(郴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 郴州 423000)

0 引言

石墨電極在工業(yè)領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用,特別是在電解鋁生產(chǎn)中扮演著重要角色。石墨電極的質(zhì)量和性能直接關(guān)系到電解鋁的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。而石墨電極成型是石墨電極生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一[1-2],對(duì)石墨電極的形狀和尺寸進(jìn)行控制,以保證石墨電極的性能和質(zhì)量。

傳統(tǒng)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(diǎn)。因此,需要引入自動(dòng)化控制技術(shù)來(lái)提高石墨電極成型的效率和精度,從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

本文研究目的是設(shè)計(jì)一種基于S7-300 PLC的石墨電極成型自動(dòng)控制系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨電極成型過(guò)程的自動(dòng)化控制和精度控制。

1 石墨電極成型工藝及發(fā)展現(xiàn)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(qiáng)度、高導(dǎo)電性、高耐腐蝕性、高溫穩(wěn)定性和低膨脹系數(shù)等特點(diǎn),在電解鋁、電解銅、電石等行業(yè)中有廣泛應(yīng)用。石墨電極通常是由針狀石墨粉和石墨鱗片經(jīng)過(guò)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(guò)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(gè)步驟[5]:首先將石墨材料壓縮成塊,然后再利用擠壓機(jī)將其擠壓成所需的形狀和尺寸。在擠壓成型過(guò)程中,需要控制擠壓壓力、擠壓速度和擠壓溫度等參數(shù),以保證石墨電極成型質(zhì)量和性能。

1.2 成型工藝發(fā)展現(xiàn)狀

石墨電極成型工藝發(fā)展如表1所示,隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用,石墨電極成型也向著自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。在自動(dòng)化成型方面,利用PLC等控制器實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè),顯著提高了生產(chǎn)效率和成型精度。同時(shí),還引入了機(jī)器視覺(jué)和傳感器等技術(shù),實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)和自適應(yīng)控制,進(jìn)一步提高了成型質(zhì)量和效率[6-8]。

表1 石墨電極成型工藝發(fā)展現(xiàn)狀

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 設(shè)計(jì)要求

基于S7-300 PLC的石墨電極成型自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求與原則如下:

1)精度要求高。石墨電極成型的精度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響,因此自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證成型精度盡可能高。

2)可靠性要求高。自動(dòng)化控制系統(tǒng)是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的核心,必須具備高可靠性和穩(wěn)定性,以確保生產(chǎn)過(guò)程的順利進(jìn)行和產(chǎn)品的一致性。

3)易于操作和維護(hù)。控制系統(tǒng)的操作和維護(hù)應(yīng)該盡可能簡(jiǎn)單易懂,以降低操作者的技能要求和維護(hù)成本。

4)靈活性和可擴(kuò)展性。隨著生產(chǎn)需求的變化,自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)具有一定的靈活性和可擴(kuò)展性,能夠滿足不同規(guī)模的生產(chǎn)需求。

5)安全性?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn),保證操作者和設(shè)備的安全,防止發(fā)生事故。

2.2 整體結(jié)構(gòu)

2.2.1 電控系統(tǒng)

基于S7-300 PLC的石墨電極成型電控系統(tǒng)是整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心部分,它通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集和控制調(diào)節(jié)等操作,實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨電極成型生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制。

該電控系統(tǒng)由PLC主控模塊、輸入輸出模塊、人機(jī)界面模塊、電氣控制柜和各種傳感器、執(zhí)行器等組成。其中,PLC主控模塊作為控制中心,接收來(lái)自各個(gè)傳感器和執(zhí)行器的反饋信號(hào),并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制程序進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。輸入輸出模塊負(fù)責(zé)將各種信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),并將PLC輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為各種控制動(dòng)作,如驅(qū)動(dòng)電機(jī)、氣缸等。人機(jī)界面模塊通過(guò)觸摸屏或按鈕等控制方式,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和操作。電氣控制柜作為整個(gè)電控系統(tǒng)的電源和保護(hù)裝置,負(fù)責(zé)對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行供電和安全保護(hù)。傳感器和執(zhí)行器等裝置則用于對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。

2.2.2 儀表系統(tǒng)

儀表系統(tǒng)是指對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的各種物理量、化學(xué)量和機(jī)械量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)、測(cè)量、分析和控制等操作的系統(tǒng)。在石墨電極成型自動(dòng)控制系統(tǒng)中,儀表系統(tǒng)主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制石墨電極成型過(guò)程中的各種參數(shù),如溫度、濕度、壓力、電流、電壓等。

通過(guò)傳感器、流量計(jì)、電流電壓表、控制閥等將各種物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并將信號(hào)傳輸至PLC主控模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨電極成型過(guò)程中的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

在石墨電極成型過(guò)程中,溫度和壓力是影響石墨電極成型效果和質(zhì)量的重要參數(shù)。因此,溫度傳感器和壓力傳感器是儀表系統(tǒng)中的重要組成部分。溫度傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成型過(guò)程中的溫度變化,并將變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至PLC主控模塊,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。壓力傳感器則可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成型過(guò)程中的壓力變化,并將變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至PLC主控模塊,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(zhì)量的重要參數(shù)。因此,在石墨電極成型自動(dòng)控制系統(tǒng)中,電流電壓表是必不可少的儀表。電流電壓表可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成型過(guò)程中的電流和電壓變化,并將變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至PLC主控模塊,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流和電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

基于S7-300石墨電極成型自動(dòng)控制系統(tǒng)傳感器型號(hào)和參數(shù)如表2所示。

表2 基于S7-300石墨電極成型自動(dòng)控制系統(tǒng)傳感器型號(hào)

2.2.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

采用德國(guó)西門(mén)子公司S7-300(S7-315 CPU)系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)人機(jī)界面對(duì)全廠工藝設(shè)備進(jìn)行集散式監(jiān)控。需要實(shí)現(xiàn)以下功能:監(jiān)視功能,參數(shù)設(shè)置功能,啟停控制功能,趨勢(shì)曲線、歷史查詢功能,故障、報(bào)表及用戶管理(圖1)。

圖1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖

2.3 工作原理

基于S7-300 PLC的石墨電極成型自動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨電極成型工藝的精確控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率,同時(shí)也減少了人工操作和誤操作的可能性?；赟7-300 PLC的石墨電極成型自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理可以簡(jiǎn)單概括為以下幾個(gè)步驟:

1)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)參數(shù)。傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)擠出機(jī)的擠壓力、溫度、濕度、速度等環(huán)節(jié)參數(shù),將數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制器。

2)判斷參數(shù)是否達(dá)標(biāo)。PLC控制器對(duì)傳感器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,判斷環(huán)節(jié)參數(shù)是否達(dá)到預(yù)設(shè)要求,如是否超出合理范圍、是否滿足工藝要求等。

3)下達(dá)控制指令。根據(jù)判斷結(jié)果,PLC控制器下達(dá)相應(yīng)的控制指令,調(diào)節(jié)擠出機(jī)的擠壓力、溫度、濕度、速度等參數(shù),從而使生產(chǎn)過(guò)程滿足工藝要求。

4)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程狀態(tài)。PLC控制器也實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài),如設(shè)備的運(yùn)行情況、產(chǎn)量、質(zhì)量等,將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給人機(jī)界面和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。

5)人機(jī)交互控制。操作者可以通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè),如查看生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)、修改設(shè)備參數(shù)等。

3 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

基于S7-300石墨電極成型自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行測(cè)試結(jié)果如表3所示,經(jīng)過(guò)基于S7-300石墨電極成型自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行測(cè)試,得出以下結(jié)論:該系統(tǒng)能夠有效提高生產(chǎn)效率,石墨電極尺寸精度達(dá)到了±0.05 mm,石墨電極硬度均勻性提高,硬度穩(wěn)定,設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠,無(wú)故障停機(jī)情況,每支電極的能耗降低了約10%,操作簡(jiǎn)便,易于維護(hù)和保養(yǎng)。然而需要注意的是,具體的測(cè)試結(jié)果可能會(huì)因?yàn)椴煌臏y(cè)試條件、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等因素而有所差異。

表3 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)基于S7-300石墨電極成型自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究,我們得出以下結(jié)論:

1)石墨電極在鋼鐵、有色金屬、化工等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用,并且石墨電極成型工藝已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

2)基于S7-300 PLC的石墨電極成型自動(dòng)控制系統(tǒng)需要滿足多項(xiàng)設(shè)計(jì)要求和原則,如穩(wěn)定性、精度、可靠性等。

3)基于S7-300 PLC的石墨電極成型自動(dòng)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)包括了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和儀表系統(tǒng)。

4)經(jīng)過(guò)運(yùn)行測(cè)試,該系統(tǒng)能夠有效提高生產(chǎn)效率,石墨電極尺寸精度達(dá)到了±0.05 mm,石墨電極硬度均勻性提高,硬度穩(wěn)定,設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠,無(wú)故障停機(jī)情況,每支電極的能耗降低了約10%,操作簡(jiǎn)便,易于維護(hù)和保養(yǎng)。

綜上所述,基于S7-300石墨電極成型自動(dòng)控制系統(tǒng)在石墨電極成型領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,可以提高生產(chǎn)效率,降低成本,并且能夠提高石墨電極的質(zhì)量和穩(wěn)定性。