可編程序控制器（PLC）在6063合金水平鑄造系統中的應用

摘要：文章通過介紹有色鑄造合金中的6063鋁合金生產工藝主要參數、相關設備、與之配套的電氣控制系統的設計，結合人機界面智能化圖形操作方式，對于生產6063合金圓鑄錠的水平連續鑄造系統中工藝控制及PLC控制進行初步討論。

關鍵詞：6063合金；水平鑄造；機組PLC；人機界面

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）28-0067-03

為提高電解鋁在市場上銷售的附加值，需將初級工業原材料——電解鋁進行深加工，提高諸如6063合金圓棒等多品種在產品中所占比例。本文對于生產6063合金圓鑄錠的水平連續鑄造系統中工藝控制及PLC控制部分進行初步討論。

1 6063鋁合金鑄造

鑄造生產過程主要是將熔化了的金屬澆入特定的鑄模以后，經凝固冷卻而得到成形的鑄錠過程。鑄錠的質量決定金屬加工的好壞。鋁合金鑄造來說，起初是砂模鑄造，逐漸發展為鐵模鑄造，水冷模鑄造，又發展為水浸法鑄造，進而發展為半連續鑄造，連續鑄造。

1.1 水平連續鑄造

水平連續鑄造基本保持立式半連續鑄造的基本規律。液穴形狀和尺寸與鑄造參數的關系和立式半連續鑄造一樣，基本不變。但鑄造軸線的水平配置對結晶特點和液穴形狀有所影響。由于重力的作用，鑄錠下表面與結晶器沒有間隙，因此冷卻強度大，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晶，導致液穴形狀不對稱。

1.2 水平連續鑄造工藝過程簡介

1.2.1 液成分的調整配制：鋁液由電解原鋁送進熔煉爐后，首先要對新來的鋁水進行成份化驗，根據得出的結果，對鋁液進行成分、配料，添加不同的金屬，最后使其達到6063合金成分的要求，經過鋁液精煉，將鋁水中混合的雜質除去，經30分鐘以上的靜置，此時的鋁液就達到鑄造的要求了。

1.2.2 生產過程：水平鑄造用的裝置主要由一個用絕熱材料襯里的中間包，一個與中間包連接的水平結晶器，結晶器備有一套鑄造用引錠頭。引錠頭隨凝固鑄錠向后牽動，在中間包的前壁與結晶器之間嚴密封閉。經過靜置的標準鋁液，首先從熔煉爐中經流槽流入到中間包內，后經結晶器進行冷卻結晶。初始時由拉坯機牽引引錠頭經冷卻后，拉出來結晶成初形的棒材，再由拉坯機進行牽引，并進一步冷卻成形，成為成品棒材，然后由同步鋸按照具體的尺寸的要求進行定長在線連續鋸切，切后的成品由輥道送出到下一工序進行吊運打捆。全部棒材生產過程全部完成。

2 鑄造機基本設備組成

根據生產工藝的過程要求，6063合金圓棒水平鑄造機組基本設備如下：

中間包：中間包是儲存、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的幾何尺寸，深度應達到使儲存的熔體既能產生一定的靜壓力，又不致造成過大的沖擊，避免沖破鑄錠表皮層的凝殼。

結晶器：圓棒鑄造的關鍵部件，是棒材鑄造成形的部件。它決定生產出的成品圓棒的外形規格及盡寸，其質量的優劣將直接影響到棒材生產的外部質量。

引錠頭：最初鑄造生產時，棒材成形的引出部件，主要對棒材初鑄造起到封端頭，牽引棒材成形。

拉坯機：對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，對鑄造初成形的尚未完全結晶的軟棒進行水平托拉，一方面不斷地使棒材連續鑄造成形，另一方面在其對半結晶的棒材在水平托運過程中不斷繼續結晶成形為后面的鋸切工作做好準備工作。

同步鋸：是圓棒水平鑄造生產中重要的設備之一，它主要是對完全結晶成形后的棒材進行成品鋸切，在鋸切過程中主要滿足兩個方面的要求，一方面是在鋸切過程中不能影響到棒材的連續鑄造生產，另一方面是在鋸切時還要滿足產品長度對精度的要求。它工作的好壞直接影響棒材的成品質量。

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

水泵：主要給鑄造生產中提供穩定的冷卻水，保證冷卻水時刻都控制在恒溫、恒流量狀態。

輥道：主要是用來運送鋸切后成形棒材的設備，可

直接將經定尺切割后的棒材直接導入下一自動打捆工序。

3 PLC控制系統

6063鋁合金連續鑄造系統。6063合金圓棒鑄造機組電氣控制采用PLC集中控制，系統各主要參數均進入中央處理器處理，對各個工藝參數進行在線監控，自動報警，并可進行遠程控制。

系統的主控單元選用日本OMRON公司的C200H型可編程序控制器，它具有開關量的輸入、輸出，可擴展模入、模出單元，并有RS-232標準串口。

本鑄造機組控制系統主要對以下工藝等參數進行檢測、控制：（1）鑄棒過程中鋁液在中間包的溫度；（2）拉坯機運行速度；（3）加絲機運行速度；（4）液壓站油壓及溫度；（5）冷卻循環水溫度及壓力；（6）定尺切割長度。

上述工藝參數通過模擬量輸出觸點直接控制變頻器工作頻率從而達到控制拉坯機電動機轉動速度、液壓站油泵電動機運行速度，對應實時在線調整鑄造速度、液壓系統壓力。根據拉坯速度及鑄錠截面，精確調節加絲機變頻器輸出頻率，達到控制單位體積鑄錠內細化劑（鋁-鈦-硼絲）在不同標號產品內的添加量。通過PLC自動控制程序實時在線調整，可以達到各工藝參數連鎖控制，實現整套設備協調工作，滿足生產工藝的要求，避免由于拉坯速度過快造成結晶器出口棒材不凝固、粘死、結晶器需停產檢修的故障。變頻器工作頻率、各工藝點的溫度、壓力等實際值都可通過人機界面直觀地顯示和實時修改。

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境溫度變化而有所不同。因此，對PLC控制系統的控制精度要求較高。故在6063合金圓棒鑄造機組自動控制程序及檢測儀器的設計中，在保證設備及人身安全的前提下，限制拉坯機自動運行中最高、最低運行速度，以保證整個系統可靠、安全地在工藝條件下受控運行。系統通過選用進口原裝施耐德公司制造的高轉矩變頻器實現手動/自動調節拉坯、冷卻、鋸切電機運行速度，達到圓棒鑄造工藝的要求。調整頻率范圍0～200Hz，在自動操作狀態下PLC根據設定工藝參數控制設備運行狀態。endprint

當發生電氣、機械故障和工藝參數超出設定值等故障時，系統進行聲光報警，并啟動故障自處理程序，保障人身及設備安全。人機界面故障時，PLC及變頻器、檢測儀器可以組成獨立控制系統進行工作；若人機界面、PLC系統均出現故障，現場控制柜具有手動功能，以保證系統工作的不間斷。

4 人機界面

4.1 系統簡介

本鑄造機控制設計中選用OMRON公司12寸彩色人機界面作為工業現場操作站，該屏配有專用操作系統。所有工藝參數均可通過人機界面顯示操作及在線更改，并可通過自動、手動切換按鈕，對鑄造時的全部工藝過程進行自動工作或手動操作。工藝參數全部可在總流程圖畫面上在線顯示、監控并提供所有工藝參數上限、下限及斷線等以聲、光形式的報警信號，同時可在報警畫面查到每一個具體報警故障的漢語說明。且所有上、下限報警設定值均可在設備進入鑄造生產之前，通過人機界面在輸入密碼后進行調節修改。

4.2 主流程圖監控狀態

系統開機上電以后，系統畫面自動顯示“主流程圖畫面”，系統所有工藝參數在“主流程圖”上可全部顯示監控，在正常工作狀態下對全部的工藝參數進行監控。并可通過觸摸相應的參數位置或幾個分畫面位置進入相應的工藝參數及上下限報警參數設置。在系統工作或設置更改狀態下，如有任意一個參數超過報警設置值時，聲光報警會發出聲光信號，屏上“檢查”按鈕自動切換成“錯誤日志”與對應畫面交替顯示，觸摸對應按鈕就可查出具體報警參數的確切位置。

4.3 同步鋸切工藝流程監控狀態

在主流程圖監控畫面上，按壓“同步鋸切”按鈕，則進入鋸切監控畫面。該畫面實時動畫顯示同步鋸工作狀態及鋸切棒料的定尺長度。在自動運行狀態下變頻器設備轉速或頻率禁止操作；在完成一次棒料鋸切且同步鋸處于退車返回途中時，才允許用戶修改下次鋸切

長度。

4.4 液壓站、循環水泵監控狀態

液壓站是提供各液壓閥動力的來源的主要設備。每班次設備啟動時，均需在液壓站壓力達到標準值且循環水泵供給的冷卻水壓力、流量達到標準值后，系統允許運行。畫面實時監控液壓站油溫、壓力及是否有液壓油過臟等影響系統運行的情況發生。

4.5 報警設置、顯示操作

系統所有工藝參數的運行狀態，均可通過相對應的系統操作畫面進行上、下限報警設置，并可以在使用過程中根據實際使用操作工藝進行修改。系統所有報警參數設置好以后，進入正常工作狀態下，如有任何參數超過報警設置值時，系統均可發出聲光報警信號，以警示操作人員工藝參數發生變化，并可通過觸摸報警按鈕進入“報警故障顯示菜單”，故障位置會自動在畫面上警示顯示。再次觸摸相應的故障顯示時，任何一種故障均可詳細的顯示。

參考文獻

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作者簡介：王軼華（1974-），女，寧夏吳忠人，寧夏民族職業技術學院講師，研究方向：電工及電氣控制技術。endprint