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(shí)代的到來，我國(guó)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(guó)制造2025的提出迎來了新的機(jī)遇和的挑戰(zhàn)，特別是鋁生產(chǎn)和鋁加工行業(yè)，因?yàn)槠鋺?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(jī)來完成生產(chǎn)，鋁錠鑄造機(jī)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(gè)鑄模，鑄造機(jī)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(jī)中部時(shí)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?yàn)楦邷劁X液經(jīng)過鑄造機(jī)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(shí)溫度條件將會(huì)制約鋁錠計(jì)量、打碼和后續(xù)的碼垛等工藝。所以，在鋁錠鑄造機(jī)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(jī)開動(dòng)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(shí)接收到控制系統(tǒng)信號(hào)，按照控制指令要求精確動(dòng)作，冷卻介質(zhì)噴淋，按照預(yù)定的運(yùn)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(shí)現(xiàn)快速冷卻的目標(biāo)。由于鋁液在凝固過程中，凝固時(shí)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(jiǎn)單和降低成本等要素，冷卻系統(tǒng)選用水介質(zhì)；同時(shí)，冷卻系統(tǒng)可以將水槽設(shè)計(jì)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(shí)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(yùn)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(jì)

（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(shí)，鋁錠冷卻系統(tǒng)檢測(cè)到鋁錠的行走位置，給出信號(hào)，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(dòng)鏈條導(dǎo)軌上，每?jī)蓧K鋁錠之間距離保持在200mm，連續(xù)前進(jìn)，在鋁錠輸送的同時(shí)，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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)，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(jì)的基于PLC控制的鋁錠冷卻系統(tǒng)是以在線自動(dòng)檢測(cè)、鏈條導(dǎo)軌自動(dòng)傳輸、自動(dòng)噴淋冷卻和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)，本系統(tǒng)包括傳送鏈條機(jī)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(jì)、HMI人機(jī)對(duì)話界面組成[2]。

本系統(tǒng)對(duì)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(cè)到需要冷卻的鋁錠，則PLC控制系統(tǒng)給出信號(hào)，鋁錠進(jìn)入到鏈條導(dǎo)軌上方，在輸送機(jī)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(shí)，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(yùn)行到末端，此時(shí)完成冷卻工藝。然后輸送機(jī)末端檢測(cè)裝置將信號(hào)反饋給PLC，自動(dòng)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(jī)

尾部落下，由盤式接錠機(jī)工作，將接收到的鋁錠送入冷卻運(yùn)輸工藝，冷卻運(yùn)輸同時(shí)實(shí)現(xiàn)冷卻和運(yùn)輸至下一工序兩個(gè)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(jī)末端安裝一風(fēng)機(jī)，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(yùn)行，采用電機(jī)減速驅(qū)動(dòng)[3]。

（二）冷卻介質(zhì)

澆鑄時(shí)，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(huì)稍多一些，同時(shí)還需附吹風(fēng)進(jìn)行表面冷卻。

五、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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(jī)交互界面；采用倍加福RFID IQT-F116射頻設(shè)備進(jìn)行工作臺(tái)檢測(cè)信號(hào)的識(shí)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(jī)交互界面通過以太網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)，與倍加福RFID IQT-F116射頻識(shí)別設(shè)備采用RS—485串口通訊技術(shù)實(shí)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(shí)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(jì)

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

1. PLC程序設(shè)計(jì)

PLC自動(dòng)程序流程圖如圖3所示，主要根據(jù)自動(dòng)冷卻工藝流程編寫程序。

當(dāng)脫模鋁錠從鋁錠機(jī)尾部脫落下來時(shí)，接錠裝置啟動(dòng)，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(hào)，上不噴淋系啟動(dòng)，連續(xù)噴水，此時(shí)，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(shí)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(yùn)行到末端，射頻設(shè)備進(jìn)行工作臺(tái)檢測(cè)信號(hào)識(shí)別，將檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)送給PLC進(jìn)行邏輯控制，由PLC給信號(hào)，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(shí)別鋁錠完成冷卻，自動(dòng)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(shí)現(xiàn)傳輸。

圖3 PLC自動(dòng)程序流程圖

2. HMI程序設(shè)計(jì)

HMI程序設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)組態(tài)及參數(shù)設(shè)置和人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。HMI人機(jī)界面如圖4所示，主要由：主界面、參數(shù)設(shè)定界面、信號(hào)監(jiān)控界面、操作界面、故障報(bào)警、系統(tǒng)界面組成[6]。

（1）主界面：顯示自動(dòng)程序運(yùn)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(cè)到的位置偏移值，鏈條的運(yùn)送速度，吹風(fēng)機(jī)風(fēng)量輸出量等參數(shù)。

（3）操作界面：確定噴淋系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)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(chǎng)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(dòng)運(yùn)行加載數(shù)據(jù)[7]。

圖4 HMI人機(jī)交互界面

圖5 噴淋現(xiàn)場(chǎng)控制柜

六、結(jié)語

基于PLC控制的鋁錠冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(shí)間，生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益較高；節(jié)省了人力成本和資源損耗；同時(shí)改善了冷卻作業(yè)的惡劣環(huán)境[8]，同時(shí)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(shí)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(shí)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(shì)[9]。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，經(jīng)濟(jì)效益較高，非常容易推廣使用，對(duì)鋁加工行業(yè)的自動(dòng)冷卻噴淋系統(tǒng)的改進(jìn)和提高具有十分積極的意義。