摘要：文章通過(guò)介紹有色鑄造合金中的6063鋁合金生產(chǎn)工藝主要參數(shù)、相關(guān)設(shè)備、與之配套的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，結(jié)合人機(jī)界面智能化圖形操作方式，對(duì)于生產(chǎn)6063合金圓鑄錠的水平連續(xù)鑄造系統(tǒng)中工藝控制及PLC控制進(jìn)行初步討論。

關(guān)鍵詞：6063合金；水平鑄造；機(jī)組PLC；人機(jī)界面

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）28-0067-03

為提高電解鋁在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的附加值，需將初級(jí)工業(yè)原材料——電解鋁進(jìn)行深加工，提高諸如6063合金圓棒等多品種在產(chǎn)品中所占比例。本文對(duì)于生產(chǎn)6063合金圓鑄錠的水平連續(xù)鑄造系統(tǒng)中工藝控制及PLC控制部分進(jìn)行初步討論。

1 6063鋁合金鑄造

鑄造生產(chǎn)過(guò)程主要是將熔化了的金屬澆入特定的鑄模以后，經(jīng)凝固冷卻而得到成形的鑄錠過(guò)程。鑄錠的質(zhì)量決定金屬加工的好壞。鋁合金鑄造來(lái)說(shuō)，起初是砂模鑄造，逐漸發(fā)展為鐵模鑄造，水冷模鑄造，又發(fā)展為水浸法鑄造，進(jìn)而發(fā)展為半連續(xù)鑄造，連續(xù)鑄造。

1.1 水平連續(xù)鑄造

水平連續(xù)鑄造基本保持立式半連續(xù)鑄造的基本規(guī)律。液穴形狀和尺寸與鑄造參數(shù)的關(guān)系和立式半連續(xù)鑄造一樣，基本不變。但鑄造軸線(xiàn)的水平配置對(duì)結(jié)晶特點(diǎn)和液穴形狀有所影響。由于重力的作用，鑄錠下表面與結(jié)晶器沒(méi)有間隙，因此冷卻強(qiáng)度大，而鑄錠的上表面空氣間隙增大，冷卻減弱，因而鑄錠下邊部分先結(jié)晶，導(dǎo)致液穴形狀不對(duì)稱(chēng)。

1.2 水平連續(xù)鑄造工藝過(guò)程簡(jiǎn)介

1.2.1 液成分的調(diào)整配制：鋁液由電解原鋁送進(jìn)熔煉爐后，首先要對(duì)新來(lái)的鋁水進(jìn)行成份化驗(yàn)，根據(jù)得出的結(jié)果，對(duì)鋁液進(jìn)行成分、配料，添加不同的金屬，最后使其達(dá)到6063合金成分的要求，經(jīng)過(guò)鋁液精煉，將鋁水中混合的雜質(zhì)除去，經(jīng)30分鐘以上的靜置，此時(shí)的鋁液就達(dá)到鑄造的要求了。

1.2.2 生產(chǎn)過(guò)程：水平鑄造用的裝置主要由一個(gè)用絕熱材料襯里的中間包，一個(gè)與中間包連接的水平結(jié)晶器，結(jié)晶器備有一套鑄造用引錠頭。引錠頭隨凝固鑄錠向后牽動(dòng)，在中間包的前壁與結(jié)晶器之間嚴(yán)密封閉。經(jīng)過(guò)靜置的標(biāo)準(zhǔn)鋁液，首先從熔煉爐中經(jīng)流槽流入到中間包內(nèi)，后經(jīng)結(jié)晶器進(jìn)行冷卻結(jié)晶。初始時(shí)由拉坯機(jī)牽引引錠頭經(jīng)冷卻后，拉出來(lái)結(jié)晶成初形的棒材，再由拉坯機(jī)進(jìn)行牽引，并進(jìn)一步冷卻成形，成為成品棒材，然后由同步鋸按照具體的尺寸的要求進(jìn)行定長(zhǎng)在線(xiàn)連續(xù)鋸切，切后的成品由輥道送出到下一工序進(jìn)行吊運(yùn)打捆。全部棒材生產(chǎn)過(guò)程全部完成。

2 鑄造機(jī)基本設(shè)備組成

根據(jù)生產(chǎn)工藝的過(guò)程要求，6063合金圓棒水平鑄造機(jī)組基本設(shè)備如下：

中間包：中間包是儲(chǔ)存、輸送熔體和緩沖液流的裝置。中間包具有良好的保溫性能和適當(dāng)?shù)膸缀纬叽?，深度?yīng)達(dá)到使儲(chǔ)存的熔體既能產(chǎn)生一定的靜壓力，又不致造成過(guò)大的沖擊，避免沖破鑄錠表皮層的凝殼。

結(jié)晶器：圓棒鑄造的關(guān)鍵部件，是棒材鑄造成形的部件。它決定生產(chǎn)出的成品圓棒的外形規(guī)格及盡寸，其質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響到棒材生產(chǎn)的外部質(zhì)量。

引錠頭：最初鑄造生產(chǎn)時(shí)，棒材成形的引出部件，主要對(duì)棒材初鑄造起到封端頭，牽引棒材成形。

拉坯機(jī)：對(duì)鑄造成形的棒材向外牽引，使成形棒材在其的牽引力作用下，不斷地外出鑄造成形，同時(shí)，對(duì)鑄造初成形的尚未完全結(jié)晶的軟棒進(jìn)行水平托拉，一方面不斷地使棒材連續(xù)鑄造成形，另一方面在其對(duì)半結(jié)晶的棒材在水平托運(yùn)過(guò)程中不斷繼續(xù)結(jié)晶成形為后面的鋸切工作做好準(zhǔn)備工作。

同步鋸：是圓棒水平鑄造生產(chǎn)中重要的設(shè)備之一，它主要是對(duì)完全結(jié)晶成形后的棒材進(jìn)行成品鋸切，在鋸切過(guò)程中主要滿(mǎn)足兩個(gè)方面的要求，一方面是在鋸切過(guò)程中不能影響到棒材的連續(xù)鑄造生產(chǎn)，另一方面是在鋸切時(shí)還要滿(mǎn)足產(chǎn)品長(zhǎng)度對(duì)精度的要求。它工作的好壞直接影響棒材的成品質(zhì)量。

加絲機(jī)：主要在棒材生產(chǎn)工藝中根據(jù)截面積及拉坯速度的要求定時(shí)、定量地向鑄造中間包中加入Φ9.5mm的鋁-鈦-硼合金絲，以調(diào)節(jié)棒材的質(zhì)量（避免開(kāi)裂及出現(xiàn)冷格，保證棒材的平直、光潔，柔韌性好等各種性能）。

水泵：主要給鑄造生產(chǎn)中提供穩(wěn)定的冷卻水，保證冷卻水時(shí)刻都控制在恒溫、恒流量狀態(tài)。

輥道：主要是用來(lái)運(yùn)送鋸切后成形棒材的設(shè)備，可

直接將經(jīng)定尺切割后的棒材直接導(dǎo)入下一自動(dòng)打捆工序。

3 PLC控制系統(tǒng)

6063鋁合金連續(xù)鑄造系統(tǒng)。6063合金圓棒鑄造機(jī)組電氣控制采用PLC集中控制，系統(tǒng)各主要參數(shù)均進(jìn)入中央處理器處理，對(duì)各個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)控，自動(dòng)報(bào)警，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

系統(tǒng)的主控單元選用日本OMRON公司的C200H型可編程序控制器，它具有開(kāi)關(guān)量的輸入、輸出，可擴(kuò)展模入、模出單元，并有RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口。

本鑄造機(jī)組控制系統(tǒng)主要對(duì)以下工藝等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、控制：（1）鑄棒過(guò)程中鋁液在中間包的溫度；（2）拉坯機(jī)運(yùn)行速度；（3）加絲機(jī)運(yùn)行速度；（4）液壓站油壓及溫度；（5）冷卻循環(huán)水溫度及壓力；（6）定尺切割長(zhǎng)度。

上述工藝參數(shù)通過(guò)模擬量輸出觸點(diǎn)直接控制變頻器工作頻率從而達(dá)到控制拉坯機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度、液壓站油泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度，對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)在線(xiàn)調(diào)整鑄造速度、液壓系統(tǒng)壓力。根據(jù)拉坯速度及鑄錠截面，精確調(diào)節(jié)加絲機(jī)變頻器輸出頻率，達(dá)到控制單位體積鑄錠內(nèi)細(xì)化劑（鋁-鈦-硼絲）在不同標(biāo)號(hào)產(chǎn)品內(nèi)的添加量。通過(guò)PLC自動(dòng)控制程序?qū)崟r(shí)在線(xiàn)調(diào)整，可以達(dá)到各工藝參數(shù)連鎖控制，實(shí)現(xiàn)整套設(shè)備協(xié)調(diào)工作，滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求，避免由于拉坯速度過(guò)快造成結(jié)晶器出口棒材不凝固、粘死、結(jié)晶器需停產(chǎn)檢修的故障。變頻器工作頻率、各工藝點(diǎn)的溫度、壓力等實(shí)際值都可通過(guò)人機(jī)界面直觀地顯示和實(shí)時(shí)修改。

由于鋁液的溫度和流量、冷卻水溫度和流量等工藝隨合金棒外型尺寸及環(huán)境溫度變化而有所不同。因此，對(duì)PLC控制系統(tǒng)的控制精度要求較高。故在6063合金圓棒鑄造機(jī)組自動(dòng)控制程序及檢測(cè)儀器的設(shè)計(jì)中，在保證設(shè)備及人身安全的前提下，限制拉坯機(jī)自動(dòng)運(yùn)行中最高、最低運(yùn)行速度，以保證整個(gè)系統(tǒng)可靠、安全地在工藝條件下受控運(yùn)行。系統(tǒng)通過(guò)選用進(jìn)口原裝施耐德公司制造的高轉(zhuǎn)矩變頻器實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)調(diào)節(jié)拉坯、冷卻、鋸切電機(jī)運(yùn)行速度，達(dá)到圓棒鑄造工藝的要求。調(diào)整頻率范圍0～200Hz，在自動(dòng)操作狀態(tài)下PLC根據(jù)設(shè)定工藝參數(shù)控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。endprint

當(dāng)發(fā)生電氣、機(jī)械故障和工藝參數(shù)超出設(shè)定值等故障時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警，并啟動(dòng)故障自處理程序，保障人身及設(shè)備安全。人機(jī)界面故障時(shí)，PLC及變頻器、檢測(cè)儀器可以組成獨(dú)立控制系統(tǒng)進(jìn)行工作；若人機(jī)界面、PLC系統(tǒng)均出現(xiàn)故障，現(xiàn)場(chǎng)控制柜具有手動(dòng)功能，以保證系統(tǒng)工作的不間斷。

4 人機(jī)界面

4.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本鑄造機(jī)控制設(shè)計(jì)中選用OMRON公司12寸彩色人機(jī)界面作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)操作站，該屏配有專(zhuān)用操作系統(tǒng)。所有工藝參數(shù)均可通過(guò)人機(jī)界面顯示操作及在線(xiàn)更改，并可通過(guò)自動(dòng)、手動(dòng)切換按鈕，對(duì)鑄造時(shí)的全部工藝過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)工作或手動(dòng)操作。工藝參數(shù)全部可在總流程圖畫(huà)面上在線(xiàn)顯示、監(jiān)控并提供所有工藝參數(shù)上限、下限及斷線(xiàn)等以聲、光形式的報(bào)警信號(hào)，同時(shí)可在報(bào)警畫(huà)面查到每一個(gè)具體報(bào)警故障的漢語(yǔ)說(shuō)明。且所有上、下限報(bào)警設(shè)定值均可在設(shè)備進(jìn)入鑄造生產(chǎn)之前，通過(guò)人機(jī)界面在輸入密碼后進(jìn)行調(diào)節(jié)修改。

4.2 主流程圖監(jiān)控狀態(tài)

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)上電以后，系統(tǒng)畫(huà)面自動(dòng)顯示“主流程圖畫(huà)面”，系統(tǒng)所有工藝參數(shù)在“主流程圖”上可全部顯示監(jiān)控，在正常工作狀態(tài)下對(duì)全部的工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。并可通過(guò)觸摸相應(yīng)的參數(shù)位置或幾個(gè)分畫(huà)面位置進(jìn)入相應(yīng)的工藝參數(shù)及上下限報(bào)警參數(shù)設(shè)置。在系統(tǒng)工作或設(shè)置更改狀態(tài)下，如有任意一個(gè)參數(shù)超過(guò)報(bào)警設(shè)置值時(shí)，聲光報(bào)警會(huì)發(fā)出聲光信號(hào)，屏上“檢查”按鈕自動(dòng)切換成“錯(cuò)誤日志”與對(duì)應(yīng)畫(huà)面交替顯示，觸摸對(duì)應(yīng)按鈕就可查出具體報(bào)警參數(shù)的確切位置。

4.3 同步鋸切工藝流程監(jiān)控狀態(tài)

在主流程圖監(jiān)控畫(huà)面上，按壓“同步鋸切”按鈕，則進(jìn)入鋸切監(jiān)控畫(huà)面。該畫(huà)面實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)顯示同步鋸工作狀態(tài)及鋸切棒料的定尺長(zhǎng)度。在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下變頻器設(shè)備轉(zhuǎn)速或頻率禁止操作；在完成一次棒料鋸切且同步鋸處于退車(chē)返回途中時(shí)，才允許用戶(hù)修改下次鋸切

長(zhǎng)度。

4.4 液壓站、循環(huán)水泵監(jiān)控狀態(tài)

液壓站是提供各液壓閥動(dòng)力的來(lái)源的主要設(shè)備。每班次設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，均需在液壓站壓力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值且循環(huán)水泵供給的冷卻水壓力、流量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值后，系統(tǒng)允許運(yùn)行。畫(huà)面實(shí)時(shí)監(jiān)控液壓站油溫、壓力及是否有液壓油過(guò)臟等影響系統(tǒng)運(yùn)行的情況發(fā)生。

4.5 報(bào)警設(shè)置、顯示操作

系統(tǒng)所有工藝參數(shù)的運(yùn)行狀態(tài)，均可通過(guò)相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)操作畫(huà)面進(jìn)行上、下限報(bào)警設(shè)置，并可以在使用過(guò)程中根據(jù)實(shí)際使用操作工藝進(jìn)行修改。系統(tǒng)所有報(bào)警參數(shù)設(shè)置好以后，進(jìn)入正常工作狀態(tài)下，如有任何參數(shù)超過(guò)報(bào)警設(shè)置值時(shí)，系統(tǒng)均可發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，以警示操作人員工藝參數(shù)發(fā)生變化，并可通過(guò)觸摸報(bào)警按鈕進(jìn)入“報(bào)警故障顯示菜單”，故障位置會(huì)自動(dòng)在畫(huà)面上警示顯示。再次觸摸相應(yīng)的故障顯示時(shí)，任何一種故障均可詳細(xì)的顯示。

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作者簡(jiǎn)介：王軼華（1974-），女，寧夏吳忠人，寧夏民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：電工及電氣控制技術(shù)。endprint