PLC、变频器在恒压除气系统中的应用.pdf

第 4 O卷第 5期 2 01 1年 1 0月 有 色金 属 加 工 NONF ERR OUS ME TAL S PROCESSl NG Vo1 ． 40 NO． 5 Oc t o b e r 2 01 1 P L C、 变频器在 恒压 除气 系统 中的应用 夏 明兰 ， 孙鑫 ， 徐晖 1南京铁道职业技术学 院苏州校 区 ， 江苏 苏州 2 1 5 1 3 7 2徐州 四方铝业集 团， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 7 摘要 主要介 绍了 P L C、 变 频器在除气 系统 中保持恒 压 、 恒 速等综合实 际应用 ， 并解决 了供气 的稳 定性 、 转 子精度 问题 ， 大大提高了产品质量 、 热效率 ， 既经济可靠 ， 同时 ， 节能效果非常显著 。 关键 词 P L C ； 变频器 ； 恒压 ； 除气 中图分类号 T P 2 7 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 6 7 9 5 2 0 1 1 0 5 0 0 6 0 0 3 我 校校 企 合 作 企 业 徐 州 四方 铝 业 公 司 主 要 铝 加 工产品在熔炼 、 连铸过 程 中吸气 ， 造 成产 品含气 、 夹 渣 ， 影响产品质量和综合成材率 。因此必须对铝合金 熔体进行精炼 ， 以除去氢气及氧化夹渣。另外 ， 由于 铝熔体在流送过程 中也极易吸收空气中水分 ， 产生二 次污染 尤其是每年 69月高温多雨季节 。铸轧带 坯中气孔 、 夹杂等严重影响其 内部质量 ， 导致铝 材成 材率降低 。所 以在 生产过程中， 不但进行炉 内精炼 ， 还要进行在线精炼 ， 在线除气和过滤是炉 内精炼的完 善和补充 。铝熔体在线处理一直是我们重点研究 和 和改进的对象。 目前该公 司使用 的在线精炼设备密 封性能不是很好 ， 箱体之 间或箱体与箱盖之 间只是机 械的连接在一起 ， 除气 系统的供气稳定性不好 ， 造成 石墨转子除气过程 中达不 到恒压 、 封闭除气 的效果 ， 产生的粉 尘弥散在 除气箱上方 ， 对生 产环境 有一定 污染 。 该 公 司从 事 铸轧 生 产 已有 十六 年 的历 史 ， 一 直沿 用老的在线除气设备 ， 此次技术改造主要 目的是保持 供气压力稳定 ， 减少温 降， 降低熔炼炉铝水温度 ， 以实 现节能降耗 ， 提高铝熔体纯度 和产品质量， 改善生产 环 境 1 应用原理 1 ． 1 在 线净化 除气 系统 原理 铝熔体的精炼是精炼惰性气 体通过旋转 喷头进 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 2 8 作者简介 夏 明兰 ， 高级工程师 ， 主要从事 电气 自动化 与 自动 控制 系统研 究。 入铝液内进行的。喷头转速 和气体 流量对 铝熔体净 化效果有很大的影响， 旋转喷头在转动过程中对气泡 的细化 ， 并使气泡在铝液 中的分散起着重要作用。由 于喷头旋转 引起 液面翻腾 ， 随着喷头转速不 断提高， 在 铝 液 中心 形 成 一 个 喇 叭 形 负 压 区 ， 加 剧 了铝 液 吸 氢 、 氧化和夹渣。因此 ， 应综合考虑转速对气泡 的细 化和对铝液的干扰作用 ， 在实际生产 中喷头转速应在 2 5 0 r ／ m i n左右 为宜 。喷 头 的 叶 片 对 去 氢 效 率 有 重 要 作用。气体流 量越大， 去氢效率就越高。但是 ， 气 流 量 也 不 可 无限 制 的 增加，供 气 量可 在 1 ． 5 m ／ h～ 6 ． 5 m ／ h 内调 节 。气 流 量 过 大 ， 则 反 应 室 内气泡太多 ， 相对而言要处理的铝液量变少 ， 气 、 液接 触 的 时间缩 短 ； 同时 当气 流 量 过 大 时 ， 加 剧 了铝 液 的 上下对流， 气泡在铝熔体 中停 留的时间大大缩短 ， 从 而降低去氢效果 。为此， 在实 际生产 中， 为 了减小上 下对流的影响 ， 提高气体利用率 ， 应尽量避免使用过 大的气流量。单靠增大气 流量来 提高去氢效率是难 以奏效的， 应控制气体 的流量使铝液 面不 产生翻腾。 经现场试验 ， 对 6 0 6 1 合金而言 ， 在除气率达到 5 0 ％ 以 上并 且不 产生 铝 液 翻腾 情 况下 的气 体 流 量 为 4 m ／ h ～4． 5 IT I 。 ／ h 。 为了使装置内熔体表面上方充满惰性气体 ， 需要 一 个 严格密 封 的盖 子将 除 气 腔与 大 气 隔离 ， 因盖 子 自 重小 ， 设计 了液压机构可将盖子与除气箱压 紧， 盖子 为组合式 ， 受热变形后可方便更换 ， 同时， 盖子可液压 或手动提升和旋转 ， 操作简便。除气装置结构示意图 如 图 1所示 。 第 4期 有色金属加工 6 1 n 孰 晏生麓 F 廿 ＼I． 特 寸 届．』 瓦 日 热器保护套垫圈＼ 一 l T。_ ． 一 I ／转子衬整 一 、 、 _ T ～ ‘ I ／ 一 置 } 卜 ／ 子 半 套 嘶 器 保 护 毒 l ■ ■ _ 一 石 ； 一 8 ‘ _ - ～ 热 器 密 封 塞 -I 一 I - 石墨叶轮 一 一 l l 躐 缫 日 热器衬垫 一 一 一 0 ． I m e-g 雾 l l 日 ■ S嘲 礴 礴 礴 1 5 0 0 图 1 除气 装 置 结 构 示 意 图 1 ． 2 传统控制系统方案 传统除气 系统 控制常用 电气框 图如 图 2所示 。 该系统全部 用常用电气控制系统 ， 其 中， 除气加 热电 阻丝装置进 行加热 由温度 继电器的开关量来控制 加 热器接触器的通断 ， 这种工作方式无法保证温度的精 确度 ， 同时， 由于接触通断的冲击较大， 使 电阻器 的损 坏很快 ， 造成成本增加 。石墨转子 由恒速电机驱动旋 转 ， 这种控制方式无法满足石墨转子调速 的均匀性需 求 ； 而气控制系统是 由气泵来对储气 罐充气 ， 通 过定 时补气 的方法来保证储气罐 内空气的压力控制系统 ， 又造成能耗较 大， 因为这种控制 方式是 开环控制 ， 无 法满足系统 压力恒定 ， 从而也无法保证 除气效果 ， 严 重影响产品质量。总之 ， 这种传统 电气控制系统无法 满足 1 ． 1中在线净化 除气系统较 高工艺要求 ， 对其电 气控制系统 的改造也是必须的。 图 2 除气 系统常用电气控制 系统框 图 2 技 改实施方案 根据 1 ． 1中在线净化除气系统原理分析， 结合该 设备控制系统的具体结构及特点 ， 改进该常用 电气控 制系统为 P L C、 变频控制系统如图 3所。 系统具体功能如下 图 3 P L C、 变 频 控 制 系统 框 图 ① 系统 的 主控 单 元选 用 日本 O MR O N公 司 的 C Q M1 H型可编程序控制器作为主控单元 ， 它具有 开 关量的输入、 输 出单元 ， 可扩展模人 、 模 出模块 ， 并有 R S一 2 3 2标准 串口。C Q M1为积木式结构 ， 系统 构成 及扩展方便 ， 抗干扰性能好 ， 作为现场主控部件较 理 想。由它完成 自动控制、 石 墨转 子互锁 、 变频器控制 等逻辑控制功能。所有参数均可通过 1 2 彩 色触摸屏 显示和控制 。 ② 本 系统以除气装置 内铝液 的温度为 主要控制 对象 ， 输出控制触点控制 晶闸管模块 的电压输 出， 从 而控制 2 4 K W 加热器 的加热 回路 电压， 可以实现保持 铝液温度和在小范 围内调节铝液温度 的 目的 ， 满足生 产工艺要 求 ， 避免停 机时 的放 流和开 机时 的重新烘 炉。加热器电流可通过 1 2 彩色触摸屏直观地显示和 控制 。为了保证系统的可靠性和安全性 ， 当铝液温度 超过设定值时晶闸管模块 自动调节加热器电压， 以保 证加热器使用寿命 ， 同时控制柜顶上的声光报警器发 出报警信号 ； 当铝液温度过低 、 加热器保护套管破损 铝液浸入或加热元件断开， 声光报警器都会 自动报警 提示 。 ③ 由于铝液的温度和流量 随工艺的要求有所不 同 ， 而连续浇铸对铝液流量有一定要求。因此对铝液 除气装置控制系统 的控制精 度要 求较高。故在氯气 及氮气流量控制系统的设计 中， 在保证氯气及氮气流 量维持在设定范围内和保证工作可靠 的前提下 ， 根据 工艺要求合理控制流量 ， 使流量调节具有连续性和灵 活性 。 ④ 控制系统根据设定值 和压力传感器采集的管 网实际压力信号 ， 在较高 的检测和控制精度范 围内， 控制管网的压力恒定。并在氯气及氮气 的压力达不 到系统工作要求时 ， 发 出报警信息 ， 通知 P L C自动锁 定 ， 相关电气保护动作 ， 以保证整个系统工作 的可靠 性 和安全 的控 制 。 6 2 有色金属加工 第 4 0卷 ⑤ 本系统可根据工艺要求防止搅拌不够充分 ， 保 证除气功能的顺利完成 ， 系统选用变频器实现对石墨 转 子 电机 的无 级 调 速 ， 调 速 范 围 0 --4 0 0 R P M， 由 P L C 自动控制搅拌电机的转速和石墨转子的升降 ， 实现 自 动调 节功 能 ， 也 可 由人 工 根据 工 艺要 求 手 动调 节 。根 据工艺要求 ， 由系统 自动判断石墨转子可否开始升降 动作 ， 何时关闭气体 ， 以防止铝液对石墨转子造成损 害和堵塞 。当石墨 转子搅拌受 力 搅拌 叶轮一侧损 坏 不平 衡 而产生 过负荷 时 ， 调速 装 置将 自动 保护 报警。 ⑥ 本系统采用扩散硅压力传感器采集各 管网压 力 、 电远传流量计采集流量信号 ， 具有测量精度高、 测 量准确 ， 并以标准信号传送给 中央处理器 ， 以作为系 统控 制参 数 ， 并在触 摸屏 上 随时显 示 和控制 。 ⑦ 本系统采用 自动流量调节装置， 可通过触摸屏 调节气体流量 。并在给定流量值 的前提下 ， 自动调节 气体流量 ， 保持流量恒定 ， 以确保除气效率。 ⑧ 本系统采用 1 2 彩色触摸显示屏 ， 以动画图形 及中文方式显示除气箱 内熔体温度 ， 加热器保护套管 内温度 ， 过滤箱 内熔体 温度 ， 转 子转速 管 网压 力、 流 量、 铝液温度及阀门运行状态 、 石墨转子转速、 加热电 流 、 设 备状 况 等信息 。 ⑨ 当发生电气 、 机械故障和工艺参数超出设定值 等时， 系统进行声 、 光报警 ， 并采取相应措施 。上位机 故障时， P L C及变频器可 以组成独立控制系统进行工 作； 若整个上 、 下位 自动系统均发生故障， 现场控制柜 具 有 手动功 能 ， 以保 证系 统工 作 的不 间 断 。 3 结束语 经 过一 段 时间 的运行 实践 证 明 ， P L C 、 变频 器 用 于 除气控制系统是现代电气 自动化运用 的综合体现 ， 使 设备的稳定性 大大提高 ， 调速 的精准度 得到极 大改 善 ， 操作极为方便 ， 维修量极大减少 。铝加工产 品的 综合成材率由原来的 7 5 ％提高到 8 6 ％， 产品质量得到 很大提高。另外 ， 由于降低 了铝液的精炼温度 ， 采取 了在线保温措施 ， 节省了能源 ， 实现节能降耗 ， 为企业 做出重要贡献。以每年每条生产线年产铝板 1 2 0 0吨 计算 ， 四条线生产平均每加工 1吨铝材约节省 1 6 0元 ， 年 累计 节 约资金 7 6万元 。 参 考 文献 1 ． 刘瑞华 ， s 7系列 P L C与变频器综合应用技术 ， 中国电力出版社 2 ．吕汀 石红梅 变频技术原理与应 用 机械工业 出版社 3 ．张选正 史步海 变频器故障诊 断与维修 电子工业出版社 4 ．周 绍英 交 流 调 速 系统 机 械 工 、 l 出 版社 Ap pl i c a t i on o f PL C、 F r e qu e n c y Con v er t e r i n Co n s t a n tPr e s s u r e D e g a s s i n g Sy s t e m XI A M i n g l a n ， S UN Xi n ， XU Hui 1 Na n j i n g Ra i l w a y P r o f e s s i o n a l C o l l e g e ， S u z h o u， J i a n g s u ， 2 1 5 1 3 7， C h i n a 2 X u z h o u S i f a n g A l u m i n u m I n d u s t r y C o ． ， L t d ， X u z h o u ， J i a n g s u ， 2 2 1 0 0 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Th is a r t i c l e Ma i n l y in t r o d u c e s a PL C a n d i n v e r t e r t o k e e p c o n s t a n t p r e s s u r e in t h e d e g a s s i n g s y s t e m ，t h e c o n s t a n t sp eed et c and cl inch es t he st abi l it y pr obl em of pr ovidi ng t h e g as， r ot or a ccu r ac y．I t c ons umedl y r ai s ed pr oduc t qual it y and t h er m a l ef f i c i enc y，si n ce it i s e con om ies de pendab l e，a t t h e same t i me， ene r gy s av i ng i s not ab l e． Ke y wor d sPL C a n d in v e e r ；Co n s t a n t p r e s s u r e ；De g a s s i n g 上 接 第 4 5页 I n v e s t i g a t i on o n Con s t i t u t i o n De s i g n a n d Ma n U f a C t U r i n g Pr o c e s s f o r Hi g h Sp e e d St e e l Comp l e x Rol l ZHANG Sh a o s hun C h i n a N o n f e r r o u s M e t a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ， L u o y a n g ， H e n a n ， 4 7 1 0 3 9 ， C h i n a 下转 第 1 2页