山東大學(xué)實(shí)習(xí)課件

自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概論主講：李現(xiàn)明山東大學(xué)控制學(xué)院自動化系一、自動化專業(yè)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的地位與作用現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)：“大機(jī)器、大工業(yè)”——摘自共產(chǎn)黨宣言現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的主要技術(shù)專業(yè)：能源動力類、工藝類、設(shè)備類、信息與控制類自動化專業(yè)：以自動控制理論為理論基礎(chǔ)，以電工技術(shù)、電子技術(shù)（微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)）、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)為主要技術(shù)手段，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)動控制和過程控制為主要目的。校正裝置：控制器，其算法依靠自動控制理論，其實(shí)現(xiàn)依靠電子技術(shù)、微機(jī)放大裝置：電力電子技術(shù)（形象舉例：打鐵）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：電機(jī)與拖動測量裝置：傳感器給定裝置：取決于工藝，由工藝類專業(yè)給出被控對象：是生產(chǎn)的主體設(shè)備，設(shè)備類專業(yè)給出培養(yǎng)目標(biāo)：自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、使用（含調(diào)試、運(yùn)行、維修）培養(yǎng)方法：技術(shù)基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課給出各個單元的基本知識；專業(yè)課《自動控制系統(tǒng)》以一個典型的控制系統(tǒng)為例，將各個單元綜合在一起；生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)提供幾個典型的自動控制系統(tǒng)，這是他人的設(shè)計(jì)結(jié)果，“它山之石，可以攻玉”；（沒吃過豬肉，先看看豬跑）畢業(yè)設(shè)計(jì)：教師指導(dǎo)下的獨(dú)立設(shè)計(jì)（師傅領(lǐng)進(jìn)門，修行在個人）二、自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1方案設(shè)計(jì)：所定方案要保證系統(tǒng)具有符合要求安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和靜態(tài)、動態(tài)特性。正確選擇被控參數(shù)和施控參數(shù)是關(guān)鍵；2技術(shù)設(shè)計(jì)：含儀表系列選型；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)選型；傳感器選型；執(zhí)行器選型；各種零配件選型；控制室儀表盤及操作臺設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)控制軟件及組態(tài)設(shè)計(jì)；超限報警和連鎖保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；3參數(shù)整定：在設(shè)計(jì)過程中對各控制器的PID參數(shù)做出初步整定（可借助數(shù)字仿真）；投運(yùn)使在現(xiàn)場進(jìn)一步做出整定。三、自動控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)流程1設(shè)計(jì)任務(wù)書是自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、評價的主要依據(jù)。要明確（1）被控對象特征和工藝流程：熟悉被控對象及其工藝流程是設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)的前提。（2）主要工藝參數(shù)及指標(biāo)要求：影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的因素往往很多，要抓主要矛盾?！盃颗Ｒ獱颗１亲印?，應(yīng)該通過控制牛的鼻子去控制一頭牛，而不是牛角、牛尾、牛腳等其他部位。主要控制參數(shù)及其指標(biāo)不同，控制方案也不相同。（3）系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境：溫度、濕度、電磁干擾環(huán)境、粉塵、噪音、電網(wǎng)波動、靜電場等。（4）特殊工藝要求：例如化工生產(chǎn)中的防火、防暴；客梯的故障自鎖；大部分冶金、化工、電力生產(chǎn)的控制系統(tǒng)都要求配置安全熱備系統(tǒng)。（5）系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)：在決定性能指標(biāo)時，要在性能、造價、復(fù)雜度、可靠性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性等諸多因素約束中找到最佳平衡點(diǎn)。2初步設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)方案選擇：諸多約束下的最佳平衡點(diǎn)。（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的確定：（3）主要設(shè)備和裝置的選擇：（4）性能價格比評價：3詳細(xì)設(shè)計(jì)：（1）系統(tǒng)功能塊劃分：合理劃分功能塊，有利于并行設(shè)計(jì)。（2）硬件設(shè)計(jì)：（3）軟件設(shè)計(jì)：（4）輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)：例如保護(hù)系統(tǒng)、熱備系統(tǒng)等。熱備系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)中的“戰(zhàn)略預(yù)備隊(duì)”。（5）系統(tǒng)離線調(diào)試與評價：即實(shí)驗(yàn)室調(diào)試與評價。4現(xiàn)場安裝調(diào)試：（1）系統(tǒng)現(xiàn)場安裝：（2）現(xiàn)場調(diào)試：（3）在線測試：（4）系統(tǒng)最終評價：5資料歸檔（1）設(shè)計(jì)圖紙（2）評價結(jié)果（3）編寫使用說明書（4）設(shè)計(jì)完成確認(rèn)書：由用戶給出三、自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)老體制設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：奠定了一整套常規(guī)儀表自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。組成CD50A2-84:《化工工廠自控設(shè)計(jì)施工圖內(nèi)容深度統(tǒng)一規(guī)定》（原化學(xué)工業(yè)部頒布）HG20506-92:《自控專業(yè)施工圖設(shè)計(jì)內(nèi)容深度規(guī)定》HG/T20573-95:《分散型控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)定》新體制設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：為DCS系統(tǒng)奠定了一整套設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)HG/T20636-20639:《化工裝置自控工程設(shè)計(jì)規(guī)定》（1）HG/T20636：《自控專業(yè)設(shè)計(jì)管理規(guī)定》，包括十項(xiàng)文件自控專業(yè)的職責(zé)范圍；自控專業(yè)與工藝、系統(tǒng)專業(yè)的設(shè)計(jì)條件關(guān)系；自控專業(yè)與管道專業(yè)的設(shè)計(jì)分工；自控專業(yè)與電氣專業(yè)的設(shè)計(jì)分工；自控專業(yè)與電信、機(jī)泵及安全（消防）專業(yè)的設(shè)計(jì)分工；自控專業(yè)工程設(shè)計(jì)的任務(wù)；自控專業(yè)工程設(shè)計(jì)的程序；自控專業(yè)工程設(shè)計(jì)質(zhì)量保證程序；自控專業(yè)工程設(shè)計(jì)文件的校審提要；自控專業(yè)工程設(shè)計(jì)文件的控制程序；（2）HG/T20637：《自控專業(yè)工程設(shè)計(jì)文件的編制規(guī)定》，包括8項(xiàng)文件自控專業(yè)工程設(shè)計(jì)文件的組成和編制；自控專業(yè)工程設(shè)計(jì)用圖形符號和文字代號；儀表設(shè)計(jì)規(guī)定的編制；儀表施工安裝要求的編制；儀表采購單的編制；儀表技術(shù)說明書的編制；儀表安裝材料的統(tǒng)計(jì)；儀表輔助設(shè)備及電纜、管纜的編號；(3)HG/T20638:《自控專業(yè)工程設(shè)計(jì)文件深度的規(guī)定》（4）HG/T20639:《自控專業(yè)工程設(shè)計(jì)用典型圖表及標(biāo)準(zhǔn)目錄》，含3項(xiàng)文件自控專業(yè)工程設(shè)計(jì)用表格；自控專業(yè)工程設(shè)計(jì)用典型條件表；自控專業(yè)工程設(shè)計(jì)用標(biāo)準(zhǔn)目錄；四、自控工程設(shè)計(jì)的分段和內(nèi)容按國際通用設(shè)計(jì)體制，自控工程設(shè)計(jì)分為基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)和詳細(xì)工程設(shè)計(jì)兩個階段。1基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)階段要進(jìn)行以下A、B、C、D四版的設(shè)計(jì)（1）A版：初版。內(nèi)容基礎(chǔ)設(shè)計(jì)說明書和初步設(shè)計(jì)說明書；初步設(shè)計(jì)的儀表清單、控制室平面布置圖、儀表盤正面布置圖、初步詢價說明書；工藝控制流程圖；DCS系統(tǒng)配置圖；初步管道儀表流程圖；設(shè)計(jì)條件說明書；（2）B（內(nèi)部審查版）、C（用戶審查版）、D（確認(rèn)版）內(nèi)容設(shè)計(jì)開工技術(shù)準(zhǔn)備說明書；儀表設(shè)計(jì)規(guī)定；設(shè)計(jì)計(jì)劃；初步管道儀表流程圖的B、C、D版；設(shè)計(jì)條件說明書；分包項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求說明書；工程設(shè)計(jì)文件；2詳細(xì)工程設(shè)計(jì)階段要依次進(jìn)行E(研究版)、F（設(shè)計(jì)版）、G（施工版）設(shè)計(jì)(1)E版內(nèi)容儀表索引儀表數(shù)據(jù)表儀表盤布置圖控制室布置圖DCS系統(tǒng)配置圖（初步）儀表回路圖連鎖系統(tǒng)邏輯圖、時序圖儀表供電系統(tǒng)圖儀表電纜橋架布置總圖DCSI/O表主要儀表技術(shù)說明書DCS技術(shù)規(guī)格書儀表采購單（2）F、E版內(nèi)容若是常規(guī)儀表設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)文件目錄儀表設(shè)計(jì)規(guī)定儀表技術(shù)說明書儀表施工安裝要求儀表索引儀表數(shù)據(jù)表報警連鎖設(shè)定值表電流表管纜表銘牌表儀表拌熱絕熱表儀表空氣分配器表儀表安裝材料表控制室內(nèi)電纜表電纜分配表聯(lián)鎖系統(tǒng)邏輯圖順序控制系統(tǒng)時序圖繼電器聯(lián)鎖原理圖儀表回路圖控制室布置圖儀表盤布置圖閃光報警器燈瓶布置圖半模擬儀表布置圖繼電器箱布置圖端子配線圖半模擬盤配線圖儀表供電系統(tǒng)圖供電箱接線圖儀表穿板接線圖控制室電纜管纜布置圖儀表布置圖儀表電纜橋架布置總圖儀表電纜管纜及橋架布置圖現(xiàn)場儀表配線圖儀表空氣管道配線圖或系統(tǒng)圖儀表接地系統(tǒng)圖儀表安裝圖若使用DCS，則F、G版包括設(shè)計(jì)文件目錄DCSI/O表聯(lián)鎖系統(tǒng)邏輯圖儀表回路圖控制室布置圖端子配線圖儀表接地系統(tǒng)圖DCS監(jiān)控數(shù)據(jù)表DCS系統(tǒng)配置圖端子（安全柵）布置圖工藝流程顯示圖DCS操作組分配表DCS趨勢組分配表DCS生產(chǎn)報表其它必要文件針對所選的具體型號的DCS，在具體的設(shè)計(jì)文件中要包括所有部分的說明書、圖表。五、自控系統(tǒng)的安全規(guī)則自控設(shè)計(jì)和儀表選型中必須考慮有關(guān)防火、防爆、接地、隔離、保溫、拌熱等問題1防爆電器的分類、分級、溫度分組煤礦井下使用的為Ι類防爆電器工廠使用的電器為ΙΙ類防爆電器分類標(biāo)準(zhǔn)中使用了最小點(diǎn)燃電流比指標(biāo)MICR,指各種被測氣體或蒸汽的最小點(diǎn)燃電流與實(shí)驗(yàn)室條件下甲烷的最小點(diǎn)燃電流之比ⅡA級防爆電器,MICR>0.8;ⅡB級防爆電器0.45≦MICR≦0.8;ⅡC級防爆電器MICR<0.45;2防爆電器設(shè)備的類型隔爆型（電器設(shè)備的標(biāo)志為d）將電器設(shè)備的帶電部件放在特制的外殼內(nèi)，該外殼具有將殼內(nèi)電器部件產(chǎn)生的火花和電弧與殼外爆炸性混合物隔離開的作用，并能承受進(jìn)入殼內(nèi)的爆炸性混合物被殼內(nèi)電器設(shè)備的火花、電弧引爆時所產(chǎn)生的爆炸壓力，而外殼不被破壞；同時能防止殼內(nèi)爆炸生成物向殼外爆炸性混合物傳爆，不會引起殼外爆炸性混合物燃燒和爆炸。這種特殊的外殼稱為“隔爆外殼”。具有隔爆外殼的電器設(shè)備稱為“隔爆型電器設(shè)備”。隔爆型電器設(shè)備廣泛用于煤礦井下等不爆炸性環(huán)境工作場所。增安型（電器設(shè)備的標(biāo)志為e）

對于那些在正常條件下不會產(chǎn)生電弧、火花和危險溫度的礦用電器設(shè)備，為了提高其安全程度，在設(shè)備的結(jié)構(gòu)、制造工藝等方面采取一系列措施，從而避免了設(shè)備在運(yùn)行和過載條件下產(chǎn)生火花、電弧和危險溫度，實(shí)現(xiàn)了電器防爆。本安型（電器設(shè)備的標(biāo)志為ia或ib）通過電氣原理限制電器的電流、功率，達(dá)到在正常工作或發(fā)生故障時能夠避免火化、高溫或電弧引爆正壓型充油型充沙型無火花型特殊型逆變焊接電源主講：李現(xiàn)明1電焊機(jī)在我國裝備制造業(yè)中的重要性裝備制造業(yè)是為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供技術(shù)裝備的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，大力振興裝備制造業(yè)是貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、走新型工業(yè)化道路、提高國際競爭力、實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。焊接是一種將材料永久連接，并成為具有給定功能結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。國民經(jīng)濟(jì)的諸多行業(yè)都需要大量高性能、高品質(zhì)的電焊機(jī)。目前，鋼材是最主要的結(jié)構(gòu)材料。鋼材必須經(jīng)過加工才能成為具有給定功能的產(chǎn)品。由于焊接結(jié)構(gòu)具有重量輕、成本低、質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)周期短、效率高，以及市場反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，所以焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日益增多。電焊機(jī)則是保證高質(zhì)量焊接首要的必備條件。我國鋼材總產(chǎn)量達(dá)到2億多T，實(shí)際鋼消耗量是3億1千萬T，幾乎占到全世界鋼材消耗量的1／3，成為世界上最大的鋼材生產(chǎn)國和消費(fèi)國。這為我國電焊機(jī)事業(yè)的發(fā)展提供了很大的空間。長江三峽水利樞紐工程，其水電站的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為10.7m，高5.4m，重達(dá)440t，為世界最大、最重的不銹鋼焊接轉(zhuǎn)輪。三峽水電站的電動機(jī)定子座和蝸殼的結(jié)構(gòu)也是巨大的，其中電動機(jī)定子座直徑為22m，高6m，重832t，是在我國焊接的最大鋼結(jié)構(gòu)機(jī)座；蝸殼進(jìn)水直徑為12.4m，總重量750t，為世界最大、最重的焊接蝸殼。西氣東輸工程的天然氣管線，全長4300km，其中涉及到大量的螺旋管焊接和直縫管焊接。這是我國鋪設(shè)的第一條高強(qiáng)度鋼的長距離管線，并且在鋪設(shè)中大量使用了自動化焊接設(shè)備?！笆澜绲谝还皹颉薄虾１R浦大橋，全長3900m，跨度550m，為世界跨度最大的全焊鋼結(jié)構(gòu)拱橋，用3.4萬T厚度為30-lOOmm的細(xì)晶粒鋼焊接而成。上海的金茂大廈，采用焊接鋼結(jié)構(gòu)框架，共有88層，高420m。我國造船的總噸位從1985年的每年5O萬t，提高到2002年的463萬t，成為世界第三造船大國。這是在造船行業(yè)中大力推廣先進(jìn)、高效焊接設(shè)備的結(jié)果?！吧裰邸陛d人飛船和長征系列運(yùn)載火箭的燃料箱，都是全焊接的鋁合金結(jié)構(gòu)。奧太公司之所以有如此大的成就，原因之一是因?yàn)檫x擇了一個富有發(fā)展?jié)摿Α⒆詣踊瘜I(yè)能夠唱主角的好產(chǎn)品。2電焊機(jī)行業(yè)生產(chǎn)發(fā)展方向

逆變式弧焊機(jī)是一種電力電子技術(shù)與焊接技術(shù)相結(jié)合的高科技產(chǎn)品，具有良好的電氣性能和焊接工藝性能，是目前國際上公認(rèn)的最先進(jìn)的電焊機(jī)。①控制性能優(yōu)異，容易實(shí)現(xiàn)焊機(jī)智能化。②動載好，焊接工藝性優(yōu)良。③重量輕，體積小。④效率高、功率因數(shù)高。⑤引弧性能好，可實(shí)現(xiàn)貧飛濺或無飛濺。⑥焊接速度快。⑦功能多，且轉(zhuǎn)換方便。電焊機(jī)產(chǎn)品將逐步走向數(shù)字化。

數(shù)字化焊接電源可以實(shí)現(xiàn)焊接電壓、電流波形快速檢測并計(jì)算短路過渡特征參數(shù)，進(jìn)行自適應(yīng)最優(yōu)控制，用現(xiàn)代控制理論算法使特征參數(shù)和焊接規(guī)范始終調(diào)節(jié)于最佳范圍內(nèi)，使焊接電弧處于穩(wěn)定、動態(tài)性能最佳的工作狀態(tài)。對短路過渡電流波形的上升時間、燃弧時間，下降時間及各時段的電流峰值進(jìn)行精確控制，以達(dá)到進(jìn)一步減小焊接飛濺、改善焊接性能及焊接質(zhì)量的目的。

數(shù)字化焊接電源實(shí)現(xiàn)了柔性化控制和多功能集成，具有控制精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、產(chǎn)品一致性好、功能升級方便等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字化焊接電源的不斷發(fā)展將推動整體焊接技術(shù)的進(jìn)步，將促使焊接技術(shù)向著焊接工藝高效化、焊接質(zhì)量控制智能化、焊接生產(chǎn)過程機(jī)器人化的方向發(fā)展。

3ZX7系列逆變式直流弧焊機(jī)原理

4．1逆變器及逆變式弧焊電源逆變式弧焊電源，又稱弧焊逆變器。一般是將三相工頻(50Hz)交流網(wǎng)路電壓，先經(jīng)輸入整流器整流和濾波變成直流，再通過大功率開關(guān)電子元件(晶閘管SCR、晶體管GTR、場效應(yīng)管MOSFET或IGBT)的交替開關(guān)作用，將整流后的直流逆變成幾kHz——幾十kHz的中頻交流電壓，并經(jīng)變壓器降至適合于焊接的幾十伏電壓，然后再次整流并經(jīng)電抗濾波輸出相當(dāng)平穩(wěn)的直流焊接電流。

為什么要采用上述這種方式呢?這是因?yàn)槿绻苯佑媚孀兘祲汉蟮慕涣麟娺M(jìn)行焊接，由于其頻率高，則感抗大，導(dǎo)致焊接回路中有功功率大大降低。因此，還需再次進(jìn)行整流。4．2逆變焊接電源的基本組成弧焊逆變器的基本特點(diǎn)是工作頻率高，由此而帶來很多優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)樽儔浩?，無論是一次繞組還是二次繞組，其電勢E與電流的頻率、磁通密度B、鐵心截面積S及繞組的匝數(shù)N如下關(guān)系：E=4.44fBSN而繞組的端電壓近似等于E，當(dāng)U,B確定后，若提高f，則S減小，N減少，因此，變壓器的質(zhì)量和體積就可以大大減少。這樣，就能使整機(jī)的質(zhì)量和體積顯著減小。不僅如此，還因?yàn)轭l率的提高及其他因素而帶來了許多優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)弧焊電源比較，其主要特點(diǎn)如下a．體積小、質(zhì)量輕，節(jié)省材料，移動、攜帶方便。b．高效節(jié)能，效率可達(dá)80％-90％，比傳統(tǒng)焊機(jī)節(jié)電1／3以上。c．動特性好，引弧容易，電弧穩(wěn)定，焊縫成形美觀，飛濺小。d．焊接參數(shù)自動調(diào)節(jié)控制方便，很適合作為自動焊接電源。e．可一機(jī)多用。4.3IGBT逆變式弧焊機(jī)4．5．1IGBT特性及其逆變器電路原理4．5．1．1IGBT特性IGBT是絕緣柵雙極晶體管的代號。它是將MOSFET和GTR集成在一個芯片上的復(fù)合器件。功率MOSFIT是單極型電壓驅(qū)動器件。它具有工作速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好以及驅(qū)動電路簡單等特點(diǎn)，但它導(dǎo)通電阻較大，電流容量也較低，而GTR是雙極型電流驅(qū)動器件，其阻斷電壓高，載流能力強(qiáng)，但工作速度較慢，驅(qū)動電流大、控制電路較復(fù)雜。這兩類器件的缺點(diǎn)限制了它們的發(fā)展。目前出現(xiàn)許多新型復(fù)合器件，這些新型電力電子復(fù)合器件集合了單極型和雙極型器件各自的優(yōu)點(diǎn)。IGBT發(fā)展較快，這種復(fù)合器件屬于晶體管類，它既可作為開關(guān)用，也可作為放大器件使用。由于它綜合了MOSFET和GTR兩者的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性，很適合作焊接電源的逆變器開關(guān)用。我國已經(jīng)開發(fā)出100-630A各種規(guī)格IGBT逆變弧焊電源。IGBT與MOSFET比較有如下不同點(diǎn)：a．IGBT單管或模塊容量比較大。耐壓1200V，最大容量可達(dá)600A，而M0SFET耐壓1000V，最大容量只有3OA左右?；『改孀兤鞑槐夭捎枚喙躀GBT并聯(lián)。b．IGBT飽和壓降比較低，有利于減少管子功率損耗。例如BSM—GB系列的IGBT，各種規(guī)格的飽和壓降均為2.8V，而MOSFET由于通道電阻比較大，飽和壓降一般在3-4V以上，導(dǎo)通管子功率損耗較大。IGBT的通態(tài)電壓和GTR相同，與偏置電壓有關(guān)。但在大電流區(qū)域內(nèi)，由于電導(dǎo)調(diào)制作用，IGBT比M0SFET的通態(tài)電壓低。c．MOSFET的通態(tài)溫度系數(shù)為正。隨著電流增加和溫度上升，其通道電阻增加。這一特性對管組的并聯(lián)非常有利，即并聯(lián)工作管子中，哪一個溫度高，通道電阻也增大，使其所通過的電流相對減小。而GTR則相反．由于它的通態(tài)溫度系數(shù)為負(fù)，并聯(lián)工作的管組中，哪一個管子溫度上升，通道電阻變小，使其所通過的電流增加。如此演變下去，就可能導(dǎo)致該管子由于電流、溫度的不斷增加而燒壞。IGBT又是另一種特性，在小電流區(qū)域內(nèi)通態(tài)溫度系數(shù)為負(fù)值，在大電流區(qū)域內(nèi)為正值，即當(dāng)電流增大到一定值之后溫度系數(shù)由負(fù)變正，對管子并聯(lián)工作有利。d．開關(guān)損耗特性。IGBT的開關(guān)損耗比GTR小，一般約為其1／5-1／3，但比MOSFET大，這與開關(guān)時間快慢有關(guān)。e．高頻特性。MOSFET可工作在30kHz以上，IGBT工作在10-30kHz，GTR工作在25kHz以下。IGBT作為焊接電源逆變器開關(guān)器件有如下優(yōu)點(diǎn)。a.電壓驅(qū)動，驅(qū)動功率小，輸入阻抗高。b．高的開關(guān)速度，一般開關(guān)時間是同規(guī)格GTR的1／10，一般GTR工作頻率在5kHz以下，MOSFET為30kHz以下，IGBT在10-30kHz。c．開通損耗小，飽和壓降降低，開關(guān)損耗約為雙極晶體管的1／3左右，IGBT的飽和壓降較低，標(biāo)準(zhǔn)飽和壓降為3V，與相同規(guī)格的MOSFET相比，通態(tài)電阻至少小10倍，通態(tài)壓降減少10倍，通態(tài)損耗大大減小。在額定條件下，飽和壓降與溫度關(guān)系為1.4倍/100℃，而MOSFET約為2倍／100℃。d．安全工作區(qū)寬。IGBT與MOSFET相同，沒有二次擊穿現(xiàn)象，高壓安全工作區(qū)比雙極晶體管寬。e.電流密度高，載流容量大，電流密度為同規(guī)格雙極晶體管的1.5倍，載流容量為MOSFET的5-10倍。但I(xiàn)GBT使用時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：a．由于極高的輸入阻抗，對靜電放電敏感，使用時應(yīng)盡量防止感應(yīng)電荷的存在。b．為了防止誤動作，門極應(yīng)加5V或更大反向偏置電壓。e．為了避免發(fā)生擎住現(xiàn)象，設(shè)計(jì)電路時應(yīng)保證IGBT中的最大集電極電流不超過ICM，或用加大門極電阻的辦法延長IGBT的關(guān)斷時間。4.5.1.2IGBT逆變器電路原理三相380V交流電壓經(jīng)全橋整流濾波后，送到IGBT全橋式逆變開關(guān)，逆變產(chǎn)生的高頻(20kHz)交流電壓經(jīng)二次側(cè)帶有中間抽頭的功率高頻變壓器降壓，以及整流濾波后送到電弧負(fù)載。焊接電壓、電流的調(diào)節(jié)和外特性形狀的控制，采用脈寬調(diào)制(PWM)，電流反饋信號借助萊姆(LEM)電流傳感器獲得。采用全橋式的目的，在于使開關(guān)管承受同樣的耐壓和電流情況下逆變器有更大的功率輸出。VD1-VD4與IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4反向并聯(lián)，承受負(fù)載產(chǎn)生的反向電流以保護(hù)開關(guān)管。4個緩沖(吸收)環(huán)節(jié)的引入是為了避免4個開關(guān)管在關(guān)斷時過高的電壓上升速度和減少管子的關(guān)斷損耗。在此電路中，橋式對邊上的2只IGBT如IGBT1、IGBT4或IGBT2、IGBT3是同時導(dǎo)通和關(guān)斷的，對邊上的2對開關(guān)管交替通斷，相位差為180。當(dāng)激勵脈沖信號輪流驅(qū)動IGBT1、IGBT4、IGBT2、IGBT3時，逆變主電路把直流高壓約540V轉(zhuǎn)換為20kHz的高頻交流電壓送到高頻變壓器，經(jīng)降壓整流濾波輸出。由于IGBT的單管(特別是模塊)控制電流能力強(qiáng)(最大可達(dá)600A)，因此電路的每一開關(guān)臂僅用單只IGBT，簡化主電路和驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)。也就是說，驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)只需考慮能激勵單只MOSFET所需功率就行。借助PWM調(diào)制和只取電流負(fù)反饋，便可獲恒電流特性，如圖所示。曲線1為恒流特性，曲線2為電弧負(fù)載特性。在某只IGBT的電壓和電流波形，如圖示。直流弧焊逆變器電流反饋信號的采樣方式有多種：在交流側(cè)接交流互感器；在直流側(cè)接無感電阻多種：在交流側(cè)接交流互感器；在直流側(cè)接無感電阻或直流互感器。它們各自有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。而PWM控制的直流弧焊逆變器多是采用電流表配用的分流器不是無感電阻，得到的反饋信號為毫伏級(小于75mv)，信噪比小。這種取樣方式在控制電路與輸出主電路之間有公共點(diǎn)，以致干擾增加，一般需要通過光電耦合器來隔離電的直接聯(lián)系，提高反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本例采用萊姆(LEM)電流傳感器對焊接電流采樣，實(shí)現(xiàn)了與輸出主電路完全隔離，動態(tài)反快，采樣電流與輸出電流線性好的反饋控制。 中厚板生產(chǎn)自動化主講：李現(xiàn)明1概述1濟(jì)鋼中厚板廠，一期工程設(shè)計(jì)年產(chǎn)量4O萬t，1998年2月投產(chǎn)；二期工程設(shè)計(jì)年產(chǎn)8O萬t，現(xiàn)已竣工達(dá)產(chǎn)；三期工程設(shè)計(jì)年產(chǎn)l15萬t。2002年生產(chǎn)鋼板95萬t。濟(jì)鋼中厚板廠現(xiàn)有職工510人，青工占7O％以上，工程師以上職稱42人。2工藝流程原料——加熱——高壓水粗除鱗——四輥粗軋機(jī)軋制——四輥精軋機(jī)軋制——軋后快冷——矯直——冷床冷卻——翻板——剪切——成品檢查標(biāo)識——入庫3主要設(shè)備1)加熱爐：兩座扼流連續(xù)推鋼加熱爐，一座步進(jìn)梁式蓄熱式加熱爐，加熱能力340t／h。2)四輥可逆粗軋機(jī)：工作輥尺寸直徑800～725×3200mm，支承輥尺寸1400～1315×2950mm，最大軋制力30000kN。3)四輥精軋機(jī)：3500mm四輥可逆式精軋機(jī)，配備有液壓AGC、液壓彎輥裝置，機(jī)后配備γ射線自動測厚儀，可實(shí)現(xiàn)全過程自動軋鋼。軋輥尺寸1030-930×3500mm，支承輥尺寸2100～1880×3400mm，最大軋制力70000kN，軋機(jī)凈壓靠剛性1000kN／mm。4)控冷裝置：采用高密集管層流冷卻，水冷區(qū)的長度1600mm、寬度1500～3350mm，冷卻速度為2～32C／s。5)矯直機(jī)四重式九輥熱矯直機(jī)：矯直鋼板厚度8-60mm，最大矯直力6300kN。四重式強(qiáng)力型十一輥熱矯直機(jī)，矯直鋼板厚度6～100mm，矯直鋼板強(qiáng)度490N／mm。最大開口度為300mm，矯直精度為1.5mm／m。6)雙邊剪：三軸傳動滾切式雙邊剪，最大剪切力為2×7000kN，剪切厚度6～50mm。7)在線超聲波探傷：采用三次通過檢測法，檢測鋼板厚度6～100mm，寬度1500～3350mm。4主要產(chǎn)品

常規(guī)產(chǎn)品規(guī)格：厚度8～100mm，最大寬度3350mm。主要品種有：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼；耐候板；汽車大梁板；橋梁板；模具鋼板；十幾個品種通過了中、英、法、挪威、德、日本、韓國、意大利、美等九國船級社的認(rèn)證。5中厚板生產(chǎn)自動化5.1概述全球中厚板生產(chǎn)技術(shù)的奮進(jìn)目標(biāo)是“一高一低”，一高是高質(zhì)量、一低是低成本，兩者互相關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)代化中厚板生產(chǎn)要求連續(xù)化、批量生產(chǎn)管理的科學(xué)化，質(zhì)量指標(biāo)嚴(yán)格控制。生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息及時得到反饋，廢次品迅速有效地遏制，工序與工序、設(shè)備與設(shè)備、各自動化之間緊密聯(lián)結(jié)，某些操作人工難以勝任。中厚板生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動化，不僅僅是省幾個人，而是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高、低耗、安全生產(chǎn)的有力保證。

中厚板軋機(jī)自動化始于1964年，由于中厚板軋制工藝的特殊性，訂貨產(chǎn)品規(guī)格的繁雜、質(zhì)量指標(biāo)的千差萬別，中厚板軋機(jī)的自動化進(jìn)程要比熱帶軋機(jī)晚10年之多。中厚板生產(chǎn)要實(shí)現(xiàn)全面自動化尚需有一段艱苦的里程。目前，全球中厚板生產(chǎn)自動化系統(tǒng)控制比較完善的首推日本川崎水島廠5490mm單機(jī)架軋機(jī)，國內(nèi)以寶鋼5000mm雙機(jī)架軋機(jī)自動化水平最高。全球大部分現(xiàn)代化厚板軋機(jī)都實(shí)現(xiàn)四級自動化，軋機(jī)只設(shè)一人操縱或監(jiān)視，操作臺已取消一半，實(shí)現(xiàn)自動化控制或遙控方式；一些吊車已改為地面操作，視線好又無需人員指揮。因此，車間定員大為縮減。5.2中厚板生產(chǎn)自動化的特點(diǎn)1橫軋是中厚板軋機(jī)生產(chǎn)技術(shù)的特點(diǎn)之一，橫軋的目的，一是展寬，當(dāng)原料寬度不足于板寬時，采用展寬方式以達(dá)到板寬的要求；二是減少鋼板縱橫向性能差。這種特殊的軋制方式，促使軋機(jī)遲遲未能走向自動化，直至今中厚板軋機(jī)自動化過程中橫軋仍然是一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。2中厚板軋制通常在一個機(jī)架或兩個機(jī)架上實(shí)行多道次往復(fù)軋制，原料除板坯以外，有時尚用大小鋼錠、鍛制坯與二次坯，規(guī)格非常繁雜，成品板規(guī)格和鋼號也很多，即使原料尺寸與成品尺寸相近，但由于鋼種的不同，軋制規(guī)程仍有很大的差異，給軋機(jī)自動化帶來一定難度。3板型控制除橫向與縱向以外，尚有平面板型的控制，再加上立輥軋邊，更增加軋機(jī)自動化的難度。4控軋控冷是中厚板軋機(jī)的一項(xiàng)特長，因中厚板軋機(jī)具有隨意變換道次和軋制溫度的靈活性，并采取一些待溫等軋的有效措施，有目的地控制道次壓下率與等軋終軋溫度，使軋機(jī)自動化添加了許多不穩(wěn)定的因素。5雖然采用控軋控冷技術(shù)，使線外熱處理量明顯減少，但中厚板線外熱處理仍然是一項(xiàng)必不可少的繁重工序。熱處理種類有正火、回火、淬火、退火、調(diào)質(zhì)(淬火+回火，正火+回火)及緩冷等方式，而爐型有連續(xù)式和間歇式之分，非常繁多。由于中厚板熱處理量大，占用車間面積廣，工序周期長，連續(xù)性差，要實(shí)現(xiàn)自動化自然會受到一定的影響。6流程路線多，而且有交叉、逆流及復(fù)重處理的線路。從板厚分，厚50mm以下經(jīng)剪切線，厚50mm以上送往火焰切割線；從熱處理分，需熱處理板送往熱處理跨，而非熱處理板經(jīng)剪切后可直接送往成品庫。平直度不合格的板應(yīng)送往冷矯直線補(bǔ)矯。管線板要求超聲波探傷后交貨時需經(jīng)管線板超聲波探傷檢查。一些特殊性能板需移至地上進(jìn)行全面探傷，這些鋼板探傷目前都靠人工進(jìn)行。一些低溫用板要求去磁時需送往去磁線逐塊進(jìn)行去磁。這些流程要實(shí)現(xiàn)自動化比較困難，國外至今也都未走向自動化。7對中厚板外表與內(nèi)在質(zhì)量的要求都在逐年提高，僅靠人工操作已感困難，且很不穩(wěn)定，因此，必需依賴電腦控制。8中厚板是小批量多品種生產(chǎn)，大量產(chǎn)品信息跟蹤與反饋只靠人工，往往有些疏漏，也需要有電腦協(xié)助管理。9中厚板檢測與檢驗(yàn)工作量很大，有些鋼板需逐塊取樣，而且要求把檢測信息及時采集與反饋，檢驗(yàn)取樣與試驗(yàn)結(jié)果也要求及時傳遞到發(fā)貨部門，以便迅速發(fā)貨給用戶。這些工作只有電腦聯(lián)網(wǎng)方能解決。10

中厚板厚度達(dá)500mm，寬度達(dá)5350mm，重達(dá)250t。產(chǎn)品特殊且很重要，除矩形板以外，還有園形、錐形、梯形、異厚、異寬、帶肋及防撓等鋼板。品種除船、管線、橋梁、鍋爐、容器、儲罐、海上平臺、建筑及機(jī)器結(jié)構(gòu)等用板以外，還有艦艇、戰(zhàn)車、坦克裝甲、導(dǎo)彈及衛(wèi)星等重要用板，不但性能要求特殊，而且檢驗(yàn)項(xiàng)目很嚴(yán)格，取樣量大，要求每塊板取樣，也必需依靠電腦來管理才能勝任。5.3中厚板生產(chǎn)自動化應(yīng)具備的條件

1應(yīng)有先進(jìn)的中厚板生產(chǎn)工藝，加熱爐裝料至成品板收集堆垛工序之間用輥道與移送機(jī)卸接，組合成一條連續(xù)化生產(chǎn)線。2軋機(jī)應(yīng)具有較大的剛度，軋制參數(shù)穩(wěn)定且變動小，并具備有多道次軋制和展寬軋鋼對正等電氣化機(jī)械化傳動設(shè)備。3整條軋制線應(yīng)配備有性能高而穩(wěn)定的計(jì)量、檢測、分析及控制等儀表裝置或元件。計(jì)量有計(jì)數(shù)、稱量及流量等裝置；檢測有測溫、測壓、測速、測厚、測寬、測長、測位、測時、測板型、測平直度、測鐮刀彎、測內(nèi)在與表面缺陷等儀器；分析有爐氣、酸液、水質(zhì)等成分的確定；控制有各類邏輯、程序、計(jì)算機(jī)實(shí)時或分時控制等，并配有電控、熱工儀表控制及液壓控制等系統(tǒng)。4有可靠的軟件技術(shù)，有一整套實(shí)用的數(shù)據(jù)。5擁有一大批自動化高層人才來掌握與這些先進(jìn)的自動化裝備。6配備先進(jìn)的三電系統(tǒng)，三電指配電、傳動與自動化、儀表與電訊。三電是保證自動化系統(tǒng)與控制、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、多品種、省時、節(jié)省勞力及安全穩(wěn)定生產(chǎn)的必要務(wù)件。三電系統(tǒng)關(guān)系緊密，互相滲透，且有其獨(dú)特性，缺一不可。而三電必須包括有主機(jī)、輔助附屬等設(shè)備與設(shè)施的電力傳動、供配電、儀表、電訊及四級自動化控制系統(tǒng)。5.4中厚板生產(chǎn)自動化控制功能

中厚板生產(chǎn)自動化系統(tǒng)按控制功能分為基礎(chǔ)自動化(BA)，稱為零級(L0)；過程控制計(jì)算機(jī)(SCC)稱為一級(L1)；生產(chǎn)控制計(jì)算機(jī)(PCd)，稱為二級(L2)；管理系統(tǒng)(M2)，稱為三級(L3)，也有稱一級、二級、三級、四級的，即L1、L2、L3、L4。不管級別怎么稱呼，功能都一樣。每級自成為一個有機(jī)的整體，但四級間關(guān)系密切，互相聯(lián)絡(luò)，信息共享。自動化級別愈多，自動化程度愈高，調(diào)試也越復(fù)雜，要求技術(shù)水平也越高。5.4.1基礎(chǔ)自動化

指單機(jī)設(shè)備及其輔助設(shè)備的自動化連鎖控制，必要時也可切換到手動操作，是各級自動化的基礎(chǔ)，直接監(jiān)視每臺設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并單獨(dú)配置l臺或多臺計(jì)算機(jī)。中厚板軋機(jī)多數(shù)設(shè)備均已實(shí)現(xiàn)了自動化。如軋機(jī)基礎(chǔ)自動化是接受過程自動化計(jì)算機(jī)下達(dá)的軋制程序指令，按軋制道次與道次壓下量來實(shí)現(xiàn)AIC與AGC，按軋件尺寸，控制主電動機(jī)轉(zhuǎn)速；按寬度與延伸軋制的要求來控制推床開口度，旋轉(zhuǎn)輥道轉(zhuǎn)鋼或非轉(zhuǎn)鋼軋制；依據(jù)軋制狀況來調(diào)整板型控制裝置的各種手段，以取得最佳的板形?；A(chǔ)自動化一般包括運(yùn)轉(zhuǎn)控制子系統(tǒng)、傳送子系統(tǒng)、硬件設(shè)備及測量等。該項(xiàng)計(jì)算機(jī)一般應(yīng)由設(shè)備制造方提供硬件和軟件。5.4.2過程控制計(jì)算機(jī)用于從原料上料至打印噴字各個生產(chǎn)過程的監(jiān)視與控制，并進(jìn)行實(shí)時處理。該控制結(jié)合具體生產(chǎn)任務(wù)，將基礎(chǔ)自動化單項(xiàng)設(shè)備及其前后輔助設(shè)備，一部分生產(chǎn)過程或全廠生產(chǎn)過程進(jìn)行連鎖、跟蹤、并進(jìn)行實(shí)時處理。并根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的要求，及時為某項(xiàng)設(shè)備編制出一套過程機(jī)的程序軟件。過程控制一般包括工藝閉環(huán)系統(tǒng)，鋼板厚度、凸度、平面板型及溫度控制環(huán)、預(yù)設(shè)程序，低級跟蹤、記憶操作數(shù)據(jù)存儲、人機(jī)信息、警報事件邏輯與指示打印系統(tǒng)，測量數(shù)據(jù)收集、短期質(zhì)量保證、中期質(zhì)量保證與發(fā)展系統(tǒng)等。5.4.3生產(chǎn)控制計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)全廠生產(chǎn)計(jì)劃安排、指令發(fā)放、中間庫與成品堆存、所有操作臺生產(chǎn)調(diào)、進(jìn)行生產(chǎn)分析、編制生產(chǎn)報表、軋輥、工具及備品備件管理、鋼板檢驗(yàn)等。生產(chǎn)控制一般包括軋機(jī)調(diào)整系統(tǒng)和設(shè)備匹配支撐系統(tǒng)。前者有自動自適應(yīng)過程模型、高級跟蹤、生產(chǎn)機(jī)器邏輯、過程分析、長期質(zhì)量保證及離線模擬等，而后者有生產(chǎn)計(jì)劃與程序、產(chǎn)品跟蹤、訂單控制及數(shù)據(jù)選擇分析等。5.4.4管理系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)全廠生產(chǎn)計(jì)算機(jī)管理，是現(xiàn)代化中厚板廠自動化不可或缺的重要組成部分。管理系統(tǒng)一般包括接受訂單，合同分解組合與執(zhí)行，原料、產(chǎn)品、質(zhì)量及生產(chǎn)計(jì)劃等設(shè)計(jì)；產(chǎn)量、質(zhì)量、檢驗(yàn)、成本、財務(wù)、設(shè)備狀況、合同、發(fā)貨計(jì)劃及生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等管理，生產(chǎn)實(shí)績采集、物流跟蹤、質(zhì)量判定、全廠生產(chǎn)協(xié)調(diào)、通訊交流及周邊廠聯(lián)絡(luò)。5.5中厚板生產(chǎn)四級自動化控制功能范圍基礎(chǔ)自動化1)控制目標(biāo)：單設(shè)備自動化，直接監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)(2)控制項(xiàng)目：加熱爐、除鱗箱、輥軋機(jī)軋機(jī)、精軋機(jī)、快冷裝置、熱矯直機(jī)、冷床、超聲波探傷裝置、切頭剪、雙邊剪、定尺剪、廢邊收集裝置、標(biāo)記裝置、冷矯直機(jī)、?；癄t、淬火爐、輥式淬火機(jī)、拋丸涂漆線等。各臺設(shè)備又可細(xì)分若干項(xiàng)目，同時設(shè)有各自的計(jì)算機(jī)，另有設(shè)備故障診斷。(3)控制范圍：每臺設(shè)備PLC／DCS控制，并設(shè)監(jiān)視系統(tǒng)。(4)系統(tǒng)分析內(nèi)容：程序位置、速度、溫度、熱工、尺寸等控制與采集。(5)系統(tǒng)功能：信號采集、材料性能、板坯稱重、測長、定位，順序、位置、高壓水除鱗、軋制速度主令，寬度、厚度、板型、快冷、矯直、冷卻、剪切，標(biāo)記、熱處理、設(shè)備監(jiān)視、MMI、介質(zhì)系統(tǒng)等。（6)硬件系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為分段總線式，用現(xiàn)場總線或直接連接遠(yuǎn)程I／O進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)采集，字式傳動裝置通過專用的傳動總線與BA主系統(tǒng)相連，設(shè)置設(shè)備監(jiān)視系統(tǒng)。過程控制計(jì)算機(jī)過程控制計(jì)算機(jī)(SCC)，1級(L1)或2級(L2)，用于工序監(jiān)視。．(1)控制目標(biāo)：結(jié)合具體生產(chǎn)任務(wù)，將BA單項(xiàng)設(shè)備或其前后輔助設(shè)備、一段生產(chǎn)流程或全廠生產(chǎn)過程進(jìn)行控制與跟蹤，并實(shí)時處理。(2)控制項(xiàng)目：坯料跟蹤、加熱爐裝出爐控制、軋機(jī)軋制程序、AGC、APC、板型控制、CR、TM—CP、ACC、AWC、同步軋制、自動換輥、熱矯輥形控制、剪刃間隙調(diào)整、換剪刃、畫線機(jī)控制。(3)控制范圍：原料上料至打印噴字、收集等全過程監(jiān)視與控制、實(shí)時處理。(4)系統(tǒng)分析內(nèi)容：跟蹤加工參數(shù)、質(zhì)量等。(5)系統(tǒng)功能：材料跟蹤、板坯核對、加熱控制、軋制節(jié)奏、設(shè)定計(jì)算、平面板型、凸度、平直度、寬度、調(diào)溫、冷卻、質(zhì)量分類、熱矯、設(shè)定計(jì)算、剪切、劃線、噴字、打印、模擬軋制、板流向、熱處理、冷矯、數(shù)據(jù)采集、操作指導(dǎo)、畫面報表、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)學(xué)模型、自適應(yīng)控制。(6)硬件系統(tǒng)：采用多處理器連接磁盤，用鏡像盤或陳列盤，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星形網(wǎng)。生產(chǎn)控制計(jì)算機(jī)生產(chǎn)控制計(jì)算機(jī)(PCC)，2級(L2)或3級(L)