基于PLC控制的鋁錠冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

王莉靜

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 三門峽 472000）

一、引言

隨著工業(yè)4.0時代的到來，我國的工業(yè)化水平進(jìn)入了革新發(fā)展的快車道。有色金屬加工行業(yè)伴隨著中國制造2025的提出迎來了新的機遇和的挑戰(zhàn)，特別是鋁生產(chǎn)和鋁加工行業(yè)，因為其應(yīng)用的廣泛性，很多企業(yè)在生產(chǎn)流程、生產(chǎn)工藝和節(jié)省損耗、降低成本等方面進(jìn)行了深入的研究。工業(yè)上常用的鋁錠，也稱之為“重熔用鋁錠”，大都通過鋁錠鑄造機來完成生產(chǎn)，鋁錠鑄造機是用于通過大型混合爐及流槽將熔融電解鋁液鑄造成為規(guī)定重量熔用的普通鋁錠設(shè)備[1]。

鋁錠鑄造工藝是將高溫熔融的鋁液注入模具中，待冷卻成鑄坯件取出后得到，注入過程是產(chǎn)品好壞的關(guān)鍵步驟。鑄造過程也即為由液態(tài)結(jié)晶成固態(tài)鋁的物理過程，具體是鋁液經(jīng)流槽流入鑄模中，流滿一模后，將流槽移向下一個鑄模，鑄造機是連續(xù)前進(jìn)的。鑄模依次前進(jìn)，鋁液逐漸冷卻，到達(dá)鑄造機中部時鋁液已經(jīng)凝固成鋁錠，開始進(jìn)行鋁錠脫模，緊接著鋁錠進(jìn)入噴水冷卻系統(tǒng)。因為高溫鋁液經(jīng)過鑄造機凝固后，物理狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生改變，但鋁錠表面溫度仍然很高，達(dá)到500℃左右，此時溫度條件將會制約鋁錠計量、打碼和后續(xù)的碼垛等工藝。所以，在鋁錠鑄造機上設(shè)置噴水冷卻系統(tǒng)就非常有必要了，通常情況下在鋁錠鑄造機開動轉(zhuǎn)滿一圈后冷卻系統(tǒng)開始給水，每噸鋁液大約消耗8t——10t水，夏季還需附吹風(fēng)進(jìn)行表面冷卻。

二、鋁錠冷卻系統(tǒng)的任務(wù)與要求

（一）鋁錠脫模后，冷卻系統(tǒng)能夠及時接收到控制系統(tǒng)信號，按照控制指令要求精確動作，冷卻介質(zhì)噴淋，按照預(yù)定的運行速度6m/min完成冷卻。

（二）冷卻介質(zhì)及噴淋位置、噴水量應(yīng)能夠按照200m3/h的冷卻

水流量標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)快速冷卻的目標(biāo)。由于鋁液在凝固過程中，凝固時間和條件不盡相同，化學(xué)成分也有所差異，所以綜合考慮技術(shù)簡單和降低成本等要素，冷卻系統(tǒng)選用水介質(zhì)；同時，冷卻系統(tǒng)可以將水槽設(shè)計和噴淋方法結(jié)合起來，脫模鋁錠在鏈條導(dǎo)軌輸送過程中，鋁錠下半部分（包含鏈條）浸入水中前進(jìn)輸送，上側(cè)由冷卻系統(tǒng)控制進(jìn)行適時噴淋，達(dá)到冷卻目的。

（三）冷卻過程要注意冷卻速度和鋁錠運行的平穩(wěn)性，降低鋁錠缺陷，如氣孔、夾渣、波紋和飛邊、裂紋等問題的出現(xiàn)。

三、鋁錠冷卻系統(tǒng)的方案設(shè)計

（一）總體要求

從功能上講，當(dāng)液態(tài)鋁經(jīng)過鑄模、凝固完成狀態(tài)改變后，然后脫模，進(jìn)入到鋁錠冷卻系統(tǒng)。此時，鋁錠冷卻系統(tǒng)檢測到鋁錠的行走位置，給出信號，冷卻系統(tǒng)開始工作。具體為每3s一塊鋁錠脫模，進(jìn)入冷卻系統(tǒng)，到達(dá)傳動鏈條導(dǎo)軌上，每兩塊鋁錠之間距離保持在200mm，連續(xù)前進(jìn)，在鋁錠輸送的同時，噴淋系統(tǒng)按照200m3/h的冷卻水流量標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)進(jìn)行噴淋，達(dá)到冷卻目的。在性能上要求鋁錠冷卻系統(tǒng)工作平穩(wěn)，輸送鏈條及導(dǎo)軌機械結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，與現(xiàn)有生產(chǎn)線的其他設(shè)備能協(xié)調(diào)工作；同時，還要求系統(tǒng)軟硬件兼容性好，操作方便，安全可靠。

（二）總體方案概述

本文所設(shè)計的基于PLC控制的鋁錠冷卻系統(tǒng)是以在線自動檢測、鏈條導(dǎo)軌自動傳輸、自動噴淋冷卻和計算機技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)，本系統(tǒng)包括傳送鏈條機構(gòu)、PLC控制系統(tǒng)、利用TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計、HMI人機對話界面組成[2]。

本系統(tǒng)對完成脫模的單塊鋁錠順次連續(xù)進(jìn)行冷卻，當(dāng)鋁錠完成脫模后進(jìn)入到冷卻工藝，冷卻控制系統(tǒng)傳感器檢測到需要冷卻的鋁錠，則PLC控制系統(tǒng)給出信號，鋁錠進(jìn)入到鏈條導(dǎo)軌上方，在輸送機上連續(xù)前進(jìn)，鏈條和鋁錠的下半部分浸入在水槽內(nèi)，同時，PLC控制打開噴淋閥門，水將按照預(yù)先系統(tǒng)設(shè)置好的噴水量進(jìn)行噴淋，直到鋁錠溫度降低到目標(biāo)值，且鋁錠鏈條輸送裝置運行到末端，此時完成冷卻工藝。然后輸送機末端檢測裝置將信號反饋給PLC，自動冷卻系統(tǒng)完成工作，鋁錠進(jìn)入到下一工序。輸送裝置側(cè)面設(shè)置有觀察口便于維修和處理事故。

四、鋁錠冷卻系統(tǒng)的硬件配置

（一）鋁錠輸送裝置

當(dāng)液態(tài)鋁液在鑄模中凝固成型后，進(jìn)行脫模，脫模后將從鋁錠機

尾部落下，由盤式接錠機工作，將接收到的鋁錠送入冷卻運輸工藝，冷卻運輸同時實現(xiàn)冷卻和運輸至下一工序兩個功能。輸送裝置具體有方形水槽、輸送鏈條、輸送鏈板，水槽底部注入水介質(zhì)，水槽上方側(cè)面分段安裝有噴淋口，在輸送機末端安裝一風(fēng)機，用氣流將鋁錠上的殘留水吹干。為保證輸送過程勻速連續(xù)不間斷運行，采用電機減速驅(qū)動[3]。

（二）冷卻介質(zhì)

澆鑄時，鋁液溫度保持在690～710℃，冷卻介質(zhì)通常選擇水浴冷卻，冷卻水壓為0.147MP～0.196MP。每噸鋁液大約消耗8～10t水，夏季消耗量會稍多一些，同時還需附吹風(fēng)進(jìn)行表面冷卻。

五、控制系統(tǒng)設(shè)計

（一）控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計及控制策略

鋁錠冷卻系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖和工藝流程圖分別如圖1和圖2所示。該系統(tǒng)采用西門子PLC S7—200進(jìn)行邏輯控制；采用西門子HMI KTP400 PN 4.3寸人機交互界面；采用倍加福RFID IQT-F116射頻設(shè)備進(jìn)行工作臺檢測信號的識別。

控制系統(tǒng)PLC與裝配線主站西門子PLC S-1200通過以太網(wǎng)通訊進(jìn)行控制，與西門子HMI TP900人機交互界面通過以太網(wǎng)通訊實現(xiàn)，與倍加福RFID IQT-F116射頻識別設(shè)備采用RS—485串口通訊技術(shù)實現(xiàn)，其他位移傳感器、開關(guān)按鈕、指示燈、接近開關(guān)等通過PLC的數(shù)值I/O和模擬量實現(xiàn)[4]。

圖1 鋁錠冷卻系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖2 鋁錠冷卻系統(tǒng)工藝流程圖

（二）控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

鋁錠在線計量系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分三個部分：PLC程序設(shè)計、控制系統(tǒng)的組態(tài)及參數(shù)設(shè)定、HMI人機界面的設(shè)計[5]。

1. PLC程序設(shè)計

PLC自動程序流程圖如圖3所示，主要根據(jù)自動冷卻工藝流程編寫程序。

當(dāng)脫模鋁錠從鋁錠機尾部脫落下來時，接錠裝置啟動，將鋁錠放置在噴淋輸送鏈條上，鏈條被拖入冷卻水箱，下不浸泡式冷卻，PLC控制器給出信號，上不噴淋系啟動，連續(xù)噴水，此時，前一鋁錠在輸送鏈條上進(jìn)行冷卻，3S后下一鋁錠降落至接錠裝置，輸送到鏈條輸送環(huán)節(jié)進(jìn)行冷卻，不間斷的實現(xiàn)每3S便有鋁錠下落，兩鋁錠間間隔相距200mm，順序由輸送鏈條裝置前進(jìn)輸出，冷卻鋁錠運行到末端，射頻設(shè)備進(jìn)行工作臺檢測信號識別，將檢測到的信號發(fā)送給PLC進(jìn)行邏輯控制，由PLC給信號，噴淋系統(tǒng)末端開始吹風(fēng)，將鋁錠表面的殘留水跡吹干。接著，RFID設(shè)備識別鋁錠完成冷卻，自動切換程序，數(shù)據(jù)載入，將工藝流程切換至下一工序，鋁錠冷卻溫度數(shù)據(jù)傳輸通過以太網(wǎng)RS-485串口通訊技術(shù)實現(xiàn)傳輸。

圖3 PLC自動程序流程圖

2. HMI程序設(shè)計

HMI程序設(shè)計包括控制系統(tǒng)組態(tài)及參數(shù)設(shè)置和人機交互界面設(shè)計兩個方面。HMI人機界面如圖4所示，主要由：主界面、參數(shù)設(shè)定界面、信號監(jiān)控界面、操作界面、故障報警、系統(tǒng)界面組成[6]。

（1）主界面：顯示自動程序運行流程，確定當(dāng)前位置及目標(biāo)位置參數(shù)等。

（2）參數(shù)設(shè)定界面：確定鋁錠輸送鏈條的起始位置與位移傳感器檢測到的位置偏移值，鏈條的運送速度，吹風(fēng)機風(fēng)量輸出量等參數(shù)。

（3）操作界面：確定噴淋系統(tǒng)啟動的時間，以及噴淋水管的工作狀態(tài)，噴水量大小，位移設(shè)備及按鈕，復(fù)位按鈕，軟硬限位開關(guān)狀態(tài)及位置顯示。噴淋現(xiàn)場控制柜如圖5所示。

（4）系統(tǒng)界面：顯示噴淋系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及鋁錠溫度數(shù)據(jù)的傳輸情況，自動運行加載數(shù)據(jù)[7]。

圖4 HMI人機交互界面

圖5 噴淋現(xiàn)場控制柜

六、結(jié)語

基于PLC控制的鋁錠冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，利用鏈條輸送，各生產(chǎn)工序聯(lián)系緊密，完成了水浸式冷卻和噴淋冷卻工序，冷卻過程平穩(wěn)，提高了作業(yè)有效時間，生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益較高；節(jié)省了人力成本和資源損耗；同時改善了冷卻作業(yè)的惡劣環(huán)境[8]，同時提升了鋁錠冷卻質(zhì)量、降低了鋁錠生產(chǎn)的缺陷等情況，減小了企業(yè)損失。

此外，該系統(tǒng)與信息技術(shù)緊密結(jié)合，也實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化，并加快推進(jìn)了智能工廠的建設(shè)；將物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同交互，及時借助數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將采集的溫度信息進(jìn)行記錄和傳輸。大大節(jié)省了人力和物力，充分體現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)的信息化、集約化優(yōu)勢[9]。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，經(jīng)濟效益較高，非常容易推廣使用，對鋁加工行業(yè)的自動冷卻噴淋系統(tǒng)的改進(jìn)和提高具有十分積極的意義。