1. 前言
炭素成型生產(chǎn)是炭素配料、混捏后的重要環(huán)節(jié)。成型就是將混捏好的糊料用加壓設(shè)備壓制成所需要的形狀和尺寸以及具有較高密度的半成品。
振動(dòng)成型是煉鋁用預(yù)焙陽極和高爐用炭塊的重要生產(chǎn)方法，主要設(shè)備有振動(dòng)臺(tái)、模具和重錘。將裝有熱糊料的模具放在振動(dòng)臺(tái)上，然后把重錘壓在糊料表面上開動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，使糊料受到振幅小而頻率高的強(qiáng)迫振動(dòng)，在強(qiáng)烈的振動(dòng)下糊料顆粒間、糊料與模具壁間的摩擦力減小，顆粒移動(dòng)并合理分布，得到具有規(guī)定形狀的高密度產(chǎn)品。壓好的半成品經(jīng)冷卻、檢查后堆放。
2. 系統(tǒng)構(gòu)成
2.1. 產(chǎn)品簡介
過去振動(dòng)成型機(jī)一般都是人工手動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)炭塊的重量和高度波動(dòng)范圍較大時(shí)，產(chǎn)量和質(zhì)量就會(huì)受到較大的影響。浙大中自公司工程技術(shù)人員與某機(jī)械廠合作，根據(jù)設(shè)備和生產(chǎn)要求，成功地將SunyPLC200一體式小型可編程邏輯控制器應(yīng)用于振動(dòng)成型機(jī)的自動(dòng)控制。
SunyPLC200是浙大中自公司利用最新微處理器技術(shù)自主研發(fā)的一體式小型可編程，具有運(yùn)行穩(wěn)定、成本低廉、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。32位嵌入式CPU使程序執(zhí)行速度高達(dá)0.55μs/步，80kB的程序容量足以滿足中小型機(jī)械設(shè)備的各種控制算法，獨(dú)特的級(jí)聯(lián)總線可擴(kuò)展7個(gè)I/O模塊。大規(guī)模集成電路的使用使得SunyPLC200特別適應(yīng)于高溫、潮濕、電磁干擾和機(jī)械振動(dòng)大的惡劣環(huán)境。特殊的I/O電路設(shè)計(jì)，即使在晶體管輸入端傳入220V強(qiáng)電也不會(huì)導(dǎo)致任何硬件損壞。基于Windows2000/XP的編程軟件符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，五種控制語言使編程人員能夠根據(jù)自己的喜好或控制要求進(jìn)行組態(tài)，多種仿真功能大大降低了工程難度、縮短了工程周期。
2.2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
控制系統(tǒng)主要由SunyPLC200一體式可編程邏輯控制器、SunyHMI200可編程人機(jī)界面、檢測元件（熱電阻、變送器、位置開關(guān)等）以及執(zhí)行器（變頻器、繼電器、電磁閥等）組成。
來自振動(dòng)成型機(jī)各部位的溫度、流量以及位置、狀態(tài)等測量信號(hào)輸入到SunyPLC200一體式可編程邏輯控制器，由SunyPLC200按照預(yù)先編程確定的控制方案進(jìn)行運(yùn)算處理，然后將處理結(jié)果發(fā)送給執(zhí)行器從而產(chǎn)生對(duì)設(shè)備的控制和保護(hù)。
SunyHMI200可編程人機(jī)界面完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)的顯示、管理等功能，操作員可以通過SunyHMI200對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)視和操作。SunyPLC200和SunyHMI200之間通過ModbusRTU標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通訊。
下圖所示為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
對(duì)SunyPLC200的編程和對(duì)SunyHMI200的畫面實(shí)際分別是在普通PC機(jī)上完成的。
2.3. 系統(tǒng)配置
SunyPLC200的CPU模塊自身具備14個(gè)DI和10個(gè)DO，通過級(jí)聯(lián)總線最多可擴(kuò)展7個(gè)擴(kuò)展模塊，這樣系統(tǒng)的I/O規(guī)模可達(dá)80個(gè)。根據(jù)設(shè)計(jì)，振動(dòng)成型機(jī)的I/O數(shù)量為AI8，AO1，DI28，DO16。由此形成如下配置：
3. 控制方案炭素振動(dòng)成型機(jī)的整個(gè)流程可分為下料、裝料、擠壓脫模和冷卻輸送四個(gè)過程。在整個(gè)振動(dòng)成型過程中，溫度、壓力、振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間和推出速度對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。
與一般小型PLC編程軟件不同，SunyPLC200編程軟件提供了符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的FBD、LD、SFC、IL和ST全部五種控制語言，不同的控制方案可以根據(jù)編程需要或技術(shù)人員的需要用任意一種語言來實(shí)現(xiàn)。
3.1. 下料
混捏好的糊料從圓盤螺旋下料機(jī)頂部加料口加入，經(jīng)分料器的上部錐體分布在圓盤上。在下料前，首先檢查判斷糊料斗稱量車是否在圓盤螺旋下料機(jī)的下方等待接料，然后控制變頻器輸出驅(qū)動(dòng)圓盤螺旋下料機(jī)電機(jī)的螺旋轉(zhuǎn)速，對(duì)糊料斗稱量車下料，下料過程由快到慢以滿足炭塊的重量。炭塊的重量可根據(jù)產(chǎn)品的類型、要求通過SunyHMI200給定。
3.2. 裝料
裝料前PLC首先檢查判斷模具到位、模具安全爪夾緊到位、重錘上升到位、重錘安全爪夾緊到位等信號(hào)，然后打開糊料斗稱量車的抱閘驅(qū)動(dòng)小車送料，行走到模具口上方時(shí)停止行走關(guān)抱閘，然后糊料斗稱量車底開門把稱好的糊料放入模具中。
3.3. 擠壓脫模
擠壓脫模是振動(dòng)成型的核心過程，主要包括振動(dòng)擠壓和脫模兩個(gè)過程?？刂品桨傅暮侠硇詫?duì)能耗、質(zhì)量和產(chǎn)量起著舉足輕重的作用。
根據(jù)設(shè)備廠商的習(xí)慣，采用LD進(jìn)行控制方案組態(tài)，如圖所示。
振動(dòng)擠壓：SunyPLC200檢查判斷糊料斗稱量車存在返回到位信號(hào)，然后重錘安全爪松開并到位，重錘下降并到位，開始驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)振動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)偏心振子轉(zhuǎn)動(dòng)，不平衡質(zhì)量回轉(zhuǎn)引起慣性力迫使振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)。由于兩個(gè)振動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反、同步，使它們的慣性合力水平方向?yàn)榱?，只有在垂直方向產(chǎn)生激動(dòng)力。振動(dòng)臺(tái)上的模具和裝在模具內(nèi)的糊料都處于強(qiáng)烈的振動(dòng)狀態(tài)。雖然振幅不大（1～2mm），但振動(dòng)頻率很高（40～50HZ），產(chǎn)生大大超過重力加速度的加速度，因此糊料顆粒質(zhì)量大小不同，獲得的慣性力也不同，顆粒界面間產(chǎn)生應(yīng)力，而這個(gè)應(yīng)力超過糊料的內(nèi)聚力，便產(chǎn)生相對(duì)位移。同時(shí)，在強(qiáng)烈的振動(dòng)下，糊料顆粒間的內(nèi)摩擦力及糊料與模具壁之間的外摩擦力也急劇下降，糊料便具有重液體的液體性質(zhì)，跳躍著的糊料迅速充填到模具的各個(gè)角落，較小的顆粒充填到大顆粒間的空隙中去，從而得到具有規(guī)定形狀的高密度程度的產(chǎn)品。振動(dòng)時(shí)間過短，則糊料密度低。振動(dòng)時(shí)間過長，則浪費(fèi)能源且降低產(chǎn)量。因此，不同的炭素，不同的產(chǎn)品，應(yīng)設(shè)定合理的振動(dòng)時(shí)間。鋁電解用預(yù)熔陽極炭塊振動(dòng)時(shí)間為1～2分鐘。
脫模：輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)重錘上升并到位，重錘安全爪夾緊并到位；模具安全爪松開并到位，驅(qū)動(dòng)模具上升且到位。
3.4. 推出輸送
炭塊推出：驅(qū)動(dòng)推出器從振動(dòng)臺(tái)推出炭塊，在推出過程中對(duì)產(chǎn)品的高度進(jìn)行檢測，用來測試產(chǎn)品的質(zhì)量。
冷卻輸送：被推出的產(chǎn)品馬上在涼水中冷卻，防止產(chǎn)品冷卻的彎曲和變形。冷卻時(shí)間應(yīng)根據(jù)季節(jié)、產(chǎn)品直徑大小、冷卻水的溫度確定。冷卻完成后，驅(qū)動(dòng)板式輸送機(jī)輸送炭塊到炭塊堆場，檢查合格后堆放。
4. 操作管理SunyHMI200通過ModbusRTU協(xié)議可以將SunyPLC200的有關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來，而操作員也可以通過功能鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)的干預(yù)。
對(duì)SunyHMI200的畫面設(shè)計(jì)是通過SunyHMI200畫面編輯軟件來完成的。在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，需要與設(shè)備操作人員進(jìn)行深入的探討，以便達(dá)到監(jiān)視容易、操作方便的目的。
5. 結(jié)束語SunyPLC200一體式小型可編程邏輯控制器與SunyHMI200可編程人機(jī)界面在炭素振動(dòng)成型機(jī)的應(yīng)用中，軟件設(shè)計(jì)完善，功能齊全，運(yùn)行效果穩(wěn)定可靠，性能良好。
自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)，大大降低了工人的工作強(qiáng)度，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了工作效率，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。
