基于PLC的LSPSF半固態(tài)制漿裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范時(shí)候，劉旭波,2，吳正偉，操順森

（1.南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031；2.江西省高性能精確成形重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330031）

0 引言

20世紀(jì)70年代初期美國(guó)麻省理工學(xué)院的Flemings等發(fā)明了半固態(tài)金屬成形技術(shù)（semi-solid metal forming，簡(jiǎn)稱SSM）。它是指利用金屬?gòu)墓虘B(tài)向液態(tài)或者從液態(tài)向固態(tài)兩相轉(zhuǎn)變過(guò)程中的半固態(tài)區(qū)的金屬具有良好的流變特性而進(jìn)行的金屬成形。與傳統(tǒng)的金屬液態(tài)成形和塑性成形相比，半固態(tài)具有許多優(yōu)勢(shì)：1）半固態(tài)漿料具有流變性和觸變性；2）半固態(tài)成形溫度比全液態(tài)成形溫度低，提高了成形模具的使用壽命；3）半固態(tài)漿料有較高的黏度，有利于提高材料的均勻性；4）應(yīng)用廣泛，適用于多種加工工藝。也正是這些優(yōu)勢(shì)，所以被譽(yù)為21世紀(jì)最有發(fā)展前景的現(xiàn)代加工新技術(shù)。

剪切低溫澆注式半固態(tài)漿料制備工藝（Low super heat pouring with a shear fi eld,LSPSF ）是南昌大學(xué)自主研發(fā)的一種新型半固態(tài)制備工藝。該工藝基于機(jī)械攪拌碎晶原理，在液相線附近通過(guò)傾斜轉(zhuǎn)管對(duì)金屬熔體進(jìn)行激冷和攪拌，獲得微觀組織細(xì)小、分布均勻且近球形的半固態(tài)漿料。制漿時(shí)的溫度控制主要由工作人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)控制。此方法不僅不精確，溫度波動(dòng)范圍大，影響漿料的制備質(zhì)量。

本文運(yùn)用PLC控制技術(shù)，對(duì)LSPSF半固態(tài)制漿工藝裝置系統(tǒng)進(jìn)行控制，提高了溫度控制精度和抗干擾能力，同時(shí)也提高了LSPSF裝置的自動(dòng)化水平，減少了人為因素對(duì)漿料制備質(zhì)量的影響。

1 LSPSF裝置的簡(jiǎn)介與控制方案

圖1 LSPSF工藝裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖1為L(zhǎng)SPSF工藝裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該工藝裝置主要由澆注系統(tǒng)、漿料制備系統(tǒng)及接料系統(tǒng)三大部分所組成，澆注系統(tǒng)主要由熔煉爐和活塞棒組成，熔煉爐主要用于金屬合金的熔煉及存儲(chǔ)，活塞棒用于開(kāi)啟和閉全位于熔煉爐底部的澆嘴，實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫金屬液流量的控制；漿料制備系統(tǒng)主要由一傾斜轉(zhuǎn)管和機(jī)架級(jí)成，轉(zhuǎn)管架設(shè)在機(jī)架上，能過(guò)電機(jī)控制轉(zhuǎn)管的轉(zhuǎn)速，同時(shí)也可以過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)架實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)管的傾斜角的調(diào)整；接料系統(tǒng)主要由一結(jié)晶爐組成，用于存儲(chǔ)制備好的金屬半固態(tài)漿料。

本系統(tǒng)主要采用的是西門子PLC S7-200進(jìn)行控制，控制對(duì)象主要有：

1）柱塞的啟閉控制

金屬熔體在熔煉爐中靜置到合適的溫度后，柱塞開(kāi)啟熔煉爐底下的澆嘴，使熔融液順利流入入口導(dǎo)流裝置。在熔融液全部流入后，柱塞向下關(guān)閉熔煉爐底下的澆嘴。

2）入口導(dǎo)流組件與出口導(dǎo)流組件的溫度控制

由于導(dǎo)流組件對(duì)高溫金屬熔體起導(dǎo)流引向作用，當(dāng)高溫金屬熔體由坩堝澆入導(dǎo)流組件時(shí)，如果導(dǎo)流組件溫度過(guò)低，將會(huì)對(duì)金屬熔體產(chǎn)生過(guò)大激冷，使金屬熔體瞬間冷卻，產(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響合金漿料的質(zhì)量。所以必須控制導(dǎo)流組件的溫度，溫度控制范圍為300℃～400℃。

3）轉(zhuǎn)管的溫度控制

轉(zhuǎn)管是LSPSF制漿工藝裝置的核心裝置。它在漿料制備過(guò)程中主要起到的作用就是激冷和攪拌。但是激冷的強(qiáng)度既不能太強(qiáng)也不能太弱，也就是轉(zhuǎn)管與金屬熔體的溫差不能太大也不能太小。如果太大，金屬熔體冷卻太快，導(dǎo)致制備出來(lái)的漿料固相率太高，流動(dòng)性太差，不利于流變成形。反之，如果溫差太小，金屬熔體冷卻不充分，還沒(méi)有經(jīng)過(guò)大量形核與枝晶破碎就從出口導(dǎo)流組件流出來(lái)，以致無(wú)法制備半固態(tài)漿料。所以需要嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)管的溫度，起初開(kāi)啟轉(zhuǎn)管加熱裝置，將轉(zhuǎn)管溫度升至450℃以上，但隨著熔體的不斷流入，由于熱傳導(dǎo)的作用，轉(zhuǎn)管的溫度會(huì)不斷升高，當(dāng)轉(zhuǎn)管溫度超過(guò)550℃時(shí)，此時(shí)應(yīng)啟動(dòng)冷卻裝置，將轉(zhuǎn)管溫度降下來(lái)，使其保持在正常的溫度范圍內(nèi)，達(dá)到最佳的激冷效果。

4）轉(zhuǎn)管電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制

轉(zhuǎn)管電機(jī)分為手動(dòng)和自動(dòng)兩檔，在手動(dòng)操作方式下，在操作面板上按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，電機(jī)得電，電機(jī)主軸開(kāi)始啟動(dòng)，通過(guò)齒輪副帶動(dòng)轉(zhuǎn)管轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)松開(kāi)手時(shí)，電機(jī)失電，主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在自動(dòng)操作方式下，在操作面板上按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，轉(zhuǎn)管轉(zhuǎn)動(dòng)方式有旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)兩種。在旋轉(zhuǎn)模式下，轉(zhuǎn)管繞著旋轉(zhuǎn)軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；在擺動(dòng)模式下，轉(zhuǎn)管繞著旋轉(zhuǎn)軸做回?cái)[運(yùn)動(dòng)。此兩種模式皆可對(duì)金屬熔體起攪拌作用。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2.1 PLC的選擇

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，選取西門子PLC S7-200 CPU 224作為控制器進(jìn)行控制。CPU集中輸入點(diǎn)數(shù)為14，集中輸出點(diǎn)數(shù)為10。由于S7-200 CPU 224只有數(shù)字量輸入輸出，而本系統(tǒng)中有涉及到模擬量輸入，所以需要擴(kuò)展模擬量輸入模塊。選取2個(gè)EM 231模擬量輸入模塊提供模擬量輸入，以滿足控制要求。它是AD轉(zhuǎn)換模塊，具有四個(gè)模擬量輸入，主要用于本系統(tǒng)中的溫度信號(hào)輸入。除此之外，再選取1個(gè)CP243-1工業(yè)以太網(wǎng)連接模塊。通過(guò)以太網(wǎng)的連接，PLC可以利用遠(yuǎn)程編程器，對(duì)其進(jìn)行程序編輯、狀態(tài)監(jiān)視、程序傳送等編程服務(wù)，也可以與網(wǎng)絡(luò)中的其他PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、進(jìn)行E-mail的收發(fā)與PLC數(shù)據(jù)的讀寫操作等。

2.2 操作面板的設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)的操作面板如圖3所示。

在操作面板確定后，可以將用于操作面板的全部器件進(jìn)行歸納與匯總，以便統(tǒng)計(jì)I/O點(diǎn)數(shù)。

圖3 LSPSF控制系統(tǒng)操作面板圖

2.3 PLC控制程序的I/O配置及PLC的I/O接線

LSPSF半固態(tài)制漿裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要涉及到10個(gè)數(shù)字量輸入，9個(gè)數(shù)字量輸出，還有五個(gè)模擬量輸入，次模擬量輸入皆為測(cè)溫信號(hào)，另外還擴(kuò)充了工業(yè)以太網(wǎng)連接模塊CP243-1。PLC控制程序的I/O配置如表1所示。

PLC控制系統(tǒng)I/O接線圖如圖4所示。

2.4 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LSPSF工藝裝置的控制系統(tǒng)程序是采用STEP7-Micro/Win軟件以梯形圖的形式進(jìn)行編寫。其系統(tǒng)的控制流程圖如圖5所示。

表1 PLC I/O配置表

圖4 PLC I/O接線圖

圖5 PLC控制流程圖

由上圖可知，該裝置的工藝過(guò)程如下：首先將裝置初始化，設(shè)置好各個(gè)參數(shù)。對(duì)入出口導(dǎo)流組件進(jìn)行加熱，將其加熱到指定溫度（300℃～400℃）之內(nèi)。然后加熱轉(zhuǎn)管至溫度下限（450℃）。接著啟動(dòng)轉(zhuǎn)管電機(jī)，開(kāi)啟自動(dòng)控制模式。一切準(zhǔn)備就緒后，當(dāng)熔體澆注到熔煉爐中，靜置到恰當(dāng)溫度后，啟動(dòng)柱塞電機(jī)，開(kāi)啟熔煉爐底下的澆嘴，使熔體順利通過(guò)入口導(dǎo)流組件流入轉(zhuǎn)管。由于熔體溫度高于轉(zhuǎn)管，經(jīng)過(guò)熱傳遞作用，轉(zhuǎn)管的溫度會(huì)不斷上升，當(dāng)轉(zhuǎn)管溫度達(dá)到上限（550℃），啟動(dòng)轉(zhuǎn)管冷卻裝置對(duì)轉(zhuǎn)管進(jìn)行冷卻至溫度下限。

此程序還具報(bào)警功能，當(dāng)溫度值超出溫控范圍或是裝置出現(xiàn)故障時(shí)完成報(bào)警。溫度值由溫度傳感器提供，故障由故障輸出點(diǎn)提供。

3 結(jié)論

本文研究的是基于PLC控制的LSPSF半固態(tài)制漿裝置系統(tǒng)。簡(jiǎn)述了LSPSF工藝裝置，分析了控制對(duì)象，并在此基礎(chǔ)上做出了輸入輸出配置表，完成了軟硬件的設(shè)計(jì)與制作。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)裝置進(jìn)行PLC控制，提高了設(shè)備的可靠性與穩(wěn)定性，同時(shí)也提高了漿料的制備效率，且便于操作也益于設(shè)備維護(hù)。

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