基于PLC的LSPSF半固态制浆装置控制系统设计.pdf

基于P L C 的L S P S F 半固态制浆装置控制系统设计 Desi gn of LSPSF sem i - sol i d pul pi ng devi ce cont r ol s y st em bas ed on PLC 范时候’ ，刘旭波L ，吴正伟’ ，操顺森’ F AN Sh i ． h o u。 ，L I U Xu _ b Ol I ，W U Zh e n g - we i ‘ ，CAO Sh u n s e n。 1 ． 南昌大学 机电工程学院，南昌 3 3 0 0 3 1 ；2 ． 江西省高性能精确成形重点实验室，南昌 3 3 0 0 3 1 摘 要L S P S F 工艺装置自动化水平的提高对半固态成形技术的发展具有重要意义。根据装置控制要 求和技术参数 ， 建立了基于西门子P L C s 7 2 0 0 的L S P S F 半固态制浆装置控制系统，分析了该 装置的控制对象与控制过程并绘制了控制流程图， 确定了P L C 的输入口和输出口的分配以及电 气元件的选型，完成了软、硬件设计方案。实验证明该系统能有效地提高制浆装置的工艺稳 定性和效率。 关键词L S P S F ；PL C；半固态 ；控制系统 中图分类号 ． T P2 7 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 5 o 5 下 - 0 0 9 7 -0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 5 ． o 5 下 ． 2 8 0 引言 2 0 世纪7 0 年代初期美国麻省理工学院的F l e mi n g s 等 发明了半固态金属成形技术 s e m i ． s o l i d m e t a l f o r m i n g ， 简称S S M 。它是指利用金属从 固态向液态或者从液态 向固态两相转变过程 中的半固态 区的金属具有 良好的流 变特性而进行 的金属成形 。与传统的金属液态成形和塑 性成形相 比，半 固态具有许 多优势 1 半固态浆料具 有流变性和触变性 ；2 半固态成形温度 比全液态成形 温 度低 ，提高 了成形模具的使用寿命；3 半固态浆料 有较高的黏度 ，有利于提高材料 的均匀性；4 应用广 泛，适用于多种加工工艺。也正是这些优势，所以被誉 为2 1 世纪最有发展前景 的现代加工新技术。 剪切低温浇注式半固态 浆料制备工艺 L o w s u p e r h e a t p o u r i n g w i t h a s h e a r fi e l d ， L S P S F是南 昌大学 自主 研 发的一种新型半固态制备工艺。该工艺基于机械搅拌 碎 晶原理，在液相线附近通过倾斜转管对金属熔体进行 激冷和搅拌 ，获得微观组织细小、分布均匀且近球形的 半 固态浆料。制浆时的温度控制主要 由工作人员根据 自 己的经验手动控制。此方法不仅不精确，温度波动范围 大 ，影响浆料的制备质量 。 本文运用P L C控制技术，对LS P S F 半固态制浆工艺 装 置系统进行控制 ，提 高了温度 控制精度和抗干扰 能 力 ，同时也提高了L S P S F 装置的 自动化水平，减少 了人 为因素对浆料制备质量的影响。 1 L S P S F 装置的简介与控制方案 6 1 ． 柱塞；2 ．入 口导漉组件 ；3转管4 ． 冷却 装置5 ．加热装置 6 ． 出口导漉组件 图1 L S P S F 工艺 装置结构简图 图l 为L S P S F 工艺装置的结构简 图，该工艺装置主 要 由浇注系统、浆料制备系统及接料系统三大部分所组 成，浇注系统主要 由熔炼炉和活塞棒组成，熔炼炉主要 用于金属合金的熔炼及存储，活塞棒用于开启和闭全位 于熔炼炉底部的浇嘴，实现对高温金属液流量的控制； 浆料制备系统主要 由一倾斜转管和机架级成，转管架设 在机架上，能过 电机控制转管 的转速 ，同时也可 以过调 节机架实现对转管的倾斜角的调整接料系统主要由一 结晶炉组成，用于存储制备好 的金属半固态浆料。 收稿日期2 0 1 4 - 1 2 - 1 9 基金项目国家 自然科学基金 5 1 2 6 1 0 1 9 ；江西省自然科学基金 2 0 1 2 2 B A B 2 0 6 0 2 2 作者简介范时候 1 9 9 0一，男，江西南 昌人，硕士，主要从事生产及制造系统的研究。 第3 7 卷第5 期2 0 1 5 - 0 5 下 [ 9 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 本系统主要采用的是西 门子P L C S 7 ． 2 0 0 进行控制 ， 控制对象主要有 1 柱塞的启闭控制 金属熔体在熔炼炉中静置到合适的温度后，柱塞开启 熔炼炉底下的浇嘴，使熔融液J IF N流入入口导流装置。在 熔融液全部流入后，柱塞向下关闭熔炼炉底下的浇嘴。 2 入口导流组件与出口导流组件 的温度控制 由于导流组件对高温金属熔体起导流 引向作用 ， 当高温金属熔体由坩埚浇入导流组件时，如果导流组件 温度过低 ，将会对金属熔体产生过大激冷 ，使金属熔 体瞬 间冷却 ，产生凝结现象 ，严重影 响合金浆料 的质 量 。所 以必须控制导流组件 的温度 ，温度控制范 围为 3 0 0℃ ～ 4 0 0 ℃ 。 3 转管的温度控制 转管是L S P S F 浆工艺装置的核心装置。它在浆料 制备过程中主要起到的作用就是激冷和搅拌。但是激冷 的强度既不能太强也不能太弱，也就是转管与金属熔体 的温差不能太大也不能太小 。如果太大，金属熔体冷却 太快 ，导致制备 出来的浆料固相率太高，流动性太差 ， 不利于流变成形 。反之，如果温差太小，金属熔体冷却 不充分，还没有经过大量形核与枝 晶破碎就从 出口导流 组件流出来 ，以致无法制备半固态浆料 。所 以需要严格 控制转管 的温度 ，起初 开启转管加热装置 ，将转管温 度升至4 5 0 ℃ 以上 ，但随着熔体的不断流入，由于热传 导的作用 ，转 管的温度会 不断升高，当转 管温度 超过 5 5 0 ℃时，此时应启动冷却装置 ，将转管温度降下来， 使其保持在正常的温度范围内，达到最佳的激冷效果。 4 转管电机转速 的控制 转管 电机分为手动和 自动两档 ，在手 动操作方式 下，在操作面板上按下启动按钮时，电机得电，电机主 轴开始启动，通过齿轮副带动转管转动，当松开手 时， 电机失电，主轴停止转动。在 自 动操作方式下 ，在操作 面板上按下启动按钮时，电机主轴旋转 ，当按下停止按 钮时，主轴停止转动。此外 ，转管转动方式有旋转与摆 动两种 。在旋转模式下 ，转管绕着旋转轴做回转运动； 在摆动模式下，转管绕着旋转轴做回摆运动 。此两种模 式皆可对金属熔体起搅拌作用。 2 控制系统设计 控制系统框图如图2 所示 。 转管电 机I 柱塞电 机1 7 - 2 0 0 加热 器 C P U 2 2 4 {温度传感器 冷却器} { E M 2 3 1 模块 人机界面I C P 一 2 4 3 - 1 模块 报警 图2控制系统框图 1 0 8 1 第3 7 卷第5 期2 O 1 5 0 5 下 2 ． 1 P L C 的选择 根据控制系统的要求，选取西门子P L C S 7 ． 2 0 0 C P U 2 2 4 作为控制器进行控制 。C P U集中输入点数为1 4 ，集 中输出点数为1 0 。由于s 7 2 0 0 CP U 2 2 4 只有数字量输入 输 出，而本系统 中有涉及到模拟量输入，所 以需要扩 展模拟量输入模块。选取2 个E M 2 3 1 模拟量输入模块提 供模拟量输入 ，以满足控制要求。它是A D转换模块 ， 具有四个模拟量输入，主要用于本系统中的温度信号输 入 。除此之外，再选取 1 个CP 2 4 3 ． 1 工业以太网连接模 块 。通过 以太网的连接，P L C可以利用远程编程器，对 其进行程序编辑、状态监视 、程序传送等编程服务，也 可 以与网络 中的其他P L C 进行数据交换、进行E ． ma i l 的 收发与P L C 数据的读写操作等。 2 ． 2 操作面板的设计 根据控制要求设计的操作面板如图3 所示。 ．在操作面板确定后 ，可以将用于操作面板的全部器 件进行归纳与汇总，以便统计I ／ O点数。 O o 总启动 急停 0 转 管 电 机 自 动 0 转 管 电 机 手 动 0 转 管 高 温 0 转 管 低 温 。 入 口 高 温 0 入 口 低 温 0 出 口 高 l温 e 出 口 低 温 0 熔 炼 炉 高 温 0 熔 炼 炉 低 温 e 事 故 报 警 q ，带 指 示 灯 的 按 钮 0指 示 灯 图3 L S P S F 控制系统操作面板图 2 ． 3 P L C 控制程序的I ／ O配置及P L C 的I ／ O接线 L S P S F 半固态制浆装置控制系统的设计主要涉及到 1 O 个数字量输入 ，9 个数字量输 出，还有五个模拟 量输 入 ，次模拟量输入 皆为测温信号，另外还扩充了工业以 太网连接模块CP 2 4 3 ． 1 。P L C控制程序的I ／ O配置如 表1 所示。 P L C 控制系统I ／ O 接线 图如 图4 所示。 2 ． 4 P L C 控制系统软件设计 L S P S F 工 艺装置 的控制 系统程序 是采 用S T E P 7 一 Mi c r o ／ Wi n 软件 以梯形 图的形式进行编写。其系统 的控 制流程图如图5 所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 P L C II O配 置表 输入设备 输 出设备 序号 代 号 控制信号 输人 口 序号 代号 控制信号 输 出口 0 1 S B1 转管电机 自动控制 1 0 ．0 0l K M1 转管电机 QO ． 0 0 2 S B 2 转管电机手动控制 I O ． 1 0 2 K M2 柱塞电机 QO ． 1 0 3 S B 3 柱塞电机启 、停 I O ．2 0 3 K M3 入 口导流组件加热器 QO ． 2 0 4 S B 4 入 口导流组件加热启 、停 I O ． 3 04 K M4 出 口导流组件加热器 QO ． 3 0 5 S B 5 出 口导流组件加热启 、停 1 0 ．4 0 5 K M5 转管加热器 QO ． 4 0 6 S B 6 转管加热装置启 、停 1 0 ． 5 0 6 K M6 转管冷却器 QO ． 5 0 7 S B 7 转管冷却装置 启、停 1 0 ． 6 0 7 K M7 事故报警指示灯 Qo ． 6 0 8 S B 8 总启动 1 0 ． 7 0 8 K M8 自动指示灯 Qo ． 7 0 9 S B 9 急停 I 1 ．0 0 9 K M9 手动指示灯 Q1 ． 0 1 0 S B1 0 制浆装置故障 I 1 ． 1 1 1 测温信号 E M2 J 1 电源删 l K i 12日 n l电源 K 髓 脚6 K 盯 电源 脚8 K 岫 ≥ [ ][ ] [ ][ ] ≥ 砷 T 22 S S S S S S S S S S Q I L n 0 0 ． 1 0 ． 2 n 3 2 L 0 ． 4 0 ． 5 0 ． 6 3 L 0． 7 L 0 1 ．1-L N LI c 期 2 c ， D C ／ 盎电墨 l U 0 ． 0 0 ． 1 0． 2 3 0 ． 4 0 ． 5 0 ． 6 0 ． 7 2 M 1 ． 0 1 ． 1 1 ． 2 1 ． 3 1 ． 4 1 ． 5 H L s Q Q E ＼ } ＼ E 、 E ＼ E ＼ f{ E ＼ I [ _ ＼ l S B I S B 2 S B 3 S B 4 s B 5 S B 6 S B 7 S 硝 S B 9 S B l O 图4 P L CI ／ O接线图 l 鳘 I 5 P LC控 制 流 程 图 由上 图可知 ，该装 置的工艺过程如下 首先将装 置初始化，设置好各个参数。对入出 口导流组件进行加 热，将其加热到指定温度 3 0 0 “C4 0 0 “ C之 内。然后 加热转管至温度下限 4 5 0 C。接着启动转管 电机， 开启 自动控制模式 。一切准备就绪后 ，当熔体浇注到熔 炼炉中，静置到恰当温度后，启动柱塞电机 ，开启熔炼 炉底下 的浇嘴 ，使熔体顺利通过入 口导流组件 流入转 管。由于熔体温度高于转管，经过热传递作用 ，转管的 温度会不断上升，当转管温度达到上限 5 5 0 ℃，启 动转管冷却装置对转管进行冷却至温度下限。 此程序还具报警功能，当温度值超出温控范围或是 装置出现故障时完成报警。温度值 由温度传感器提供， 故障由故障输 出点提供。 3 结论 本文研究的是基于P L C 控制 的L S P S F 半固态制浆装 置系统。简述 了L S P S F I艺装置，分析了控制对象，并 在此基础上做 出了输入输 出配置表，完成 了软硬件的设 计与制作 。经过大量的实验验证，通过对装置进行P L C 控制，提高了设备的可靠性与稳定性，同时也提高了浆 料的制备效率，且便于操作也益于设备维护。 参考文献 ● 【 1 ] 彭桂力， 刘 知贵 ． 集中供热锅炉控制系统的P L C控制【 J 1 ． 电力 自动 化设备， 2 0 0 6 ． 2 6 9 7 5 ． 7 7 ． f 2 】 张伏 ， 邱 兆美， 王俊等 ． 基于 西 门子P L C的洗 碗机控 制系 统设计 [ J ] ．制造业 自动化，2 0 1 3 ， 3 5 1 0 3 1 3 2 ． 【 3 】孙翔鸿， 朱家诚． 基于P L C 控制的全 自 动免熔铅制粒机的研究【 J 】 ． 机械设计与制造。 2 0 1 3 6 1 5 4 ． 【 4 】 王映龙， 徐辉辉， 刘道 金， 等． 球形 水果实 时分级P L C控制系统 [ J 】 ． 农业机械学报， 2 0 0 7 ， 3 8 1 2 2 2 9 ． 2 3 0 ． 【 5 ] 彭秀英， 陈亚， 罗艳蕾． 基于P L C控制的电加热滚筒杀青机温度控 制系统[ J 】 ． 农机 化研究， 2 0 1 1 ， 3 3 4 ． [ 6 】 郭洪 民， 杨湘杰． L S P S F 流变铸造 工艺及 其应 用f J 1 ． 特种铸造及有 色合金． 【 7 ] 谢水 生， 潘 洪平 ， 丁志 勇． 半 固态金属 加工技 术研究现 状与应 用 [ J ] ． 塑性工程学报， 2 0 0 2 ， 9 2 1 - 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