火焰切割机的电气设计（一）

论文 关键词： 火焰切割机　火焰切割机电气控制　火焰切割机plc

论文摘要：火焰切割机是利用燃气和氧气将铸坯快速燃烧，达到切断铸坯的目的，其优点是在线设备轻，一次性投资省，适应铸坯的温度宽；缺点是切割渣不易处理，金属损耗大，但当铸坯较长时，金属损耗则较少。本次课题实际内容主要是针对火焰切割机的电气控制部分进行研究和设计，本文引用电气控制plc原理，通过各种电气元件的选型和 计算 ，以及plc程序的编译，简单的介绍了该火焰切割机电气控制方面的设计过程和设计方法。火焰切割机的电气设计包括plc、变频器、控制变压器、低压电气元件的选型以及step 7的程序编译。

1 绪论

1.1 连续铸钢的概念

连续铸钢是一项把钢水直接浇铸成形的节能新工艺，它具有节省工序、缩短流程，　提高金属收得率，降低能量消耗，生产过程机械化和自动化程度高，钢种扩大，产品　质量高等许多传统模铸技术不可比拟的优点。自从20世纪50年代连续铸钢技术进入 工业 性应用阶段后，不同类型、不同规格的连铸机及其成套设备应运而生。20世纪70年代以后，连铸技术 发展 迅猛，特别是板、方坯连铸机的发展对加速连铸技术替代传统的模铸技术起到了决定性作用。

1.2 连铸比的概念

连铸坯的吨数与总铸坯(锭)的吨数之比叫做连铸比，它是衡量一个国家或一个钢铁工厂生产发展水平的重要标志之一，也是连铸设备、工艺、管理以及和连铸有关的各生产环节发展水平的综合体现。

1.3 国内外连铸技术的发展

1.3.1 国外连铸技术的发展概况

20世纪50年代，连铸开始用于钢铁工业生产。连铸坯产量仅有110万t左右，连铸比约为0.34%

20世纪60年代，弧型连铸机问世，连铸进入了稳步发展时期。年产铸坯能力达4000万t以上，连铸比达5.6%。

20世纪70年代，世界范围的两次能源危机促进了连铸技术大发展，连铸进入了迅猛发展时期。铸坯产量已逾2亿t，连铸比上升为25。8%。

20世纪80年代，连铸进入完全成熟的全盛时期。世界连铸比由1981年的33。8%上升到1990年的64。1%。连铸技术的进步主要表现在对铸坯质量设计和质量控制方面达到了一个新水平。

20世纪90年代以来，近终形连铸受到了实际各过的普遍关注，近终形薄板坯连铸与连扎相结合，形成紧凑式短流程，其发展速度之快，非人们所料及。

1.3.2 我国连铸发展概况

近几年,我国连铸发展很快。除海南、和宁夏，都有了连铸。2000年，连铸坯产量达到11450万吨，突破一亿吨，位居各国之首。连铸比88.08%,超过了世界连铸比的平均数87.2%。从1996~2000年的五年，连铸坯的产量增加7017万吨，平均年增1403万吨，连铸比比1995（46.48%）增长41.6个百分点 ,平均年增8.32个百分点.这个增速在世界上也是罕见的.2000年,全连铸单位达到130个占有连铸单位的总数165个的78.8%(没有连铸的单位仅12个);高效和较高效连铸机占连铸机总数339台的约50%.在品种质量方面,可以说除个别品种外都能生产并满足质量要求。

进入新世纪,连铸生产发展更快.2001年连铸坯产量达13820万吨,连铸比达92.8%,比2000年猛增2370万吨,增长21%,连铸比增长4.72个百分点。

2002年预计将产连铸坯16500万吨连铸比将达94%左右,全连铸单位将达157个,占当前有连铸的单位总数175的89.7%.2002年预计将新增连铸机60台200流,产能3500万吨以上.到2002年在线连铸机将达444台,产能共19450万吨.预计到2005年连铸机产能将达23500万吨,产量将达21000万吨,连铸比将达97%.现在新建的钢长起步都是全连铸,新建的连铸机基本上都是高效的,而且达产很快。

1.4 今后我国连铸发展要求

1.提高品质.国内市场所需的品种应能自己生产并保证质量,充分满足市场要求,并有利于扩大出口。

2.提高效率.还有近半数的连铸机需要进行高效化改造,已改造的效率需进一步提高,新建连铸机必须高效化且一 步到位,提高近终型连铸的比率,进一步提高效率。

3.提高连铸比.尤其是提高特钢连铸比,　进一步发展全连铸.目前,影响我国连铸比的主要是几个大的钢铁 企业 和一批老的特钢企业，　包钢和攀钢可望于2003或2004年实现全连铸,宝钢可望于2006年实现全连铸,太钢也正在努力。

4.流程最佳化．炉外精炼、铸坯热装、连轧成材，连铸是中间环节和中心环节，力求匹配、衔接最佳化，使　之充分发挥炼钢及轧钢的能力，缩短工艺流程，降低各项消耗，提高劳动生产率，增加 经济 效益。

1.5 连铸机的组成

连铸机主要由钢包运载装置、中间包、中间包运载装置、结晶器、结晶器振动装置、二次冷却装置、拉坯矫直机、引锭装置、切割装置和铸坯运出装置等部分组成。

图1.1 弧形连铸机

1-钢包转台; 2-中间罐; 3-结晶器; 4-二次冷却及导向装置; 5-结晶器振动装置

6-拉矫机; 7-引锭存放装置; 8-切割装置; 9-铸坯运出装置

1.6 弧形连铸机的生产流程

连续浇注时，钢水罐中的钢液经过中间罐注入水冷铜板结晶器内，结晶器的底部由引锭头承托，使引锭头与结晶器壁密封后便可开始浇注。注入结晶器的钢水受到水冷铜模的强烈冷却，迅速成为具有一定厚度坯壳的铸坯。当钢液浇至规定高度时，开动拉矫机，拉锟夹住引锭杆以一定速度把铸坯连续拉出结晶器。为了防止铸坯坯壳被拉断，并减少结晶器内的拉坯阻力，在浇注过程中，结晶器始终要进行往复振动。铸坯拉出结晶器以后，进入二次喷水冷却区，直到完全凝固。当铸坯拉出拉矫机后，脱去引锭装置，铸坯经过矫直，再经过割机切成定尺长度，由输送锟道运走，这一整个过程是连续进行的。

铸坯切割装置处于整个连铸装置的末端，也是整个连铸流程的结尾部分，负责把连铸坯按照轧钢机的要求切割成定尺或倍尺长度。铸坯是在连续运行中完成切割，因此切割装置必须与铸坯同步运动。

1.7切割设备的技术要求

1．把被矫直的铸坯，按要求切割成一定长度。

2．铸坯切口应与铸坯长度方向垂直，切面平整，切头不应有大于原铸坯断面的变形。

3．切割能力应适应铸坯温度的变化。

1.8切割设备的类型及特点

1.8.1 种类

小方坯连铸机采用的切割设备种类较多，有电动机械剪，液压剪，火焰切割机等。

1.8.2火焰切割机原理

火焰切割机是利用燃气和氧气将铸坯快速燃烧，达到切断铸坯的目的，其优点是在线设备轻，一次性投资省，适应铸坯的温度宽；缺点是切割渣不易处理，金属损耗大，但当铸坯定尺较长时，金属损耗则较少，因而目前有些中、小企业又趋向建火焰切割机。

1.8.3 火焰切割机的种类

火焰切割机用于小方坯铸机的机型目前有三种：其一自动化程度较高，投资也较大的为全自动化的火焰切割机，切割枪的摆动，切割小车的随动及返回，以及自动计数定尺，都由微机控制。电动或气压做动力源。

另两种近来较流行的经济型的火焰切割机：一种称无动力型火焰切割机，另一种称夹坯型火焰切割机。

（1）无动力型火焰切割机

这种火焰切割机不同于全自动的火焰切割机，除切割小车返回使用液压缸外，其余全无动力源，是靠铸坯带动产生各种动作，当撞头落在锟道线上，铸坯运行一个定尺长度至撞头处，则顶动撞头并带着切割小车前进，切割小车上装切割枪，切割枪的摆动运动来源于摆动机构上有一个导轮，当切割小车被铸坯带动

前进时，此导轮将沿着一个固定的靠模曲线前进，因曲线的起伏使导轮带动切割枪，产生切割摆动运动。定尺撞头的上部装在定尺导杆上，由于定尺不同，撞头在定尺导杆上的位置可以通过调节装置进行调节，导杆的末端有释放导模，当撞头走到导杆末端时，完成尺切割后，撞头将因导模的作用，自动释放抬起。则被切断的铸坯经锟道送出。撞头及切割小车又被液压缸带动返回原处，而撞头落下成等待位置，全部切割过程结束。

该切割机的动力来源是铸坯，铸坯不顶到撞头，则切割小车不会行走，切割枪不会摆动，无法进行切割，显然该机不能进行非定尺的切割，如切头、切尾，或事故切割，这是该机的最大弱点。

（2）夹坯型火焰切割机

为了克服上述切割机的缺点，一种新型的切割机对随动运动作了改进，不用被动的顶坯方式，而改为主动的夹坯随动方式，并用汽缸作动力，解决了不能切头、切尾的问题。

夹坯型火焰切割机，切割机前设置里夹坯锟，夹坯夹头，火焰切割枪的摆动仍是由摆动机构和靠模完成，切割小车返回用液压缸或用气动马达，夹坯夹头杠杆通过转轴，靠汽缸传动，产生夹紧或放松的动作，而气缸的进排气则由工人遥控，或由定尺装置发出信号，显然该机应另配备定尺发信号装置。目前小方坯连铸机采用这种带有主动夹坯机构的火焰切割机日渐增多。

1.8.4 切割枪

割炬又称为切割枪，是火焰切割机的重要部件。切割枪是由枪体和切割嘴组成。而切割嘴是它的核心部件。

外混式切割枪，它形成的火焰焰心为白色长线状，切割嘴可距铸坯50～100mm内切割；外混式切割枪具有铸坯热清理效率高，切缝小，切割枪寿命长等优点。切割枪是用铜合金制造，并通水冷却。

一般当铸坯宽度小于600mm时，用单枪切割；宽度大于600mm的铸坯，用双枪切割。但要求两支切割枪在同一条直线上移动，以防切缝不齐。切割时割枪应能横向运动和升降运动。当铸坯宽大于300mm时，切割枪可以平移，见图a，当坯宽小于300mm时，割枪可做平移或扇形运动，见图b，割枪的扇形运动的一个优点是切割先从铸坯角部开始，使角部得到预热有利于缩短切割时间，同时在板坯切割时先做约 5°的扇形运动，割枪转到垂直位置后，再做快速平移运动，见图c。

图1.2 割枪运动

1.8.5 铸坯自动定尺装置

锟子通过气缸与铸坯接触，铸坯带动锟子转动并发出脉冲信号，由计数器按定尺发出信号开始切割。

1.9 切割机的选用

火焰切割机，在线设备简单,一次性投资低，切头比较平整，不受铸坯温度的限制，但金属损耗高,有烟尘和切割渣的污染，需要增加额外的投资。这里选用了夹坯型火焰切割机。

图1.3 火焰切割装置

图1.4 夹钳式同步机构简图

1.10 课题关键问题及难点

这次课题关键问题及主要难点有：

1.工作环境温度高,零部件的选用与保护。

2.变频器的参数设置。

3. 电气元件的选用。

4．火焰切割机机械部件与plc控制系统的搭配。

5.电气图主要技术参数的计算。

6.step 7的编程。

2 火焰切割机机械控制

2．1 切割机机架

由轨道和轨道梁、走行和检查平台、横梁和立柱、能介管道和电缆等组成。

1．轨道采用高架形式，每流两根。安装轨道的轨道梁断面为“日”字形，内部通有冷却水，火切机轨道梁公用一个大机架。

2．行和检修平台。平台盖板上部为钢制花纹板，下部为钢板。

3．分布在铸流两侧，为了保证切割操作工有良好的操作视线，横梁采用下置式安放。

4．机能介管道和电缆设置在远离拉矫机一侧，如配置测量辊装置空气管和电缆设置靠拉矫机一侧。

2．2 车体

由下箱体、安装板、上箱体、箱盖和前箱体组成。

1．箱体和上箱体是一个箱形双壁构件，通有冷水，可保护安装在其中的各部件，防止机下铸流热辐射的损害。

2．安装板在上、下箱体之间，火切机的各部件都装在此板上。

3．箱盖在上箱体上方，是一可折的轻型盖子，便于安装和维修。

4．前箱体是单壁箱体，用来保护切割枪、夹钳装置。

2．3 传动装置

两传动火焰切割机的传动装置由三相交流电机、两极蜗轮减速器、齿轮传动副、切割车行走和割枪驱动等部件组成。

1．电机：火焰切割机上，采用8极交流电机加变频器调速，使割枪在起切速度时，电机不会在低频带工作。

2．减速器组件：火焰切割机的减速器是本厂自制件，有两极蜗轮减速。在第一级蜗轮出轴上，装有开式传动齿轮，与带有电磁离合器（a）。在第二级蜗轮出轴上装有电磁离合器（b）。

3．切割车行走：切割车行走由传动部件与车轮组成，车轮安装在水冷箱体两侧，前端两个从动轮，后端两个主动轮，一侧车轮为槽型导向轮，另一侧车轮为平轮。传动部分安装在水冷箱体的中部，通过小车传动电机，带动自动车轮，来完成切割机到沪运动。

4．割枪驱动：火焰切割机的割枪驱动由割枪传动电机来控制。

2．4 同步机构

火焰切割机的同步机构由带阀气缸、上夹臂、旋转轴和夹钳组成，气缸安装在水冷箱体内，通过电磁阀的换向带动上夹臂，再由旋转轴带动安装在前箱体的通有冷却水的夹钳作夹紧和松开动作,来实现对铸坯的夹紧和切割机的同步运行。

工作程序:待机时,电磁阀失电,夹紧松开,处于极限待机位置(最大开口)。当铸坯运行到切割定尺时，气缸换向阀得电，气缸使夹钳夹紧铸坯，同时切割车传动电机失电，切割车即随铸坯同步运行。当切割完毕时，气缸换向阀失电，夹钳松开，气缸缩回至极限待机位置，夹紧极限位置接近开关发讯，机器处于待机位置。

2．5 边缘探测装置

方坯火焰切割机在边缘探测方面作了很大改进。割枪对铸坯边缘的定位是通过夹钳对铸坯的夹紧将割枪边缘（不同的铸坯需要调整在夹紧时夹钳和割枪的相对位置，这样解决了铸坯跑偏时，割枪的预热点偏差大的问题。

工作原理：待机时，切割机传动电机均失电，割枪停留在原位。当铸坯运行到切割定尺时，气缸换向阀得电。夹钳带动割枪，迅速达到铸坯边缘位置，对铸坯进行预热。

2．6 管路

由车间氧气、燃气、压缩空气、冷却水等管道供应的各种介质经过能源介质箱后，通过机外配管、机内配管送到机上各使用点。

1.路。氧气进入能源介质箱，在箱内经过滤器后分成割枪预热氧、切割氧二路，分别减压至设定压力，由电磁阀控制出能源介质箱后，经硬管送至拖链上的软管再接到主、副割枪上，高温区割枪的连接采用不锈钢波纹软管，预热氧管道进入割枪前装有氧气回火防止器。

2.燃气管路。燃气进入能源介质箱，在箱内经过滤器并减压至设定压力，由电磁阀控制出能源介质箱后，经硬管送至拖链上的软管再接到主、副割枪上，高温区割枪的连接采用不锈钢波纹软管。燃气进入割枪前需装有回火防止器。

3.压缩空气灌录。压缩空气进入能源介质箱在箱内经气源三联件（过滤、减压、油雾器）以设定压力出能源介质箱，经硬管送至拖链上的软管后进入机内配管，由换向阀控制进入同步气缸，使夹钳作夹紧与放开动作。

火焰切割机的冷却水进、出水管路如下：

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图 2.1 冷却水进、出水管路示意图

冷却水经机外硬配管、拖链软管引上切割机后，分两路进入割枪、上箱体下箱体和夹钳，然后进入拖链回水管，最后通过机外硬配管系统排放。

另一路由电磁换向阀控制进入长度测量装置气缸，使测量辊作靠拢铸坯与脱离铸坯动作。

2．7 切割车行程控制

切割车行程控制由接近开关与感应片组成。接近开关装在切割机上箱体的水套中，以防在高温状态下的失灵，感应片焊接在机架上。

2．8 长度测量装置

1. 度测量装置为一由气缸推动可摆动的空心轴，空心轴上装有一个表面经特殊硬化处理的测量轮，其摆动支撑座安装在切割机机架上。铸坯到达测量点之前，空心轴应摆动至上位。当上位机发出铸坯到位信号后，气缸推动其摆动至下位，测量轮与铸坯侧面接触，铸坯靠摩擦力通过测量轮带动空心轴旋转。在空心轴上端通过一对开式齿轮传动副连接一个增量式光电编码器。测量轮的周长与脉冲发生器的每转脉冲数是匹配的，通过光电编码器将测量数据反馈到plc中去。冷却水流经测量轮、空心轴后排出。

2.产度测量装置也可以配置红外线热金属探测器，探测器每流一套安装在长度测量机架上，探测器需要一路压缩空气、冷却水出口和出口管路。

3.度测量装置也可选用dc24vp碰锤，碰锤每流一套安装在测量机架上，并与机架绝缘。

2．9 能源介质控制箱

2．9.1 概述

能源介质控制箱的功能是将用户管道来的各种不同压力的能源介质调整到火焰切割机正常切割所需的工作压力。

本厂提供的能源介质控制箱具有这样的特点：在进口压力波动较大，切割所需的气源流量也很大的情况下，通过具有先进水平的减压阀的调压，使出口气压控制在正常切割所需的工作压力，并持续稳定地供应各种气源。

安装位置：一般安放在离火焰切割机切割区域不太远（10米以内）的两侧。这样既可以使火焰切割机的现场配管长度比较合理，又便于在进行压力调整的时候，操作工可看清割枪的火焰。

结构形式：为立式箱形结构。箱体的前后均可开门，便于维修。箱体的一侧配有电气端子箱（地上接线端子箱），将切割机上所有电控元器件和能源介质箱内电磁阀的接线电缆连接到此端子箱。

2．9.2 简介

（1）箱体。为立式箱形结构。所有的控制元器件及联接管路均可安装在该箱体内，箱体下部为能源介质的进口，上部为能源介质的出口。如用户特殊需要，也可进、出口换向设计。箱体的前后均为门，便于维修。箱体的一侧配有一个电气端子箱（地上接线端子箱），将切割机上所有电控元器件和能源介质箱内电磁阀的电缆连接到此端子箱。

（2）阀门类。共有六种类型。

1. 安装在能介箱内各进气总管和分路管道上的球阀。其总管所用型号为q11f-16tg2；分管所用型号为q11f-16tg3/4。

2. 安装在燃气总管上的止回阀。型号为mf，其功能一是防止燃气回火，二是过滤气体种的杂质。

3. 安装在氧气和燃气分管上的减压阀。切割氧减压阀型号为md200；预热氧减压阀型号为re25-hg；燃气减压阀型号为re4pm-g。

4. 安装在氧气和燃气分管上，控制每一路气源开、关的二位二通电磁阀（德国进口件）。

5. 安装在预热氧管和燃气管旁路上的气体调节阀。其型号为dp5。

6. 安装在压缩空气管路上的三联件气源处理装置。其型号为399．293。

（3）管路。分为进气总管和各供气分管。

各种介质的进气总管各一根。其中在氧气和燃气总管上装有过滤器和压力表。

氧气总管在箱体内分成预热氧和切割氧两路然后根据该箱体控制切割枪的数量再分成相应的十路分管。

在每一路预热氧分管上，装有q11f-16tg3/4球阀、md200氧气减压阀和二位二通电磁阀。

在每一路预热氧分管上，装有q11f-16tg3/4球阀、re25-hg预热氧减压阀和二位二通电磁阀，在电磁阀的下部配有一旁路，上装有dp5气体调节阀，供调节割枪点火火焰之用。

燃气总管在箱体内根据该箱体控制切割枪的数量分成相应的五路分管。

在每一路燃气分管上，装有q11f-16tg3/4球阀，re4pm-g燃气减压阀和二位二通电磁阀，在电磁阀的下部也配有一旁路，上装有dp5气体调节阀，供调节割枪点火火焰之用。

2.10 技术参数

1切割参数

铸坯规格

120×120mm--250×250mm

铸坯温度

>600℃

切割定尺

>2.5m

切割区最小行程

2400mm

2运动参数

切割机运行速度

11.0m/min(快进、快退)

2.5m/min（慢进、慢退）

割枪运行速度

0—700mm/min（可调）

割枪正常切割速度

300—450mm/min

3结构参数

轨距

800mm

轮距

750mm

辊道面与轨道面高差

1000mm

割枪行程

300mm

切割枪数

每台1把

4能源介质参数

种类

压力(mpa)

耗量(nm³/h)

备注

氧气

?1.0

58（每把枪）

纯度

燃气：

4—6（每把枪）

热值>57458kj/nm³

①乙炔

0.07—0.10

35--40（每把枪）

热值>16800kj/nm³

②焦炉煤气

0.25—0.50

9—11（每把枪）

热值>95900kj/nm³

③高能气

0.05—0.07

3（每台车）

热值>94100kj/nm³

④石油液化气

0.05—0.07

10（每台车）

无油污杂质

压缩空气

0.40—0.60

6（每台车）

工业净化水

冷却水

0.60—0.80

3 电气控制的设计

火焰切割机电气设计要求包括六流火焰切割机的供配电设计，传动设计和控制操作功能设计。

3.1 电气控制工艺要求

3.1.1 控制设备

火机行走传动电机（～380v交流变频控制快慢调速，0.37kw）另带dc24v失电制动器、火切机割枪摆动传动电机（～380v交流变频控制快慢调速，0.25kw）、同步夹紧臂电磁阀、预热氧电磁阀、切割氧电磁阀、燃气电磁阀、小车行程开关（原位、前位、pnp二线制）、切枪限位接近开关（原位、终位、pnp二线制）、夹紧臂原位限位开关（pnp二线制）。

3.1.2 操作控制

（1） 手动位

小车前进：传动电机制动器释放火切机传动电机正转小车前进指示灯亮 碰到小车前位限位 火切机传动电机停转、小车前进指示灯灭。

小车后退：传动电机制动器释放火切机传动电机反转小车后退指示灯亮 碰到小车原位限位 火切机传动电机停转小车后退指示灯灭,小车停止运行。

小车停止：火切机传动电机停止。

切割枪快进（切割速进）：火切机传动电机快速（以切割速度前进，调节操作台上的调速电位器改变切割速度）运转 切割枪快进（切割速进）指示灯亮 碰到割枪终位限位 火切机传动电机停转，切割枪快进（切割速进）指示灯灭。

切割枪停止：火切机传动电机停转，割枪停止运行。

切割枪退回：传动电机反转。

切割枪夹紧：切枪夹紧臂电磁阀得电，切割枪夹紧指示灯亮。

切割枪松开：切枪夹紧臂电磁阀失电，切割枪夹紧指示灯灭。

预热火焰开：预热氧电磁阀得电，燃气电磁阀得电，预热火焰开指示灯亮。

预热火焰关：预热氧电磁阀失电，燃气电磁阀失电，预热关火焰关指示灯亮。

切割火焰开：切割氧电磁阀得电，燃气电磁阀得电，切割火焰开指示灯亮。

切割火焰关：切割氧电磁阀失电，燃气电磁阀失电，切割火焰关指示灯亮。

（2）自动位

定尺装置发出切割指令或手动切割指令 切枪夹紧臂电磁阀得电、切割枪夹紧，预热氧电磁阀得电、燃气电磁阀得电，预热火焰打开 经延时6秒 切割氧电磁阀得电（切割火焰打开，割枪传动电机以切割速度正转（调节操作台上的调速电位器改变切割速度）），切割枪向前运行。碰到割枪终位限位 切枪夹紧电磁阀失电（切割枪松开）割枪传动电机停转、切割氧电磁阀失电、预热氧电磁阀失电、燃气电磁阀失电（切割火焰关闭） 割枪传动电机反转、割枪返回原位 经延时3秒小车传动电机快速反转，小车向后退行 碰到小车原位限位小车传动电机停转、小车停止运行。

3.1.3 电气设计中应注意的问题

（1） 尽量减少电气线路的电源种类。

（2） 尽量减少电气元件的品种、规格、数量。

（3） 合理安排触点位置。

（4） 尽可能减少通电电器的数量。

（5） 正确联接电路的线圈。

（6） 防止出现寄生电路。

（7） 设计控制电路时应考虑各种连锁关系以及电气系统中具有的各种电气保护措施，如过载、短路、欠压零压、限位超程保护等。同时还要考虑信号指示，故障检测及报警等。

3.2 电气传动方式的选择

电气传动形式的选择是电气设计的主要内容之一，也是以后各部分设计内容的基础和先决条件。一个电气传动系统一般由电动机、电源装置及控制装置三部分组成，电源装置和控制装置紧密相关，一般放在一起考虑，三部分各自有多种设备或线路可供选择，设计时应根据生产机械的负载特性、工艺要求及环境条件和工程技术条件选择电气传动方案。它是由工程技术条件来确定的。

在交流电动机能满足生产需要的场合都应采用交流电动机。具体应考虑以下几点。

（1） 需调速的机械，包括长期工作制、短时工作制和重复短时工作制机械，应采用交流电动机。仅在某些操作特别频繁、交流电动机在发热和制动特性不能满足要求时，才考虑直流电动机，只需几级固定速度的机械可采用多速交流电动机。

（2）需要调速的机械，宜采用交流电动机。目前交流调速装置的性能、转矩响应时间与成本已能和直流调速装置竞争，越来越多的直流调速应用领域已采用通用变频器控制。

（3）在环境恶劣场合，例如高温、多尘、多水气、易燃、易爆等场合，宜采用交流电动机。

（4）电动机的结构型式应当适应机械结构的要求，再考虑到现场环境、可选用防护式、封闭式、防腐式、防爆式以及变频器专用电动机等结构型式。

3.2.1 电动机的启动

直接启动

直接起动就是直接加额定电压起动，也叫全压起动。这是一种简单的起动方法，不需要复杂的起动设备，但起动电流大，一般可达额定电流的4～7倍。所以只适用于小容量电动机的起动。

这里所指的“小容量”，不仅取决于电动机本身容量的大小，而且还与供电电源的容量有关。电源容量越大允许直接起动的电动机容量也就越大。电源允许的起动电流倍数可用下面的经验公式估算

ist/in=3/4+电源总容量（kva）/4电动机容量（kw）

式中：ist为电源允许的起动电流；in为电动机定子额定电流。

只有当电动机的起动电流倍数小于或等于电源允许的起动电流倍数时，才允许采用直接起动的方法。

3.2.2 电动机的制动

当电动机定子饶组断电后，由于惯性作用，电动机不能马上停止运转。而很多生产机械，如起吊重物的行车，机床上需要迅速停车、准确定位的机构等，都要求电动机断电后立即停转。这就要求对电动机进行制动，强迫其立即停车。常用的制动方式有机械制动和电气制动。

（1）机械制动

所谓机械制动就是利用机械装置使电动机断电后立即停转。目前使用较多的机械制动装置是电磁抱闸，它的主要工作部分是电磁铁和闸瓦制动器。电磁铁由电磁线圈、静铁心、衔铁组成；闸瓦制动器由闸瓦、闸轮、弹簧、杠杆等组成。其中闸轮与电动机转轴相连，闸瓦对闸轮制动力矩的大小可通过调整弹簧弹力来改变。

采用电磁抱闸制动的优点是通电时制动装置松开，断电时它能起制动作用，适用于要求断电时能进行制动的生产机械和其他机械装置。

（2）电气制动

所谓电气制动，就是电动机需要制动时，通过电路的转换或改变供电条件使其产生与实际运转方向相反的电磁转矩—制动力矩，迫使电动机迅速停止转动的制动方式。

3.2.3 电动机的选择

小车因为对起动制动位置精度要求较高，固选用带有机械制动器的电动机。割枪选用电气制动。

表3-1 交流电动机的电流 计算 公式

分类

额定功率（kw）

估算电流（a）

备注

计算公式

单相电动机

1

8

cosφ以0.75计算

η以0.75计算

三相电动机

1

2

cosφ以0.85计算

η以0.85计算

注：（1）计算公式中，如无功率因数cosφ,效率η的数据时；单像电动机均以0.75计算；三相电动机以0.85计算。

（2）电动机功率如以马力hp表示时，与千瓦kw的折算关系为：1hp=0.746kw。

3.2.4 电动机电流的估算

y802-8：

0.25kw×2=0.5 a

yej7124：

0.37kw×2=0.74a

表3-2电动机参数

型号

额定功率

电压

额定电流

割枪电动机

y802-8

0.25kw

380v

0.5a

小车电动机

yej7124

0.37kw

380v

0.74a

3.3 电动机的调速控制

异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的，在调速中从高速到低速都可以保持较小的转差率，因而消耗转差功率小，效率高。可以认为，变频调速是异步电动机的唯一最为合理的调速方法。随着电力 电子 技术和微机应用的不断 发展 ，能够提供一种合乎异步电动机调速要求的变频电源装置，与结构简单的异步电动机组成调速系统，在调速性能上已能和直流电动机调速系统相媲美。

3.3.1变频调速的基本控制方式

异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为

式中 —同步转速（r/min）

—定子频率（hz）

—磁极对数。

而异步电动机的轴转速为

式中 s—异步电动机的转差率，

改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。

对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；磁通太强，则处于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定子电流的负载分量，为使电动机不过热，负载能力也要下降。异步电动机的气隙磁通（主磁通）是定、转子合成磁动势产生的，下面说明怎样才能使气隙磁通保持恒定。

变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流直接变换成频率、电压均可控制的交流，又称直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，它又称为间接式变频器。

图3.1 变频器示意图

3.3.2 变频器的选择

变频器选择：根据电动机额定电流i，或电动机实际运行中最大电流imax而定，一般令变频器额定电流

≥（1.05～1.1）

或 ≥ (1.05～1.1)

式中 —电流最大有效值

按容量选择，则变频器容量

（kva）

式中 —电动机额定电压，v；

—电动机额定电流，a；

k—安全系数，通常为1.05～1.1

电动机：

y802-8 =0.5a 则 ≥0.55a

=1.1*1.732*380*0.55*

=0.4kva

又1kva=0.8kw 0.4*0.8=0.32kw

yej7124 =0.74a 则 ≥0.814a

=1.1*1.732*380*0.814*

=0.59kva

0.59*0.8=0.472kw

表3-3环境温度40°c时标准额定数据，安装和尺寸

额定电机功率 （kw）

额定输出电流i2（a）

模块选型

模块尺寸及重量（kg）

200-240v，三相50/60hz

0.37

0.55

0.75

1.1

1.5

2.2

2.2

3.0

4.3

5.9

7.0

9.0

acs143-k75-1

acs143-1k1-1

acs143-1k6-1

acs143-2k1-1

acs143-2k7-1

acs143-4k1-1

a/0.8

a/0.8

b/1.1

c/1.5

c/1.5

d/1.8

380-480，三相50/60hz

0.37

0.55

0.75

1.1

1.5

2.2

0.37

0.55

0.75

1.1

1.2

1.7

2.0

2.8

3.6

4.9

1.2

1.7

2.0

2.8

acs143-k75-3

acs143-1k1-3

acs143-1k6-3

acs143-2k1-3

acs143-2k7-3

acs143-4k1-3

acs143-h75-3

acs143-1h1-3

acs143-1h6-3

acs143-2h1-3

a/0.8

a/0.8

b/1.1

b/1.1

c/1.5

d/1.8

h/0.7

h/0.7

h/0.7

h/0.7

由于主电路的电源为工频电源，所以选择380v，三相50/60hz的变频器。

故电动机y802-8取变频器

abb acs143-k75-3 0.37kw 额定输出电流1.2a 模块及重量a/0.8

电动机yej7124 取变频器

abb acs143-1k1-3 0.55kw 额定输出电流1.7a 模块及重量a/0.8

图3.2 宏的设置

3.3.3 变频器的参数设置

表3-4 变频器参数

代码

描述

设置

9902

applic macro（应用宏）

9905

motor nom volt（电机额定电压）

380v

9906

motor nom curr（电机额定电流）

0.5a（割枪）

0.74a（小车）

9908

motor nom speed（电机额定转速）

1440rpm

1105

ext ref1 min（外部给定1低限）

1106

ext pef2 max（外部给定1高限）

50hz

1201

const speed sel（恒速选择）

di 1

1202

const speed 1

1401

relay output 1（继电器输出1）

4

1402

relay output 2继电器输出2

2

3101

nr of trials（复位次数）

5

3102

trial time（复位时间）

5s

3103

delay time（延时时间）

1s

3104

ar overcurrent（ar过流）

1

3105

ar overvoltage（ar过压）

1

3106

ar undervoltage（ar欠压）

1

3107

ar ai<min（ar ai 故障）

1

3.4 电气工艺的确定

小车和割抢冷却水打开（否则电源打开后会自动报警），电源开关开，各置位复位触发器复位，小车制动器得电，自动定尺装置发出切割信号，夹紧臂电磁阀得电，夹紧臂气缸工作，夹紧臂夹紧方坯，火焰切割机随方坯一起前进。预热氧、预热燃气电磁阀开，预热氧、预热燃气管路通，割枪开始预热。预热6秒后，切割氧电磁阀开，切割氧管路通，割枪转为切割火焰。割枪变频器di 1得电，割枪电动机正转。（此时可通过调节操作台上的电位计来调节割枪的切割速度）当割枪碰到割枪前限位时，夹紧臂电磁阀失电，气缸带动夹紧臂回原位，预热氧，预热燃，切割氧电磁阀均失电，各气体管路关闭，同时割枪变频器di1、di2、di3均得电，割枪电动机得电、反转，割枪以设定的恒定速度返回。割枪碰到原位，停3秒，小车变频器di1、di2、di3得电，小车电动机得电、反转，小车以设定的恒速返回，小车碰到原位限位，小车变频器di1、di2、di3失电，小车制动器得电，小车停止在原位，等候下一个切割指令。

另：1.在小车和割枪冷却水没有打开的情况下打开电源，系统会自动报警。

2.为保护火焰切割机，小车设有前限位，当小车碰到前限位时，无论是否切割完毕，夹紧臂电磁阀失电，夹紧臂松开，割枪自动关闭切割火焰返回原位，小车返回原位。

3.各电路均有自动开关保护，当电器电流过载时，自动开关断开，系统失电。

4.各主电路中开关由操作台上按钮连接交流接触器来控制，出现紧急情况，可由人工断开电路。

4 plc的选择

4.1 plc简介

可编程序控制器（plc）是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是近年来发展最迅速应用最广泛的 工业 自动控制装置之一。它以其可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代由大量继电器、时间继电器、记数继电器等组成的传统继电器-接触器控制系统，在机械、化工、电力、轻工等工业控制领域得到广泛应用。

plc的工作方式

plc是采用循环扫描的工作方式来完成控制的，每个扫描周期分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。

1.输入采样阶段

每个扫描周期开始，控制器首先顺序读入所有输入端的信号状态（0或1），并逐一存入状态寄存器中。输入状态寄存器的位数与输入端子数目对应，因而输入状态寄存器又称为输入镜像寄存器。输入采样结束后，即使输入状态变化，输入状态寄存器的内容也不会发生改变，这些变化只能在下一周期的输入采样阶段才被读入。

2.程序执行阶段

组成plc用户程序的每条指令都有顺序号，在plc中称为步序号。程序是按步序号依次存入存储单元。程序执行期间，地址计数器顺序寻址，依次指向每个存储单元，控制器顺序执行这些指令。对指令指定的输入状态寄存器、输出或内部辅助继电器、定时器、计数器、状态器的状态进行逻辑运算，运算结果通过输出指令存入输出状态寄存器。输出状态寄存器的位数与输出元件数目相对应，所以它又称为输出镜像寄存器。

3.输出刷新阶段

在所有的指令执行完毕后，输出状态寄存器中所有的状态，在输出刷新阶段转存到输出锁存器，驱动输出继电器的线圈，形成plc的实际输出。

在一个周期执行完毕后，地址计数器恢复到初始地址，重复执行上述三个阶段的工作。一个扫描周期一般为20～50ms。

4.2 simatic s7-300 plc

s7-300是模块化小型plc系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与s7-200 plc比较，s7-300 plc采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在s7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。simatic人机界面（hmi）从s7-300中取得数据，s7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。s7-300操作系统自动地处理数据的传送；cpu的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；s7-300 plc设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，s7-300 plc可通过编程软件step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。s7-300 plc具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接as-i总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（mpi）集成在cpu中，用于同时连接编程器、pc机、人机界面系统及其他simatic s7/m7/c7等自动化控制系统。

图4.1 plc硬件图

1.电源模块 2.后备电池 3.24v dc 连接器 4.模式开关

5.状态和故障指示灯 6.存储器卡（cpu 313以上）

7.mpi多点接口 8.前连接器 9.前盖