驱动程序和上层应用操作程序两大部分，采用 VC+语言来编程。3.1 硬硬件件接接口口驱驱动动程程序序设设计计本文采用 NuMega 公司的 DriverStudio 开发工具10。自动喷涂控制板卡驱动程序的开发主要包括：驱动程序的数据交换缓冲方式选择、硬件端口资源设置、分发例程处理、StartIO 例程以及中断的处理。图图 5 驱驱动动程程序序的的请请求求类类型型 IOConfig=8300-307%ffff(ffff:)/基地址的定在进行驱动程序开发设计时：1）在 DriverWorks 的 DriverWizard 的引导下，对环境进行设置:例如 PCL818L 是 ISA 槽插卡，故在驱动控制总线的选择中选择 ISA，如图 5 所示：2）工控卡的硬件资源的定义 在生成 INF 文件后，需要对其文件进行修改，修改如下：ConfigPriority=HARDRECONFIG/优先级定义义IRQConfig=7/中断的定义3）部分程序实例对应的 IRP 的分发例程switch(I.MajorFunction()case IRP_MJ_READ:pDev-SerialRead(I);break;case IRP_MJ_WRITE:pDev-SerialWrite(I);break;default:ASSERT(FALSE);Status()=STATUS_INVALID_PARAMETER;PnpNextIrp(I);break;3.2 应应用用操操作作程程序序模模块块设设计计喷涂系统应用操作程序模块包括参数设置程序模块、系统运行程序模块以及监控报警程序模块。系统运行程序模块是整个喷涂控制程序的核心部分，主要包括：工件表面形状及喷涂涂层厚度测量部分、喷涂控制程序生成部分、喷涂手运行控制部分、全自动喷涂控制部分、开关量输入输出控制部分、大盘转位控制部分、小盘转位控制部分等。防氧化喷涂系统控制部分主要是控制系统的喷涂设备按照工艺要求完成塞棒、水口等功能性耐火材料的全自动喷涂，其控制程序模块流程如图 6所示。该控制系统在 Visual C+编程环境下进行 MFC多线程编程，如计算电压误差线程实现的部分程序如图 6 所示：78防氧化喷涂智能控制系统的研制安 装 完 毕 否？开 始初 始 化检 测 控 制 信 号和 传 感 器 信 号喷 涂 完 毕 否？封 闭 门 打 开 否？大 盘 转 位关 闭 封 闭 门封 闭 门 关 闭 否？5次 后 报 警启 动 多 线 程初 始 化启 动 温 度控 制 模 块喷 涂 完 毕 否？初 始 化YNYNYNYN找 到 零 点 否？喷 涂 手运 行 到 零 点喷 涂 开 始小 盘 转 位喷 涂 完 毕 否？喷 涂 手 复 位找 零N加 热 线 程喷 涂 线 程YNNYY图图 6 全全自自动动喷喷涂涂控控制制流流程程图图VolCompensate()m_833.r_high=_inp(BASE833+2);m_833.r_mid=_inp(BASE833+1);m_833.r_low=_inp(BASE833);longVol_calculate=(m_833.r_high16)+(m_833.r_mid0 x800000)Vol_calculate=Vol_calculate-0 x800000;elseVol_calculate=0 x800000-Vol_calculate;m_n=Vol_calculate/600;m_f=3*m_n/(60*(1-m_s);m_verror=5*m_f/120;long num=(long)(m_verror*0 xFFF/5);Vol_error=Vol_ pre_send-num;.4 结论本文根据塞棒、水口等功能性耐火材料防氧化层的喷涂特点和技术要求，提出了采用超声波测距方式生成计算机喷涂控制程序，用位置脉冲控制方式取代模拟量控制方式，大幅提高了喷涂手的运动控制精度。该控制系统综合运用了计算机控制技术、超声波测距技术、运动板卡控制技术、伺服驱动控制技术和变频控制技术，实现了对功能性耐火材料的防氧化喷涂智能控制。实验结果表明，本文研制的防氧化喷涂智能控制系统，大大提高了喷涂效率和喷涂质量，且系统运行稳定可靠、操作简单，具有应用和推广价值。参参考考文文献献1郭子平,陈永澎,何鹏,张宇,高旭东.爆炸喷涂设备控制系统改造J.现代制造技术与装备,2023,59(06):134-137.2杨彦伟,赫焕丽.大口径钢管内喷涂参数关联控制及设备自动化J.自动化应用,2023,64(10):33-36.3沈侃.喷涂控制系统误差补偿算法研究与设计J.科技风,2023,(06):148-150.4王洋,王强,陈少波,李敏.基于 PLC 控制的工业机器人喷涂技术的集成与应用J.机器人技术与应用,2022,(03):26-28.5杨浙.小管径不锈钢管内壁多孔涂层喷涂控制D.兰州理工大学,2022.6白艳军.镁系钢坯高温防氧化涂料贮存稳定性的研究D.中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所),2018.7梁学胜.基于 EtherCAT 的喷涂机器人控制系统的设计与开发D.广东工业大学,2022.8李超群.基于涂层厚度均匀性的喷涂机器人轨迹规划与协同控制技术研究D.合肥工业大学,2022.9肖斐.针对大型构件喷涂作业的多机械臂协同控制技术D.哈尔滨工业大学,2022.10郭栋.基于八轴喷涂机械手臂示教运动控制研究D.济南大学,2021.11蒋立军,周建辉.喷涂机器人运动控制和视觉补偿探究J.自动化应用,2021,(04):164-165+170.12王青.PLC 在机器人喷涂生产线控制中的应用J.电子技术与软件工程,2020,(24):120-121.13李香,自动喷涂设备喷涂生产控制管理系统V1.0.湖南省,湖南德贝尔设备制造有限公司,2020-10-23.14王众.车载喷涂机械臂轨迹跟踪及作业车动力系统优化控制D.燕山大学,2020.15宋晓彬.复杂自由曲面的自动喷涂控制技术研究D.山东大学,2020.16倪利民,全闭环自动控制热喷涂装备关键技术研究与应用.河南省,郑州立佳热喷涂机械有限公司,2020-05-30.79