消失模砂溫冷卻電控方法的研究

郭海青，楊啟帆，張廣偉，劉 霞

（1.第一拖拉機(jī)股份有限公司，河南洛陽(yáng) 471004；2.北京友道科技鄭州分公司，河南鄭州 450000）

消失模作為一種綠色的新型鑄造生產(chǎn)工藝，因生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單、砂子可以重復(fù)循環(huán)使用、干凈衛(wèi)生、對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染而得到廣泛應(yīng)用[1]。消失模鑄造工藝的特點(diǎn)是采用了無(wú)粘結(jié)劑的干砂造型[2]。但是經(jīng)過(guò)澆注后的砂子溫度都很高，消失模鑄造用砂對(duì)于溫度的控制又比較嚴(yán)格，如果不經(jīng)過(guò)冷卻處理而直接利用的話，過(guò)高的砂溫會(huì)直接影響白膜的質(zhì)量，從而影響鑄件的成型。因此，增加砂溫冷卻系統(tǒng)尤為重要，這對(duì)節(jié)約成本、節(jié)能減排具有重要意義。

1 砂溫冷卻系統(tǒng)工作流程

1.1 設(shè)備運(yùn)行環(huán)境及技術(shù)要求

環(huán)境條件：溫度-10～45℃；環(huán)境濕度：≤95%；動(dòng)力電源：380/220V±10%，50Hz±2%，三相五線制。

技術(shù)要求：進(jìn)料溫度100℃通過(guò)板式砂溫調(diào)節(jié)器降至出料溫度50℃，砂處理量≥60t/h。

1.2 工作流程

①熱砂經(jīng)1#斗提機(jī)出砂口流出→②砂溫調(diào)節(jié)器儲(chǔ)砂倉(cāng)→③砂溫調(diào)節(jié)器散熱組件降溫→④密相輸送卸砂器→⑤進(jìn)入2#斗提機(jī)入砂口→⑥皮帶機(jī)。

2 砂溫冷卻系統(tǒng)電控方法

2.1 砂溫冷卻控制系統(tǒng)組成

砂溫冷卻控制系統(tǒng)的組成圖如圖1 所示，實(shí)現(xiàn)對(duì)砂溫冷卻系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖1 砂溫冷卻控制系統(tǒng)組成圖

PLC 與人機(jī)界面通過(guò)PN 口以太網(wǎng)連接。

數(shù)字量輸入信號(hào)：手/自動(dòng)選擇，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的手/自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的切換；變頻器故障報(bào)警；下料開(kāi)關(guān)；給料啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在有砂子進(jìn)入砂溫冷卻系統(tǒng)時(shí)將信號(hào)傳送給PLC；報(bào)警消音，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警后，對(duì)蜂鳴的消除。

數(shù)字量輸出信號(hào)：下料運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)砂子的下料；下料器冷卻風(fēng)扇，在下料運(yùn)行時(shí)，避免下料器過(guò)熱，使風(fēng)扇運(yùn)行；料位高信號(hào)，在料位過(guò)高的時(shí)候停止給料并報(bào)警；料位低信號(hào)，提示需要加料。

模擬量輸入信號(hào)：進(jìn)口砂溫；出口砂溫；冷卻水進(jìn)口溫度；冷卻水出口溫度；砂子料位。

模擬量輸出信號(hào)：變頻器模擬量控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器頻率的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

控制系統(tǒng)選用PLC 可編程控制器及其模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊。通過(guò)PLC 對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、超溫保護(hù)、上限設(shè)定、水溫和砂溫進(jìn)出口溫度顯示、溫度曲線監(jiān)測(cè)、上下料位顯示、報(bào)警信息提示、報(bào)警復(fù)位、聲光報(bào)警、故障查詢等功能。

2.2 砂溫冷卻 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)消失模鑄造砂的工藝要求，在人際界面中設(shè)定出口砂溫的上限值，實(shí)時(shí)監(jiān)控并采集出口砂溫，將采集的模擬信號(hào)傳送到PLC 可編程控制器中進(jìn)行處理，PLC 經(jīng)過(guò)與設(shè)定溫度的比較運(yùn)算，控制變頻器的運(yùn)行情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)消失模鑄造砂溫度的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及閉環(huán)控制。

電控系統(tǒng)的軟件部分主要包括控制程序和人機(jī)界面信息顯示及兩者的通信，控制程序主要采用梯形圖形式進(jìn)行編寫，人機(jī)界面主要采用圖形化編程方法來(lái)進(jìn)行編制。在變頻器中設(shè)置電機(jī)的額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速等參數(shù)，通過(guò)變頻器對(duì)旋轉(zhuǎn)閥電機(jī)進(jìn)行控制和保護(hù)[3]。

2.2.1 PLC 控制方法

砂溫冷卻控制系統(tǒng)與整條消失模自動(dòng)線程序?qū)崿F(xiàn)聯(lián)鎖，可以實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的自動(dòng)運(yùn)行。下料旋轉(zhuǎn)閥和型砂料位計(jì)聯(lián)鎖，可根據(jù)料位高低，自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使料位更穩(wěn)定。PLC 預(yù)留10%的I/O 余量。

圖2 PLC 程序流程圖

砂溫冷卻控制系統(tǒng)的電氣控制過(guò)程如下：

（1）工作時(shí)，啟動(dòng)消失模砂溫冷卻系統(tǒng)，在人機(jī)界面上設(shè)定出口砂溫的上限值；判斷料位是否低于下限值，若是，則向上級(jí)系統(tǒng)發(fā)送給料信號(hào)，直至高于下限值；判斷料位是否高于上限值，若是，向上級(jí)系統(tǒng)發(fā)送停止加料信號(hào)，直至滿足工藝要求。

（2）溫度傳感器及料位傳感器對(duì)進(jìn)出口砂溫、冷卻水進(jìn)出口溫度及料位信息進(jìn)行檢測(cè)，采用變送器，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為4mA～20mA 模擬量信號(hào)輸入到PLC，通過(guò)在PLC 中編制程序，將對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫度及料位信號(hào)，并在人機(jī)界面上顯示。

（3）PLC 對(duì)采集到的出口砂溫與設(shè)定的上限值進(jìn)行比較，若高于上限值，則通過(guò)相應(yīng)的算法降低變頻器的頻率，使得下料旋轉(zhuǎn)閥速度變慢，減緩下料速度，增加砂子的冷卻時(shí)間，使其達(dá)到工藝要求。

（4）檢測(cè)變頻器是否出現(xiàn)故障或者由于線路等原因?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行保護(hù)而輸出故障信號(hào)到PLC，PLC 對(duì)系統(tǒng)下達(dá)停止指令，并且再將故障信息傳送到人機(jī)界面顯示。

2.2.2 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

觸摸屏上顯示系統(tǒng)的手/自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)有主畫面、報(bào)警記錄畫面、調(diào)試畫面、溫度曲線1、溫度曲線2 各個(gè)畫面的相互切換按鈕，見(jiàn)圖3。

圖3 主畫面

在調(diào)試畫面中（見(jiàn)圖4），有料位上下限的調(diào)試窗口，可以根據(jù)生產(chǎn)需求去調(diào)節(jié)料位的上下限數(shù)值，直至滿足工藝要求；具有出口砂溫上限報(bào)警值的調(diào)試窗口，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

圖4 調(diào)試畫面

設(shè)有報(bào)警記錄畫面，當(dāng)砂溫冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)任何報(bào)警，不管人機(jī)界面處于任何畫面，都會(huì)跳出報(bào)警畫面，點(diǎn)擊報(bào)警記錄按鈕，可以查看具體的報(bào)警信息，見(jiàn)圖5。

圖5 報(bào)警記錄畫面

設(shè)有進(jìn)出口砂溫曲線畫面，對(duì)進(jìn)出口砂的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并在同一個(gè)曲線圖中做出隨時(shí)間變化的溫度曲線走向，便于觀察進(jìn)出口溫度的比較及各自的變化情況，見(jiàn)圖6。

設(shè)有冷卻水進(jìn)出口溫度曲線畫面，對(duì)冷卻水進(jìn)出口溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并在同一個(gè)曲線圖中做出隨時(shí)間變化的溫度曲線走向，便于觀察冷卻水進(jìn)出口溫度的比較及各自的變化情況，見(jiàn)圖7。

圖7 冷卻水進(jìn)出口溫度曲線圖

3 結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)消失模鑄造砂溫度的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及閉環(huán)控制，并且在人機(jī)界面上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，具有數(shù)據(jù)條數(shù)、報(bào)警記錄查詢及溫度變化曲線畫面，便于觀察及調(diào)試系統(tǒng)。

消失模砂溫冷卻電控系統(tǒng)，根據(jù)消失模鑄造砂工藝要求，設(shè)定出口砂溫度的上限溫度，通過(guò)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)出口砂溫變化，將采集的溫度進(jìn)行自動(dòng)處理與判斷，并根據(jù)結(jié)果調(diào)整下料變頻器的頻率，從而調(diào)整下料旋轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)速，控制下料速度，實(shí)現(xiàn)砂溫冷卻系統(tǒng)的砂溫自動(dòng)控制，使下料后的砂子溫度滿足工藝要求，回收再利用，提高砂子的利用率，保證消失模的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，達(dá)到節(jié)約成本的目的。