高压喷嘴性能检测系统

1、高压水除磷喷嘴性能参数自动测试装置设计摘要随着我国市场经济的发展和加入WTO，我国制造的钢铁产品要面对国际市场的激烈竞争。钢材产品质量主要受其尺寸和形状精度、表面质量和力学性能三个方面的影响。高压水除磷系统主要通过高压水除去钢铁表面的氧化膜，从而达到提高钢铁产品表面质量的目的。 本文针对目前钢铁产品生产中存在的表面质量问题，提出了基于PLC控制的高压水除磷喷嘴性能参数自动检测的方案。选用S7-200和四个扩展模块，结合伺服电机与触摸屏，开发了高压水喷嘴性能参数采集系统。该系统包括工作台运动控制部分和性能参数采集部分，工作台运动控制部分实现了工作台手动控制、自动控制以及工作台归零位程序的设计，性

2、能参数采集部分中包括对高压水喷嘴性能参数的采集、存储、读取功能，通过这两部分设计的结合，实现了对高压水喷嘴参数的准确、快速的采集。该系统在控制工作平台运动的基础上完成了对喷嘴性能参数的采集，绘出了喷嘴压力分布图，从而能够更好地提高钢铁除磷效果。关键词高压水除磷；PLC；伺服电机；参数采集High pressure water spray nozzle performance parameters phosphorus automatic test equipment design AbstractAlong with the development of the market economy

3、and joining WTO, China's manufacturing of steel products to face fierce competition in the international market. The quality of Steel product is made up of three facets: size and form precision, surface quality, dynam capability. High-pressure water through high pressure water system mainly phos

4、phorus steel surface to remove the oxide film, so as to improve the surface quality of steel products purposes. To solve the problem of the surface quality in steel product manufacture, the parameter detection system of muzzle based on PLC control is put forward. S7-200 and four optional expansion m

5、odules, combined with the servo motor and the touch screen, the development of high-pressure water nozzle performance parameter acquisition system. The Servo Motor and the data acquisition card of NI Company are used to design the system including two portions: workbench control design and parameter

6、 acquisition design. The design of workbench is composed three parts: manual control、auto control、back to initial position. The parameter acquisition, storage, read function constitute the capability parameter acquisition. The system implement the parameter acquisition precise and fleetly via the co

7、mbination of the two parts. The working platform motion control system based on the completion of the performance parameters of the acquisition of the nozzle, the nozzle pressure distribution plot, which can better improve the iron phosphorus removal. Keywords dephosphorize by high pressure water; P

8、LC; servo motor; param- -eter acquisition不要删除行尾的分节符，此行不会被打印目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题研究意义及国内外发展概况2 研究意义2 课题研究在国内外的发展概况21.3 本课题的主要研究内容4第2章 系统软件总体设计52.1 系统工作原理52.2 系统的软件设计6 软件的模块划分6 工作台控制部分6 高压水喷嘴参数采集部分62.3 本章小结7第3章 工作台控制部分83.1 工作平台简述83.2 电机的选择8 交流伺服电机简介8 交流伺服电机的选择原则与容量计算9 伺服电机容量选择123.3 1FL

9、5交流伺服电机的特性143.4 工作台控制系统的实现163.5 工作台控制系统的实现16 控制系统工作原理16 控制系统完成的功能213.6 本章小结21第4章 高压水喷嘴参数采集部分224.1 数据采集技术的基本概念224.2 数据采集24 数据采集方案的选择24 数据采集系统的硬件构成24 系统软件的简介254.3 触摸屏的设计264.4 喷嘴性能参数采集的实现27 电动调节阀开度控制和流量、压力信号的采集27 二维平台运动控制模块28 绘制流量- 压力曲线, 打击力三维图29 保存测试的数据到数据库304.5 本章小结30结论31致谢32参考文献33附录34千万不要删除行尾的分节符，此行

10、不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 课题背景 随着市场经济的发展，并随着我国进入WTO，我国生产的产品不仅要面对国内市场的激烈竞争，同时也要面对国际市场的激烈竞争，尤其钢材产品要面对国际市场更加激烈的竞争。如何提高产品的内在和外在质量是摆在我们面前的一个迫切任务，只有不断提高钢材产品质量，才能增加产品的竞争力，使我们的钢材产品在市场上处于不败之地。 钢铁产品质量指标主要由尺寸和形状精度、表面质量、力学性能三个方面组成。而在国内冶金行业的板材、型材、线材及棒材生产厂中，由于加热炉内产生的氧化铁皮

11、及轧制过程中再生氧化铁皮的大量存在，不仅极大的影响了产品的精度及内外质量，同时也加剧了对轧辊的磨损及周边环境的污染；导致生产成本的加大，经济效益的降低。随着控制技术的发展和炼钢技术的改进，钢铁产品精度和力学性能得到很大的提高，因此如何更好地解决钢铁产品的表面质量的问题摆在我们面前。钢坯的高压水除磷装置正是在这种形势下得到了快速应用和发展。高压水除磷的工作原理：主要利用高压水的冲击力，钢管与水接触时产生汽化的爆炸力，将磷片除去。 高压水除磷的效应： 1破裂效应 铁磷在高压水产生的冲击力作用下破裂脱落。 2冷却效应 高温轧件在高压水喷射作用下冷却时，由于材料基体和铁鳞冷却收缩率不同而产生的切向剪力

12、使铁鳞脱落基体。 3蒸汽效应 轧件表面铁鳞的裂缝中进入水滴，水滴在基体和铁鳞之间突然汽化而爆炸，将铁鳞从基体上剥落。 4冲刷效应 已经和将要脱落的铁鳞在高压水的冲刷下冲走，使铁鳞不要进入轧辊而在轧件上。 以上四种效应并不单独存在，几种效应会同时发生，各种因素的除鳞效果难以分别用数衡量。一般在设计中以高压水产生的冲击力的大小作为衡量除鳞效果的好坏指标。 在国外，由于高压水除磷装置效果明显、设备相对简单，投资少，几乎所有的钢铁产品热轧生产中都采用了高压水除磷装置来去除氧化铁皮，以提高热轧产品的表面质量。国内近几年，这项新兴技术也得到了快速应用和发展，如宝钢、包钢等大型钢铁生产企业。 本文将虚拟仪器

13、技术应用到高压水除磷喷嘴性能参数检测系统中，依靠虚拟仪器独特的优势设计一套操作简单、测量准确的检测系统。为我国钢铁企业的除磷设备性能的提升以及产品质量的提高有较大的帮助。1.2 课题研究意义及国内外发展概况1.2.1 研究意义在轧钢生产过程中,板坯、方坯等在加热炉中加热都会发生氧化,并生成很厚的氧化铁皮,附着在钢铁材料表面上。另外,钢铁在轧制过程中,还会发生二次氧化,形成薄薄的二次氧化铁皮。在轧辊的辗压作用下,一部分氧化铁皮被破碎成小片状自动脱落,另一部分则被压入金属表面,形成夹渣、麻点、疤痕等,成为影响轧材表面质量的重要因素之一。为了改善成品质量,目前在钢铁轧制中广泛采用在线高压水除磷系统。

14、高压水除磷系统是利用高压水喷出时产生的强大的冲刷力和冷却力,由于轧材的基体材料和氧化铁皮层的冷却收缩率不同而产生的剪切力,又因高压水水渗入基体材料和氧化铁皮之间产生的蒸汽膨胀而爆裂,使氧化铁皮破碎并与基体表面脱离,同时高压水还可将氧化铁皮冲掉。 高压水除磷系统的关键部件是高压水除磷喷嘴。研制一套高压水除磷喷嘴的性能测试系统,对国产以及进口的喷嘴进行特性测试,为生产选择合适喷嘴、提高除磷效果和板坯质量,具有十分重要的意义。1.2.2 课题研究在国内外的发展概况近年来,国内外一些研究人员对高压水除磷喷嘴进行了大量的研究,结果表明,喷嘴的除磷效果和冷却效果不仅仅与喷水条件有关,还和喷嘴的种类、结构以

15、及安装布局有很大的关系；国内外热轧除磷普遍采用基于流体力学原理的高压水去除一、二次氧化铁皮，用高压水的机械冲击力除去氧化铁皮是一种最为经济的除磷方式，形式上比较统一，但布置上有较大差异，主要是根据产品的轧制工艺、产品的形状及产品标准的要求而确定；随着轧制技术的发展和产品质量的高要 求，对除磷技术和除磷效果的要求也在不断提高，同时，近10多年来，射流技术在中国有了飞跃的发展，对高压水除磷技术的发展也起了很大的推动作用，现在高压水泵、喷嘴、喷射阀等设备及零部件的专业研究部门和生产厂已具备很强的配套能力，高压水除磷的趋势将始终向高压力、大打击力、钢坯温降小、节约能源及装备低故障率高寿命的方向发展。

16、20世纪80年代美国国家仪器公司（National Instruments Company简称NI）首先提出了虚拟仪器的概念。这一概念的核心思想是：以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新的仪器系统。由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形成，因此在国际上把这类新型的仪器称为“虚拟式仪器”或称“软件即仪器”。自20世纪80年代以来，NI 公司已研制和推出了多种总线系

17、统的虚拟式仪器，特别是它推出的LabVIEW图形编程环境已享誉世界，成为这类新型仪器开发系统的世界生产大户。在NI公司之后，美国惠普（HP）公司紧紧跟上。该公司推出HPVEE编程系统可以提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机，用户可以用它组建或挑选自己所需的仪器。除此之外，世界上陆续有数百家公司，如Tektronix公司，Racal公司等也相继推出了总线系统多达数百个品种的虚拟式仪器。作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟式仪器的研究、开发在国内已经过了起步阶段。从90年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、西安电子科技大学、成都电子科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科技

18、公司，在研究和开发仪器产品和虚拟式仪器设计平台以及引进消化NI公司、HP公司的产品等方面做了一系列有益工作，取得了一批瞩目的成果。虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构，改变了人们的仪器观，据“世界仪表与自动化”杂志报道，21世纪初叶，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达到数千种，市场占有率将达到电测仪器的50%。这一预测对整个仪器仪表领域，不啻是一次强烈的震撼，使从事电测仪器科学技术研究与开发的科学家和工程师们都看清了虚拟式仪器对传统仪器的巨大挑战，认识到在本世纪虚拟式仪器将成为电测仪器的发展方向。虚拟仪器最核心的思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件华，以

19、便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性。因此，虚拟仪器是受益和依赖于计算机技术。其外部特征与传统的仪器相比有较大的不同，其中最突出的特点就是面板及相应的控件和指示器等，不再是由一些无礼的实体所构成，而是由计算机内部强大的图形环境和在线帮助功能建立起来的虚拟面板所替代，人们称之为“软面板”；从内部特征看，原来智能仪器中较为复杂的微处理器及其部件，现在大多可共享计算机内部的软、硬件资源，并借助其完善的数据分析和处理能力，实现测试仪器所需的全部测试功能。随着虚拟现实技术的发展，高压水除磷技术得到广泛的应用，因此对整个系统喷嘴性能参数采集部分成为本系统的重点。对于整个系统的设计来说，这部分功能

20、是最为重要的，也是系统设计的最终目的。借助于PLC数据采集功能，通过对工作台处于不同位置时对安装在工作台上的力传感器的信号进行采集、分析，从而较为准确的得到高压水喷嘴的性能参数。另外还添加了对所采集数据的存储和读取功能，以供以后分析使用。虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被称为21世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟技术蕴涵的巨大潜力，使发达国家趋之若鹜，在这一领域的研究上投入了巨资，希望有朝一日能在它的带动下率先进入信息时代。1.3 本课题的主要研究内容本课题的研究是：高压水喷嘴压力检测采用固定于固定工作台上的一排压力传感器,由两轴伺服电机带动喷嘴扫描一定的检测

21、范围，即可以检测到喷嘴的压力分布。 本课题主要内容包括喷嘴试验用小型X-Y工作台机械结构设计和计算机控制与数据采集、处理系统研制。本研究主要内容包括以下几方面： 1、 确定高压水喷嘴压力检测系统的总体方案，撰写开题报告； 2、 设计并绘制高压水模拟系统的原理示意图； 3、 设计喷嘴压力检测X-Y工作台机械结构，包括伺服电机，滚珠丝 杠和导轨的选择，绘制装配总图和零件图； 4、 显示喷嘴压力分布状态的触摸屏程序设计； 5、 数据采集和两路伺服电机控制电路设计。第2章 系统软件总体设计本课题的目的是研究开发出一套系统设备，用于采集、分析高压水喷嘴性能参数的系统。该系统是通过伺服电机对工作平台进行控

22、制，通过对工作台在不同位置时高压水喷射在力传感器上产生的信号进行采集、数据处理和显示，从而确定喷嘴的压力分布。2.1 系统工作原理 检测系统硬件由伺服电机、力传感器、流量计、数据采集卡和计算机组成。对运动控制的最有效的方式是对运动源的控制，而电机是最常用的运动源，因此，可以通过对伺服电机的控制来是实现本系统工作台的运动控制。交流伺服电机的种类很多，按其结构形式、可分为同步交流伺服电机和感应式交流伺服电机。同步交流伺服电机又分为永磁式同步交流伺服电机和励磁式同步交流伺服电机。现代自动监测和自动控制都离不开传感器，它是测试与控制系统的首要环节，它能把被测物理量直接转换为与之有确定对应关系的并容易检

23、测的电信号输出，以满足信息的传输、记录、显示、分析、处理以及控制等要求。数据采集是检测系统的核心部分，担当着采集各种信号的任务，因此对数据采集方案的选择在采样精度和采样率方面都有较高的要求。本系统采用的是基于S7-200 CN的数据采集方案。整个检测系统由如下部分组成： （1）工作台运动控制部分； （2）喷嘴性能参数采集部分； （3）用户操作面板部分。根据检测系统的工作要求，系统的总体布局如下图2-1所示。由图2-1可以看出系统的工作原理是通过PLC发出脉冲，经过伺服电机驱动器将脉冲信号放大，然后驱动伺服电机运动到合适的位置，然后通过PLC采集流量计和高压水喷射在力传感器上产生的信号，通过A/

24、D转换进行数字化。然后计算及通过软件对信号进行显示、存储和处理。系统的整体构架以及步进电机的控制程序和数据采集程序均使用VB软件编写，极大的缩短了软件开发的周期。该系统具有使用方便、通用性好、功能扩展易实现等优点，可根据用户不同的需求增加不同的模块。图2-1 系统总体框图2.2 系统的软件设计2.2.1 软件的模块划分 系统软件功能包括：工作台控制部分、喷嘴性能参数采集部分、数据读取部分和帮助功能。 对一个测试系统来说，软件界面是其设计中最重要的一环。因为对于用户，他们的任务只是单纯的使用，并不需要领会整个软件设计的设计思想以及功能如何实现。所以一个测试系统的成功与否与设计者能否设计出一个对使

25、用者来说更为方便、快捷的用户界面有很大关系。界面的设计在满足用户需求功能的前提下应尽可能的简洁，有利于使用者的操作。2.2.2 工作台控制部分 工作台控制部分是本系统的重要组成部分。因为对于喷嘴参数的数据采集是一个动态的过程，需要工作台运动到不同的位置。工作台控制部分的设计主要应用PLC和两台伺服电机，通过选用四个扩展模块（两个EM253，两个EM235）配合S7-200使用来控制X、Y方向伺服电机运动，从而达到控制工作台运动的功能。工作台控制部分分为手动控制、自动控制和归零控制三个部分。2.2.3 高压水喷嘴参数采集部分 喷嘴参数采集部分是本系统的重点。对于整个系统的设计来说，这部分功能是最

26、为重要的，也是系统设计的最终目的。借助于基于S7-200 CN的数据采集方案，通过对工作台处于不同位置时对安装在工作台上的力传感器的信号进行采集、分析，从而较为准确的得到高压水喷嘴的性能参数。另外还添加了对所采集数据的存储和读取功能，以供以后分析使用。2.3 本章小结本章主要介绍了系统的组成和工作原理，并提出了系统总体的设计方案和工作台控制部分的组成，同时针对整个系统软件的功能进行了划分，并且简单介绍了系统软件各个部分的主要功能。第3章 工作台控制部分3.1 工作平台简述 由于高压水喷嘴喷射出来的高压水面积有限，大概是100mm*3mm 的面积，所以要求装载喷嘴的工作平台是一个运动的平台，能够

27、在蓄能器能量恒压得这段时间内完成规定的运动轨迹并且完成参数采集工作。考虑到本装置需要检测的高压水宽度是一个很精确的数据，根据步进电机的快速起停能力以及精度高的特点，因此我们选用步进电机作为工作台的控制装置；在工作台运动时，喷嘴距离工作台的距离是不变的，因此在设计本系统是只需要对工作台平面运动进行控制，即工作台X、Y方向运动控制如图3-1所示。控制系统需要分别对应于X、Y方向控制的两台步进电机。图3-1 工作台示意图3.2 电机的选择3.2.1 交流伺服电机简介 交流伺服电机的种类很多，按其结构形式、可分为同步交流伺服电机和感应式交流伺服电机。同步交流伺服电机又分为永磁式同步交流伺服电机和励磁式

28、同步交流伺服电机。永磁式同步交流伺服电机根据其磁极的结构，可分为凸极型和隐极型两种；感应式交流伺服电机又分为一相、二相、三相等几种；图3-2所示为交流伺服电机的结构示意图，用做伺服电机的主要是永磁式同步交流伺服电机和感应式交流伺服电机。永磁式同步交流伺服电机的结构特点是，转子用永磁材料制成，构成转子磁极，定子与感应式交流电动机一样装有绕组，以产生旋转磁场。由于旋转磁场与转子磁极的相互作用，转子以和旋转磁场相同的旋转速度同步旋转。感应式交流伺服电机结构和普通鼠笼感应电动机相同。图3-2 交流伺服电机结构示意图3.2.2 交流伺服电机的选择原则与容量计算 伺服电机主要用于位置和速度控制系统中，其动

29、力选择除了考虑电机的功率与扭矩参数外，还要考虑系统的转动惯量匹配问题，一般选择伺服主要从下面四个方面考虑： (1) 负荷转矩； (2) 负载转动惯量； (3) 加速/减速时间； (4) 运行模式。1. 交流伺服电机的选择原则及计算公式 (1)电机的最高转速 电机选择首先依据机床等被驱动部件的快速行程速度。快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内。 (2)转动惯量匹配原则 负载惯量对电机的控制特性和快速移动的加/减速时间有很大的影响。负载惯量增加时，计算机发出指令到伺服电机执行完毕之间的时间就长，即指令变化后，需要较长的时间达到新指令指定的速度。若机床沿着两个轴高速运动加工圆弧等曲线，会

30、造成较大的加工误差。若负载惯量为电机的3倍以上，则电机的控制特性就会降低，若为5倍以上则电机的可操控性大大下降；反之，负载惯量若小于或等于电机的惯量时，则不会出现上述问题。为了保证系统的反应灵敏性和满足系统的稳定性要求，负载惯量应限制在2.55倍的电机惯量之内，即： （3-1） (3)空载转矩 机床等设备无负载运行时，加在电动机上的力矩应小于电动机的连续额定力矩的50%以下。否则，在切削或加减/速时电动机就可能过热。 (4)负载转矩 在正常工作状态下，负载转矩不超过电机额定转矩的8090%。根据系统的减速比，电机轴的负载转矩和转速，按下式选择电机功率： （3-2）式中： ：对电机轴换算的负载转

31、矩()； ：伺服电机额定转速()； ：传动系统的总效率。 (5)核算加速/减速时间 对初选电机根据机械系统的要求，加减速时间，必须小于机械系统要求值。通常，负载力矩能够帮助电动机的减速，因此，如果加速能在允许时间内完成的话，减速也可在相同的时间内完成，因此只需核算加速时间或转矩即可。加速/减速时间及转矩计算公式如下： 最短加速/减速时间： （3-3） 加速/减速转矩： （3-4）式中： ：加速/减速时间()； ：伺服电机惯性矩()； ：对电机轴换算的负载惯性矩()； ：对电机轴换算的负载转矩()； ：加速/减速转矩()； ：最高转速()； ：加速初始启动转速或减速终止转速()。 若大于初选电机

32、的额定转矩，但小于电机的瞬时最大转矩（510 倍额定转矩），也可以认为电机初选合适。图3-3 典型的伺服电机定位控制工作方式 (6)不同工作方式时的热校核计算 当电机工作在频繁地定位、加/减速频繁以及负载波动工作情况时会使电动机发热，所以要计算一个工作周期的负载力矩的均方根值，并使其小于电动机的额定力矩。例如当采用图3-3所示的工作方式时， 一个循环周期的负载力矩的均方根值计算公式为： （3-5）式中： ，：为起动时间()和加速转矩()； ，：为正常运行时间()和负载转矩()； ，：为减速时间()和减速转矩()； ：为停歇时间()。当，即实际转矩小于额定转矩，则可以按指定的运行模式连续运行。2

33、. 伺服电机容量选择的步骤 伺服电机容量选择的步骤如图3-4所示。值得说明的一点是，对于图中“重新审定机械规格”，即当时，需重新审查以下项目： 在允许范围内，将加速/减速时间加长一些；1. 延长运转频率(增加循环时间长度)；2. 当旋转速度有余量时，加大减速比；3. 加大电机容量；4. 当升降机械停止时间长时，加机械制动；5. 在高频率运行时，尽量加大减速比，减小惯性矩。图3-4 伺服电机容量选择流程图3.2.3 伺服电机容量选择图3-5 伺服电机驱动工作台示意图 为了方便计算，选择两丝杠中受力最大的作为计算对象，并将本设计伺服电机驱动工作台简化为如图3-5所示的工作台，其中，丝杠螺距 p=1

34、0mm，输送重量W=20 kg，推力0 kg(无)，试选择伺服电机的容量。1 最大移动速度v由于采用直接传动，减速比i=1，当选择电机的额定转速为3000 r/min时，工作台的最大移动速度为： （3-6）2 负载惯性矩 首先计算丝杠折算到电机轴的负载惯性矩，假定丝杠直径d=20、长度为l=500 mm，有: （3-7） 根据以上计算公式，移动部分折算到电机轴的负载惯性矩为: （3-8）于是，总惯性矩 为： （3-9）3 换算到电机轴端的负载转矩假定工作台导轨移动摩擦系数=0.1，机械效率=0.9，对电机换算的负载转矩为:（3-10）4 电机容量预选 （3-11） （3-12） 假设选电机转速为3000 r/min （3-13） 查表25-2-61，可得到符合选择条件的1FL5 ()5 最短加速/减速时间 （3-14） 若工作时加减速时间为0.08s