浙大中自SunyPLC200在炭素振動成型機中的應用

　　1. 前言
　　炭素成型生產是炭素配料、混捏后的重要環節。成型就是將混捏好的糊料用加壓設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。
　　振動成型是煉鋁用預焙陽極和高爐用炭塊的重要生產方法，主要設備有振動臺、模具和重錘。將裝有熱糊料的模具放在振動臺上，然后把重錘壓在糊料表面上開動振動臺，使糊料受到振幅小而頻率高的強迫振動，在強烈的振動下糊料顆粒間、糊料與模具壁間的摩擦力減小，顆粒移動并合理分布，得到具有規定形狀的高密度產品。壓好的半成品經冷卻、檢查后堆放。
　　
　　2. 系統構成
　　2.1. 產品簡介
　　過去振動成型機一般都是人工手動調節，當炭塊的重量和高度波動范圍較大時，產量和質量就會受到較大的影響。浙大中自公司工程技術人員與某機械廠合作，根據設備和生產要求，成功地將SunyPLC200一體式小型可編程邏輯控制器應用于振動成型機的自動控制。
　　SunyPLC200是浙大中自公司利用最新微處理器技術自主研發的一體式小型可編程，具有運行穩定、成本低廉、功能強大的特點。32位嵌入式CPU使程序執行速度高達0.55μs/步，80kB的程序容量足以滿足中小型機械設備的各種控制算法，獨特的級聯總線可擴展7個I/O模塊。大規模集成電路的使用使得SunyPLC200特別適應于高溫、潮濕、電磁干擾和機械振動大的惡劣環境。特殊的I/O電路設計，即使在晶體管輸入端傳入220V強電也不會導致任何硬件損壞。基于Windows2000/XP的編程軟件符合IEC61131-3標準，五種控制語言使編程人員能夠根據自己的喜好或控制要求進行組態，多種仿真功能大大降低了工程難度、縮短了工程周期。
　　
　　2.2. 系統結構
　　控制系統主要由SunyPLC200一體式可編程邏輯控制器、SunyHMI200可編程人機界面、檢測元件（熱電阻、變送器、位置開關等）以及執行器（變頻器、繼電器、電磁閥等）組成。
　　來自振動成型機各部位的溫度、流量以及位置、狀態等測量信號輸入到SunyPLC200一體式可編程邏輯控制器，由SunyPLC200按照預先編程確定的控制方案進行運算處理，然后將處理結果發送給執行器從而產生對設備的控制和保護。
　　SunyHMI200可編程人機界面完成生產數據的顯示、管理等功能，操作員可以通過SunyHMI200對生產進行監視和操作。SunyPLC200和SunyHMI200之間通過ModbusRTU標準協議進行通訊。
　　下圖所示為控制系統結構圖。
　　

　　對SunyPLC200的編程和對SunyHMI200的畫面實際分別是在普通PC機上完成的。
　　
　　2.3. 系統配置
　　SunyPLC200的CPU模塊自身具備14個DI和10個DO，通過級聯總線最多可擴展7個擴展模塊，這樣系統的I/O規模可達80個。根據設計，振動成型機的I/O數量為AI8，AO1，DI28，DO16。由此形成如下配置：
　　

　　3. 控制方案
　　炭素振動成型機的整個流程可分為下料、裝料、擠壓脫模和冷卻輸送四個過程。在整個振動成型過程中，溫度、壓力、振動頻率、振動時間和推出速度對產品的質量起著至關重要的作用。
　　與一般小型PLC編程軟件不同，SunyPLC200編程軟件提供了符合IEC61131-3標準的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編程需要或技術人員的需要用任意一種語言來實現。
　　
　　3.1. 下料
　　混捏好的糊料從圓盤螺旋下料機頂部加料口加入，經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的下方等待接料，然后控制變頻器輸出驅動圓盤螺旋下料機電機的螺旋轉速，對糊料斗稱量車下料，下料過程由快到慢以滿足炭塊的重量。炭塊的重量可根據產品的類型、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，然后打開糊料斗稱量車的抱閘驅動小車送料，行走到模具口上方時停止行走關抱閘，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
　　擠壓脫模是振動成型的核心過程，主要包括振動擠壓和脫模兩個過程。控制方案的合理性對能耗、質量和產量起著舉足輕重的作用。
　　根據設備廠商的習慣，采用LD進行控制方案組態，如圖所示。
　　

　　振動擠壓：SunyPLC200檢查判斷糊料斗稱量車存在返回到位信號，然后重錘安全爪松開并到位，重錘下降并到位，開始驅動兩臺振動電機帶動偏心振子轉動，不平衡質量回轉引起慣性力迫使振動臺振動。由于兩個振動器轉動方向相反、同步，使它們的慣性合力水平方向為零，只有在垂直方向產生激動力。振動臺上的模具和裝在模具內的糊料都處于強烈的振動狀態。雖然振幅不大（1～2mm），但振動頻率很高（40～50HZ），產生大大超過重力加速度的加速度，因此糊料顆粒質量大小不同，獲得的慣性力也不同，顆粒界面間產生應力，而這個應力超過糊料的內聚力，便產生相對位移。同時，在強烈的振動下，糊料顆粒間的內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，跳躍著的糊料迅速充填到模具的各個角落，較小的顆粒充填到大顆粒間的空隙中去，從而得到具有規定形狀的高密度程度的產品。振動時間過短，則糊料密度低。振動時間過長，則浪費能源且降低產量。因此，不同的炭素，不同的產品，應設定合理的振動時間。鋁電解用預熔陽極炭塊振動時間為1～2分鐘。
　　脫模：輸出信號驅動重錘上升并到位，重錘安全爪夾緊并到位；模具安全爪松開并到位，驅動模具上升且到位。
　　
　　3.4. 推出輸送
　　炭塊推出：驅動推出器從振動臺推出炭塊，在推出過程中對產品的高度進行檢測，用來測試產品的質量。
　　冷卻輸送：被推出的產品馬上在涼水中冷卻，防止產品冷卻的彎曲和變形。冷卻時間應根據季節、產品直徑大小、冷卻水的溫度確定。冷卻完成后，驅動板式輸送機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協議可以將SunyPLC200的有關數據實時顯示出來，而操作員也可以通過功能鍵實現對生產的干預。
　　對SunyHMI200的畫面設計是通過SunyHMI200畫面編輯軟件來完成的。在進行設計之前，需要與設備操作人員進行深入的探討，以便達到監視容易、操作方便的目的。
　　

　　5. 結束語
　　SunyPLC200一體式小型可編程邏輯控制器與SunyHMI200可編程人機界面在炭素振動成型機的應用中，軟件設計完善，功能齊全，運行效果穩定可靠，性能良好。
　　自動控制的實現，大大降低了工人的工作強度，穩定了產品質量，提高了工作效率，達到了節能降耗的目的。