伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统技术方案

本实用公开了一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统，包括上位机监控系统、n流连铸结晶器非正弦振动控制系统，每一流连铸结晶器非正弦振动控制系统包括运动控制器、伺服驱动器、伺服电机、减速器、驱动机构及连铸结晶器振动台、连铸结晶器、位移传感器等。每一流连铸结晶器非正弦振动由一个运动控制器单独控制，上位机监控系统实时监控所有流连铸结晶器非正弦振动情况，当其中一流的运动控制器出现故障时，监控系统发出报警，但不影响其它连铸流正常工作。本实用与基于高性能可编程控制器的集中控制系统相比，可避免因可编程控制器故障而影响所有连铸流生产的情况，提高了系统的安全性和可靠性，且具有成本低、结构简化等优点。

Non sinusoidal oscillation distributed control system for continuous casting mold driven by servo motor

A non sinusoidal vibration distributing control system of a continuous casting mould driven by a servo motor, including a supervisory control system of the upper computer and a non sinusoidal vibration control system of the N flow continuous casting crystallizer, is disclosed. The non sinusoidal vibration control system of each first class continuous casting mould consists of a motion controller, a servo driver, a servo motor, a reducer, and a drive. Dynamic mechanism and continuous casting mould shaking table, continuous casting mould, displacement sensor and so on. The non sinusoidal oscillation of each first class continuous casting mould is controlled by a motion controller. The monitor system monitors the non sinusoidal oscillation of all flow continuous casting crystallizers in real time. When the first class motion controller fails, the monitoring system sends out the alarm, but does not affect the normal work of the other continuous casting flow. Compared with the centralized control system based on high performance programmable controller, the utility model can avoid the failure of the programmable controller to affect the production of all the continuous casting flow, improve the security and reliability of the system, and have the advantages of low cost and simplification of structure.

【技术实现步骤摘要】
伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统
本技术属于连续铸造领域，具体涉及一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统。
技术介绍
连铸结晶器非正弦振动对提高拉坯速度、改善铸坯质量等具有明显效果，已被国内外连铸工作者确认为发展高效连铸的关键技术之一。目前，在工业中应用的连铸结晶器非正弦振动装置主要分为液压驱动、机械驱动、伺服电动缸驱动三种方式，以及一种较先进的伺服电机驱动方式。国内外主要采用电液伺服驱动方式，但是存在伺服油缸易出现漏油、伺服阀存在零飘等缺点，并且系统复杂、投资大、维护困难。国内还开发了几种机械驱动(如普通交流电机通过椭圆齿轮驱动)的非正弦振动装置，但是具有传动系统复杂、占用空间大、控制精度低等缺点。另外，还有伺服电动缸驱动的非正弦振动装置，存在伺服电机频繁的正反转，四个伺服缸同步控制困难等不足。伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动发生装置克服了上述驱动装置的不足，其通过控制伺服电机单方向、变角速度连续转动，并经过减速器、偏心轴、连杆机构及连铸结晶器振动台，实现连铸结晶器非正弦振动，具有传动系统简化、结构紧凑，承载能力大，便于维护、节能降耗等优点。该装置可实现原来电液伺服驱动的连铸结晶器非正弦振动装置的几乎全部功能，如非正弦或正弦波形的在线给定和切换，频率、波形偏斜率随拉坯速度变化的在线自动调节。但是，现有的伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动控制系统通常是一个集中控制系统，其采用一个高性能、价格较贵的可编程控制器作为控制核心，控制多流连铸结晶器实现非正弦振动，若高性能可编程控制器中某一模块出现故障，将导致所有连铸流停止工作，因此，整个集中控制系统存在一定的安全风险。例如：2016年《冶金自动化》杂志第40卷第6期P12-18刊登了“伺服电动机驱动的连铸结晶器非正弦振动控制系统”一文，文章公开了一个高性能PLC+FM458控制系统通过控制8个S120，进而控制8个伺服电机驱动8流连铸结晶器实现非正弦振动，PLC+FM458控制系统中某一模块一旦出现故障，将影响所有流的连铸生产；并且，此系统的控制部分包括PLC+FM458和驱动控制S120中的伺服控制器CU320三个部分，其中S7-400PLC+FM458价格较贵。因此，此集中控制系统虽然具有控制精度高、响应速度快和稳定性好的优点，但存在一定的安全风险、以及成本较高、结构较复杂的不足。
技术实现思路
针对现有的伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集中控制系统存在的不足，本技术提供一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统。本技术所采取的技术方案如下：一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统，包括上位计算机监控系统、n流连铸结晶器非正弦振动控制系统，上位计算机监控系统与n流连铸结晶器非正弦振动控制系统通过工业以太网相连，构成整个集散控制系统，对所有流的连铸结晶器非正弦振动情况进行实时监控，每一流连铸结晶器非正弦振动控制系统均包括运动控制器、伺服驱动器、伺服电机、减速器、驱动机构及连铸结晶器振动台、连铸结晶器、检测连铸结晶器振动位移的位移传感器、传感器接口模块、拉坯速度扩展输入系统；其中，上位计算机监控系统与n流连铸结晶器非正弦振动系统的运动控制器通过工业以太网相连，运动控制器的输出控制端与伺服驱动器的输入控制端相连，伺服驱动器的输出端接到伺服电机的电源输入端，伺服电机的内部编码器与运动控制器的输入端相连，位移传感器通过传感器接口模块将连铸结晶器振动位移反馈到运动控制器，每一连铸流的实际拉坯速度通过拉坯速度扩展输入系统与运动控制器相连；各流连铸结晶器的非正弦振动由各自的运动控制器单独控制，各连铸流之间相互独立、互不干扰；每一流的运动控制器根据采集的拉坯速度，计算不同拉坯速度对应的连铸结晶器振动频率、波形偏斜率参数，得到连铸结晶器非正弦振动曲线对应的伺服电机期望转速值，并通过伺服驱动器控制伺服电机按期望转速运行，进而驱动连铸结晶器实现非正弦振动。优选的，所述的运动控制器为西门子Simotion运动控制器、德国KEB运动控制器、ABB运动控制器、三菱运动控制器、施耐德运动控制器、罗克韦尔运动控制器、贝加莱运动控制器、台达运动控制器中的任意一种，并且其为伺服电机运动控制器。优选的，所述拉坯速度扩展输入系统包括电源模块、通讯模块、模拟量输入模块，各模块之间通过背板总线通讯，每一连铸流的实际拉坯速度信号通过模拟量输入模块采集，经通讯模块以及现场总线传送给运动控制器。优选的，所述的n取值范围为1～8，n为整数。进一步的，所述驱动机构为直接驱动机构或者间接驱动机构。优选的，所述间接驱动机构包括偏心轴5、连杆机构6、振动臂10，伺服电机1通过减速器3、偏心轴5、连杆机构6、振动臂10间接驱动连铸结晶器振动台7及其上的连铸结晶器8实现非正弦振动(见图3、图4)。优选的，所述直接驱动机构为偏心轴5、连杆机构6，即无上述间接驱动机构中所述的振动臂，伺服电机1通过减速器3、偏心轴5、连杆机构6直接驱动连铸结晶器振动台7及其上的连铸结晶器8；或者伺服电机通过滚珠丝杠、蜗轮蜗杆、齿轮齿条等机构直接驱动连铸结晶器。更进一步的，当伺服电机1采用力矩电机驱动连铸结晶器振动负载时，此时可以省掉减速器3。优选的，连铸结晶器的非正弦振动波形，可以采用式(1)所示的德马克非正弦振动波形函数、或者式(2)所示的李宪奎非正弦振动波形函数等。S1(t)＝hsin(ωt-Asin(ωt))(1)其中，式(1)是德马克公司开发的德马克非正弦振动位移波形函数，式(2)是李宪奎教授提出的李宪奎非正弦振动位移波形函数，在结晶器一个振动周期内，对应的结晶器振动位移曲线分别如图6、图7所示；对应连铸结晶器非正弦振动期望的速度给定波形函数分别为：V1(t)＝hω(1-Acos(ωt))cos(ωt-Asin(ωt))(3)式(1)-(2)中：ω＝2πf/60为偏心轴角速度，为中间参数，h为结晶器非正弦振动的振幅(单位mm，h的取值范围一般为0～8mm)；其中：f为结晶器非正弦振动的频率(单位次/分钟，f的取值范围一般为0～300，可以根据实际拉坯速度在线调节)，计算公式为f＝aVL+b，其中a、b为工艺参数，VL(m/min)为拉坯速度；α为波形偏斜率，其取值范围为-0.4～+0.4，当α＝0时结晶器振动位移曲线为正弦振动曲线；在结晶器一个振动周期内，对应的结晶器振动速度曲线分别如图8、图9所示。上述两种连铸结晶器非正弦振动位移、速度波形对应的伺服电机期望的转速曲线规律分别为：式中：i为减速器的减速比，在结晶器一个振动周期内，对应的伺服电机转速曲线分别如图10、图11所示。间接驱动时伺服电机的转速方向与直接驱动时伺服电机的转速方向相反，分别为：对应的伺服电机转速曲线分别如图12、图13所示。每一连铸流对应的运动控制器都包含上述伺服电机转速的数学模型的计算，以及连铸结晶器非正弦振动期望的位移(或速度)数学模型的实现。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本技术伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统与现有的基于高性能可编程控制器的集中控制系统相比，由于采用多个运动控制器替代原高性能可编程控制器及多个伺服控制器，每一个运动控制器单独控制每一流的连铸结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统，包括上位计算机监控系统、n流连铸结晶器非正弦振动控制系统，上位计算机监控系统与n流连铸结晶器非正弦振动控制系统通过工业以太网相连，构成整个集散控制系统，对所有流的连铸结晶器非正弦振动情况进行实时监控，其特征在于：每一流连铸结晶器非正弦振动控制系统均包括运动控制器、伺服驱动器、伺服电机、减速器、驱动机构及连铸结晶器振动台、连铸结晶器、检测连铸结晶器振动位移的位移传感器、传感器接口模块、拉坯速度扩展输入系统；其中，上位计算机监控系统与n流连铸结晶器非正弦振动系统的运动控制器通过工业以太网相连，运动控制器的输出控制端与伺服驱动器的输入控制端相连，伺服驱动器的输出端接到伺服电机的电源输入端，伺服电机的内部编码器与运动控制器的输入端相连，位移传感器通过传感器接口模块将连铸结晶器振动位移反馈到运动控制器，每一连铸流的实际拉坯速度通过拉坯速度扩展输入系统与运动控制器相连；各流连铸结晶器的非正弦振动由各自的运动控制器单独控制，各连铸流之间相互独立、互不干扰；每一流的运动控制器根据采集的拉坯速度，计算不同拉坯速度对应的连铸结晶器振动频率、波形偏斜率参数，得到连铸结晶器非正弦振动曲线对应的伺服电机期望转速值，并通过伺服驱动器控制伺服电机按期望转速运行，进而驱动连铸结晶器实现非正弦振动。...

【技术特征摘要】
1.一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统，包括上位计算机监控系统、n流连铸结晶器非正弦振动控制系统，上位计算机监控系统与n流连铸结晶器非正弦振动控制系统通过工业以太网相连，构成整个集散控制系统，对所有流的连铸结晶器非正弦振动情况进行实时监控，其特征在于：每一流连铸结晶器非正弦振动控制系统均包括运动控制器、伺服驱动器、伺服电机、减速器、驱动机构及连铸结晶器振动台、连铸结晶器、检测连铸结晶器振动位移的位移传感器、传感器接口模块、拉坯速度扩展输入系统；其中，上位计算机监控系统与n流连铸结晶器非正弦振动系统的运动控制器通过工业以太网相连，运动控制器的输出控制端与伺服驱动器的输入控制端相连，伺服驱动器的输出端接到伺服电机的电源输入端，伺服电机的内部编码器与运动控制器的输入端相连，位移传感器通过传感器接口模块将连铸结晶器振动位移反馈到运动控制器，每一连铸流的实际拉坯速度通过拉坯速度扩展输入系统与运动控制器相连；各流连铸结晶器的非正弦振动由各自的运动控制器单独控制，各连铸流之间相互独立、互不干扰；每一流的运动控制器根据采集的拉坯速度，计算不同拉坯速度对应的连铸结晶器振动频率、波形偏斜率参数，得到连铸结晶器非正弦振动曲线对应的伺服电机期望转速值，并通过伺服驱动器控制伺服电机按期望转速运行，进而驱动连铸结晶器实现非正弦振动。2.根据权利要求1所述的一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统，其特征在于：所述的运动控制器为西门子Simotion运动控制器、德国KEB运动控制器、ABB运动控制器、三菱运动控制器、施耐德运动控制器、罗克韦尔运动控制器、贝加莱运动控制器、台达运动控制器中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：方一鸣，栾振兴，王志强，刘乐，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：新型
国别省市：河北,13