基于S7-300石墨電極成型自動控制系統研究

(郴州職業技術學院,湖南 郴州 423000)

0 引言

石墨電極在工業領域中具有廣泛應用,特別是在電解鋁生產中扮演著重要角色。石墨電極的質量和性能直接關系到電解鋁的生產效率和產品質量。而石墨電極成型是石墨電極生產過程中的重要環節之一[1-2],對石墨電極的形狀和尺寸進行控制,以保證石墨電極的性能和質量。

傳統的石墨電極成型通常依靠人工操作,存在效率低下、成型精度難以保證、易受到操作者技能水平影響等缺點。因此,需要引入自動化控制技術來提高石墨電極成型的效率和精度,從而提高生產效率和產品質量。

本文研究目的是設計一種基于S7-300 PLC的石墨電極成型自動控制系統,從而實現對石墨電極成型過程的自動化控制和精度控制。

1 石墨電極成型工藝及發展現狀

石墨電極是一種用于高溫高壓條件下的電極材料,具有高強度、高導電性、高耐腐蝕性、高溫穩定性和低膨脹系數等特點,在電解鋁、電解銅、電石等行業中有廣泛應用。石墨電極通常是由針狀石墨粉和石墨鱗片經過加工制成的[3-4]。

1.1 成型工藝

石墨電極成型是指將石墨材料加工成所需形狀和尺寸的過程。常用的成型方法有擠壓成型、壓力成型和加熱成型等。其中,擠壓成型是一種常用的石墨電極成型方法,主要分為兩個步驟[5]:首先將石墨材料壓縮成塊,然后再利用擠壓機將其擠壓成所需的形狀和尺寸。在擠壓成型過程中,需要控制擠壓壓力、擠壓速度和擠壓溫度等參數,以保證石墨電極成型質量和性能。

1.2 成型工藝發展現狀

石墨電極成型工藝發展如表1所示,隨著工業自動化技術的不斷發展和應用,石墨電極成型也向著自動化和智能化方向發展。在自動化成型方面,利用PLC等控制器實現了自動控制和監測,顯著提高了生產效率和成型精度。同時,還引入了機器視覺和傳感器等技術,實現了自動檢測和自適應控制,進一步提高了成型質量和效率[6-8]。

表1 石墨電極成型工藝發展現狀

2 系統設計及工作原理

2.1 設計要求

基于S7-300 PLC的石墨電極成型自動控制系統的設計要求與原則如下:

1)精度要求高。石墨電極成型的精度對產品質量有著至關重要的影響,因此自動控制系統的設計應保證成型精度盡可能高。

2)可靠性要求高。自動化控制系統是整個生產過程的核心,必須具備高可靠性和穩定性,以確保生產過程的順利進行和產品的一致性。

3)易于操作和維護。控制系統的操作和維護應該盡可能簡單易懂,以降低操作者的技能要求和維護成本。

4)靈活性和可擴展性。隨著生產需求的變化,自動化控制系統應具有一定的靈活性和可擴展性,能夠滿足不同規模的生產需求。

5)安全性。控制系統的設計應該符合國家安全標準,保證操作者和設備的安全,防止發生事故。

2.2 整體結構

2.2.1 電控系統

基于S7-300 PLC的石墨電極成型電控系統是整個自動化控制系統的核心部分,它通過實時監測、數據采集和控制調節等操作,實現對石墨電極成型生產過程的自動化控制。

該電控系統由PLC主控模塊、輸入輸出模塊、人機界面模塊、電氣控制柜和各種傳感器、執行器等組成。其中,PLC主控模塊作為控制中心,接收來自各個傳感器和執行器的反饋信號,并根據預設的控制程序進行實時監測和調節。輸入輸出模塊負責將各種信號轉換為數字信號,并將PLC輸出的控制信號轉換為各種控制動作,如驅動電機、氣缸等。人機界面模塊通過觸摸屏或按鈕等控制方式,實現人機交互和操作。電氣控制柜作為整個電控系統的電源和保護裝置,負責對電控系統進行供電和安全保護。傳感器和執行器等裝置則用于對生產過程中的各種參數進行實時監測和調節。

2.2.2 儀表系統

儀表系統是指對生產過程中的各種物理量、化學量和機械量等進行監測、測量、分析和控制等操作的系統。在石墨電極成型自動控制系統中,儀表系統主要用于實時監測和控制石墨電極成型過程中的各種參數,如溫度、濕度、壓力、電流、電壓等。

通過傳感器、流量計、電流電壓表、控制閥等將各種物理量轉換為電信號,并將信號傳輸至PLC主控模塊,實現對石墨電極成型過程中的各種參數進行實時監測和控制。

在石墨電極成型過程中,溫度和壓力是影響石墨電極成型效果和質量的重要參數。因此,溫度傳感器和壓力傳感器是儀表系統中的重要組成部分。溫度傳感器可以實時監測成型過程中的溫度變化,并將變化轉換為電信號傳輸至PLC主控模塊,從而實現對溫度的實時監測和控制。壓力傳感器則可以實時監測成型過程中的壓力變化,并將變化轉換為電信號傳輸至PLC主控模塊,從而實現對壓力的實時監測和控制。

除了溫度和壓力外,電流和電壓也是影響石墨電極成型效果和質量的重要參數。因此,在石墨電極成型自動控制系統中,電流電壓表是必不可少的儀表。電流電壓表可以實時監測成型過程中的電流和電壓變化,并將變化轉換為電信號傳輸至PLC主控模塊,從而實現對電流和電壓的實時監測和控制。

基于S7-300石墨電極成型自動控制系統傳感器型號和參數如表2所示。

表2 基于S7-300石墨電極成型自動控制系統傳感器型號

2.2.3 計算機系統

采用德國西門子公司S7-300(S7-315 CPU)系統及計算機人機界面對全廠工藝設備進行集散式監控。需要實現以下功能:監視功能,參數設置功能,啟停控制功能,趨勢曲線、歷史查詢功能,故障、報表及用戶管理(圖1)。

圖1 計算機系統網絡配置圖

2.3 工作原理

基于S7-300 PLC的石墨電極成型自動控制系統可以實現對石墨電極成型工藝的精確控制和實時監測,提高產品質量和生產效率,同時也減少了人工操作和誤操作的可能性。基于S7-300 PLC的石墨電極成型自動控制系統的工作原理可以簡單概括為以下幾個步驟:

1)監測環節參數。傳感器實時監測擠出機的擠壓力、溫度、濕度、速度等環節參數,將數據傳輸給PLC控制器。

2)判斷參數是否達標。PLC控制器對傳感器傳輸過來的數據進行處理和分析,判斷環節參數是否達到預設要求,如是否超出合理范圍、是否滿足工藝要求等。

3)下達控制指令。根據判斷結果,PLC控制器下達相應的控制指令,調節擠出機的擠壓力、溫度、濕度、速度等參數,從而使生產過程滿足工藝要求。

4)實時監測過程狀態。PLC控制器也實時監測生產過程的狀態,如設備的運行情況、產量、質量等,將監測數據傳輸給人機界面和數據存儲設備。

5)人機交互控制。操作者可以通過人機界面進行控制和監測,如查看生產過程狀態、修改設備參數等。

3 系統運行測試

基于S7-300石墨電極成型自動控制系統的運行測試結果如表3所示,經過基于S7-300石墨電極成型自動控制系統的運行測試,得出以下結論:該系統能夠有效提高生產效率,石墨電極尺寸精度達到了±0.05 mm,石墨電極硬度均勻性提高,硬度穩定,設備運行穩定可靠,無故障停機情況,每支電極的能耗降低了約10%,操作簡便,易于維護和保養。然而需要注意的是,具體的測試結果可能會因為不同的測試條件、實驗設計等因素而有所差異。

表3 系統運行測試結果

4 結論

通過對基于S7-300石墨電極成型自動控制系統的研究,我們得出以下結論:

1)石墨電極在鋼鐵、有色金屬、化工等領域中有著廣泛的應用,并且石墨電極成型工藝已經得到了廣泛的應用和發展。

2)基于S7-300 PLC的石墨電極成型自動控制系統需要滿足多項設計要求和原則,如穩定性、精度、可靠性等。

3)基于S7-300 PLC的石墨電極成型自動控制系統的整體結構包括了計算機系統、電控系統和儀表系統。

4)經過運行測試,該系統能夠有效提高生產效率,石墨電極尺寸精度達到了±0.05 mm,石墨電極硬度均勻性提高,硬度穩定,設備運行穩定可靠,無故障停機情況,每支電極的能耗降低了約10%,操作簡便,易于維護和保養。

綜上所述,基于S7-300石墨電極成型自動控制系統在石墨電極成型領域具有廣泛的應用前景,可以提高生產效率,降低成本,并且能夠提高石墨電極的質量和穩定性。