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2011年10月14日 星期五
工控機和PLC在低壓鑄造中的應用
1 引言
鑄造是人類掌握最早的一種金屬熱加工成形工藝，已有約6000年的曆史，是現代機械製造工業的基礎工藝。鑄造過程是將金屬熔煉成符合一定要求的液體並澆進鑄型裏，經冷卻凝固、清整處理後得到有預定形狀、尺寸和性能的鑄件(零件或毛坯)的工藝過程。鑄造生產的毛坯成本低廉，對於形狀複雜、特別是具有複雜內腔的零件，更能顯示出它的經濟性；同時它的適應性較廣，且具有較好的綜合機械性能。
低壓鑄造是使液體金屬在壓力作用下充填型腔，以形成鑄件的一種方法。由於所用的壓力較低，所以叫做低壓鑄造。其工藝過程是：在密封的坩堝(或電爐)中，通入幹燥的壓縮空氣，金屬液在氣體壓力的作用下，沿升液管上升，通過澆口平穩地進入型腔(金屬型)，並保持坩堝(或電爐)內液麵上的氣體壓力，經過一段時間的保壓，直到鑄件完全凝固為止。然後解除液麵上的氣體壓力，使升液管中未凝固的金屬液流坩堝(電爐)，再由氣缸開型並推出鑄件。低壓鑄造獨特的優點表現在以下幾個方麵：液體金屬充型比較平穩；鑄件成形性好，有利於形成輪廓清晰、表麵光潔的鑄件，對於大型薄壁鑄件的成形更為有利；鑄件組織致密，機械性能高。低壓鑄造是一種低壓強與低速度的充型鑄造方法，利用壓縮空氣作為充型動力，液體金屬充型要求平穩；保壓性好，鑄件成形性好，輪廓清晰、鑄件表麵光潔；要求模具冷卻性好，鑄件組織致密，機械性能高。
2 低壓鑄造自動化係統
2.1 係統結構
工控機和plc在低壓鑄造中的係統構成為了滿足低壓鑄造的要求，把工控機和plc組成一個有機係統，如圖1所示。本係統采用分級控製方式。由工控機完成液麵壓力控製和鑄型溫度(冷卻)控壓鑄造的要求。
圖1 低壓鑄造自動化係統
低壓鑄造機壓力/溫度控製係統的計算機控製係統原理如圖2所示。
圖2 係統原理
圖3 壓力控製係統
y11：進氣主閥(常閉)；
y13：爐子慢泄壓(常開)；
y14：爐子全部泄壓(常開)；
yk1：壓力開關，監測“0”mbar時的爐內壓力。出廠時調節為約50mbar；
yk2：壓力開關，監測最大爐內壓力，出廠時調節為約950mbar；
b1：壓力傳感器，0～1600mbar，4～20ma。檢測爐膛壓力；
b2：壓力傳感器，0～7000mbar，4～20ma。檢測進氣管氣源壓力。
(2)冷卻控製：工控機和由其控製的冷卻控製i/o模板控製了12個(5路風冷、7路風冷+水冷)冷卻通道，可任意選擇若幹個通道工作。對每路冷卻通道均提供了“on”、“off”、“auto”三種工作方式和按時間控製、按溫度控製兩種控製模式。人機界麵有冷卻畫麵，可任意開關調整電磁閥的通斷。
2.3 硬件配置
低壓控製係統配置如下：
(1)panel870麵板式工控機：piii700以上cpu、40g硬盤、128m內存、12液晶顯示屏、觸摸鍵盤、帶軟驅和dvd光驅、usb接口和rj45接口；
(2) 板卡：813b a/d板一套、1751d
i/o板一套、7216繼電器板一套(包括odc5或idc5b固態繼電器)、785繼電器板一套；
(3) s7-300 係列plc：
cpu模塊：cpu314一套，flash eprom 內存卡(64k)一個，ps307電源5a一個，sm321輸入模塊(32點 24v dc)3套，sm322輸出模塊(16點 24v dc)4套，40針端子3個，20針端子4個，480mm導軌1個。
3 項目評價
(1)控製係統實現對機器運行、液壓機械動作、鑄造工藝過程、保溫爐加熱、鑄型冷卻過程中包括壓力、溫度、時間、位置在內的工藝參數進行有效控製。係統具有數據保存功能，能夠存取、調整和管理鑄造參數。
(2) 控製精度高，充型、保壓階段壓力偏差值≤3mbar，升液階段壓力偏差值≤5mbar，升壓階段壓力偏差值≤10mbar。
(3)具有壓力自動補償能力，保溫爐內的壓力可以根據設定的曲線精確、重複再現，而不受保溫爐泄漏、供氣管路氣壓波動和金屬液位變動的影響(保溫爐嚴重泄漏除外)。
(4) 可根據工藝需要自由設定最多達八段的升壓曲線和一段保壓曲線。對於爐膛容積≤800l的爐型，最大升壓速度可達100mbar/s。
(5) 具有友好的人機界麵，可以方便的輸入各類工藝參數。
(6) 具有數據保存及調用功能。每個輪型的鑄造工藝參數可以輸入並確認後自動保存，以後可以直接從係統中調用。
(7) 低壓鑄造控製係統具有故障自檢功能，維修方便。
4 結束語
我國工業控製自動化技術飛速發展，特別是工控機和plc的應用更為成熟，經過近三年的努力，我們成功把工控機和plc同時應用在輪轂低壓鑄造機中。(end)
基於LK PLC的自動控製係統在汙水處理廠的應用
摘要：本文主要介紹了海興縣汙水處理廠自動控製係統的架構、LK PLC係統配置及如何利用PLC實現全廠的自動控製。以和利時公司LK PLC作為控製器，中控室和全廠各主站之間采用光纖工業以太網通訊方式，主站和遠程I/O 站采用Profibus-DP 通訊方式。水廠的自動控製係統，保證了汙水生產運行的安全可靠，提高了汙水處理的自動化控製水平和管理水平，提高了生產效率。
1 引言
關鍵詞：汙水處理；可編程控製器；自動控製係統
進入21世紀以來，我國人口數量快速增長，用水需求量明顯加大，是我國城市可持續發展的主要矛盾之一，因此解決城市水資源缺乏和水環境惡化問題刻不容緩。而隨著自動化技術在各行業的不斷發展，汙水處理行業的自動化水平也在快速提高。目前，在汙水處理行業中多采用PLC控製器進行自動控製，上位計算機進行工藝參數監視和設置的係統控製模式[1]。本文以海興縣汙水處理廠為例進行係統組成、功能等介紹。
海興縣汙水處理廠設計規模為日處理汙水二萬噸，出水標準為一級A。水廠工程采用CASS+深度處理工藝，廠區主要由格柵及沉砂係統、提升泵房、CASS池生物反應係統、曝氣生物濾池係統、V型濾池係統及汙泥濃縮係統構成。
2 汙水處理控製係統的硬件設計
2.1 控製係統整體結構
汙水處理廠自動化控製係統分為三級管理，包括生產管理級(中央控製室)、現場控製級(PLC控製站)及就地控製級。現場各種數據通過PLC係統進行采集，並通過主幹通訊網絡——工業以太網傳送到中央控製室監控計算機集中監控和管理。同樣，中央控製室監控計算機的控製命令也通過上述通道傳送到PLC的測控終端，實施各單元的分散控製。
(1)生產管理級(中央控製室)
中控室管理層是係統的核心，完成對汙水處理過程各部分的管理和控製，並實現廠級的辦公自動化。通過高分辨率液晶顯示器及投影儀可直觀地動態顯示全廠各工藝流程段的實時工況、各工藝參數的趨勢畫麵，操作人員可及時掌握全廠運行情況。
(2)現場控製級(PLC站)
控製層是實現係統自動控製的關鍵。按照自動控製工藝要求，控製層的PLC通過程序控製整個汙水處理廠的設備，實現對現場設備運行狀態以及參數(如壓力、流量、溫度、PH值等)的采集，以及執行管理層的命令。
(3)就地控製級(設備層)
將現場控製箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動/停止”按鈕實現設備的就地啟停控製。
海興縣汙水廠控製係統的拓撲結構與功能配置如圖1 所示：
2.2 下位PLC係統配置
海興縣汙水廠自動控製係統采用北京和利時公司的LK係列PLC作為主控製器對生產過程進行監視和控製。模塊式PLC控製係統的硬件部分主要包括CPU模塊、I/O模塊、通訊模塊、電源模塊、接口模塊等，根據控製功能的複雜程度和控製對象的點號統計進行相應的配置。據統計，整個汙水廠需要PLC控製的I/O點共829，共分四個PLC控製站：1#PLC站僅有一個主站；2#PLC站僅有一個主站；3#PLC站包括主站和一個遠程從站；4#PLC站包括主站和兩個遠程從站。各個控製站的功能和分別如下：
(1)汙泥脫水機房工作站——1#PLC控製站
負責采集水廠進水水質數據，以及格柵係統、旋流沉砂係統、汙泥濃縮係統設備的狀態采集和設備的控製。
(2)鼓風機房工作站——2#PLC控製站
負責采集CASS池水質數據，以及攪拌係統、潷水係統、曝氣係統設備狀態的采集和設備的控製。
(3)曝氣生物濾池工作站——3#PLC控製站
負責采集曝氣生物濾池水質數據，以及二次提升係統、曝氣係統、反衝洗係統設備狀態的采集和設備的控製。
(4)V型濾池工作站——4#PLC控製站
負責采集V型濾池水質數據，以及反衝洗係統、出水係統設備狀態的采集和設備的控製。
總而言之，PLC 控製係統實現了主站與從站的數據交換及數據處理，主站對各個從站的監控和人機交互的可視性。
2.3 上位監控係統硬件配置
工程師和操作員站設立在中控室，其主要由兩套互為冗餘的操作站、一套投影儀、一台故障打印機、一台圖表打印機、一套UPS電源組成。
中控室的兩台監控操作站，其中一台為係統監控管理計算機，可對在汙水處理廠的各類設備狀態、工藝過程參數進行實時檢測和監控，提供給操作人員、管理人員進行運行管理的人機界麵，另一台為信息監控管理計算機，負責實時和定時記錄以及報表的生產和打印。
3 汙水處理控製係統的軟件設計
3.1下位PLC控製程序開發
PLC程序設計采用北京和利時公司推出的Powerpro 下位機軟件，根據工藝要求，編寫格柵、提升泵房、旋流沉砂池、CASS池、二次提升泵、曝氣生物濾池、V型濾池等子程序。汙水處理工藝流程圖如圖2所示：
(1)格柵係統控製
格柵係統主控對象為格柵機組、螺旋輸送機以及超聲波液位計。其控製可在監控計算機上設置液位控製和定時控製，當采用液位控製時，是靠格柵的前後液位差來控製格柵機的啟停，當液位差達到設定的水位上限時，PLC控製器會發出命令啟動格柵設備；當水位差小於設置的下限時，格柵機組將接受到PLC控製器發出的停止的信號。操作人員可以在上位機上設定設備的啟停液位或者運行周期。
(2)提升泵控製
提升泵的控製工藝要求是根據液位的高低來自動控製提升泵的啟停，項目現場采用兩用一備方式。當其中的泵出現故障時，故障泵會自動切出自控程序，備用泵會自動切入自控程序。這樣長期運行能保證泵的運行時間大致相同。
(3)旋流沉砂池係統控製
旋流沉砂係統主控對象為攪拌器、羅茨風機和砂水分離器。係統工作原理如下：汙水從沉砂池的切向進入，具有一定的流速，從而對沙礫產生離心力，使較重的沙礫沿池壁沉降到池底集砂槽。攪拌器的槳葉旋轉形成軸向渦流，產生一個輕微的上升流動，從而帶動汙水排出，流入下一道工藝流程進行處理。羅茨風機為旋流沉砂池提供空氣，達到氣提的作用，另外氣提直接將沉砂輸送到砂水分離器，實現沙礫與汙水的徹底分離[2]。其控製工藝要求如下：攪拌器、風機和砂水分離器以一定周期運轉，通過工程師站可以設定運行時間。
(4) CASS池係統控製
CASS池係統操作周期分為四個步驟：曝氣階段，鼓風機向反應池內充氧，此時有機汙染物被微生物氧化分解；沉澱階段，微生物利用水中剩餘的DO進行進一步氧化分解，活性汙泥逐漸沉澱到池底，上層水變清，汙泥回流泵將部分活性汙泥送回預反應區，剩餘汙泥泵則將反應池多餘汙泥抽到汙泥脫水間；潷水階段，沉澱結束後，置於反應池末端的潷水器開始工作，自上而下逐漸排出上清液；閑置階段，潷水器上升到原始位置階段，等待下一周期潷水。根據上述工藝要求，對CASS工藝的各個階段編寫控製子程序。
(5)曝氣生物濾池係統控製
曝氣風機其控製工藝要求：曝氣風機為24小時運轉，每天中午12點更換一台風機，這樣可以保證三台風機運行的時間大體相等。
反衝洗係統控製主要是控製反洗風機、反洗泵以及閥門來實現反衝洗的功能，每兩天進行一次反衝洗。
(6)V型濾池係統控製
V型濾池係統的自動控製主要是濾池的自動反衝洗功能。子程序控製的主要設備有反洗泵、反洗風機、閥門以及儀表工藝參數，每兩天進行一次反衝洗。
3.2上位機監控係統的實現
本控製係統上位監控係統采用北京和利時公司的上位機軟件FacView。監控軟件將現場各分係統的運行狀態形象、直觀、實時地顯示在中控室的工控機上，使操作員在中控室能實時獲得現場數據和信息並對汙水處理廠的運行進行管理。友好的人機界麵把分散的、單回路的測控係統進行了統一的管理，另外還有數據報警、曆史數據存儲、報表顯示、趨勢顯示等多種功能。
計算機監控畫麵主要包括全廠工藝圖、格柵及沉砂係統、CASS工藝、曝氣生物濾池、V型濾池、儀表數據圖、趨勢圖、報警圖、報表，各個畫麵之間可以實現自由切換，全廠工藝圖如圖3所示：
4 結語
該自動控製係統實行集中控製，分散管理的方式，把管理層和控製層分開，通過對全過程的監控，實現了汙水處理整個過程的全自動化運營，保證了汙水生產運行的安全可靠，大大提高了汙水處理的自動化控製水平和管理水平，減輕了勞動強度，從而提高了生產效率，降低了水廠能耗。其中，PLC 控製器發揮了相當重要的作用。自投產運行以來，控製係統運行平穩，處理水質達到排放標準，不僅改善了人們的生活環境，而且為社會的可持續發展發揮了積極的作用，取得了社會和經濟雙重效益。
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