基于S7-300石墨电极成型自动控制系统研究

时间：2024-05-23

(郴州职业技术学院,湖南郴州 423000)

0 引言

石墨电极在工业领域中具有广泛应用,特别是在电解铝生产中扮演着重要角色。石墨电极的质量和性能直接关系到电解铝的生产效率和产品质量。而石墨电极成型是石墨电极生产过程中的重要环节之一[1-2],对石墨电极的形状和尺寸进行控制,以保证石墨电极的性能和质量。

传统的石墨电极成型通常依靠人工操作,存在效率低下、成型精度难以保证、易受到操作者技能水平影响等缺点。因此,需要引入自动化控制技术来提高石墨电极成型的效率和精度,从而提高生产效率和产品质量。

本文研究目的是设计一种基于S7-300 PLC的石墨电极成型自动控制系统,从而实现对石墨电极成型过程的自动化控制和精度控制。

1 石墨电极成型工艺及发展现状

石墨电极是一种用于高温高压条件下的电极材料,具有高强度、高导电性、高耐腐蚀性、高温稳定性和低膨胀系数等特点,在电解铝、电解铜、电石等行业中有广泛应用。石墨电极通常是由针状石墨粉和石墨鳞片经过加工制成的[3-4]。

1.1 成型工艺

石墨电极成型是指将石墨材料加工成所需形状和尺寸的过程。常用的成型方法有挤压成型、压力成型和加热成型等。其中,挤压成型是一种常用的石墨电极成型方法,主要分为两个步骤[5]:首先将石墨材料压缩成块,然后再利用挤压机将其挤压成所需的形状和尺寸。在挤压成型过程中,需要控制挤压压力、挤压速度和挤压温度等参数,以保证石墨电极成型质量和性能。

1.2 成型工艺发展现状

石墨电极成型工艺发展如表1所示,随着工业自动化技术的不断发展和应用,石墨电极成型也向着自动化和智能化方向发展。在自动化成型方面,利用PLC等控制器实现了自动控制和监测,显著提高了生产效率和成型精度。同时,还引入了机器视觉和传感器等技术,实现了自动检测和自适应控制,进一步提高了成型质量和效率[6-8]。

表1 石墨电极成型工艺发展现状

2 系统设计及工作原理

2.1 设计要求

基于S7-300 PLC的石墨电极成型自动控制系统的设计要求与原则如下:

1)精度要求高。石墨电极成型的精度对产品质量有着至关重要的影响,因此自动控制系统的设计应保证成型精度尽可能高。

2)可靠性要求高。自动化控制系统是整个生产过程的核心,必须具备高可靠性和稳定性,以确保生产过程的顺利进行和产品的一致性。

3)易于操作和维护。控制系统的操作和维护应该尽可能简单易懂,以降低操作者的技能要求和维护成本。

4)灵活性和可扩展性。随着生产需求的变化,自动化控制系统应具有一定的灵活性和可扩展性,能够满足不同规模的生产需求。

5)安全性。控制系统的设计应该符合国家安全标准,保证操作者和设备的安全,防止发生事故。

2.2 整体结构

2.2.1 电控系统

基于S7-300 PLC的石墨电极成型电控系统是整个自动化控制系统的核心部分,它通过实时监测、数据采集和控制调节等操作,实现对石墨电极成型生产过程的自动化控制。

该电控系统由PLC主控模块、输入输出模块、人机界面模块、电气控制柜和各种传感器、执行器等组成。其中,PLC主控模块作为控制中心,接收来自各个传感器和执行器的反馈信号,并根据预设的控制程序进行实时监测和调节。输入输出模块负责将各种信号转换为数字信号,并将PLC输出的控制信号转换为各种控制动作,如驱动电机、气缸等。人机界面模块通过触摸屏或按钮等控制方式,实现人机交互和操作。电气控制柜作为整个电控系统的电源和保护装置,负责对电控系统进行供电和安全保护。传感器和执行器等装置则用于对生产过程中的各种参数进行实时监测和调节。

2.2.2 仪表系统

仪表系统是指对生产过程中的各种物理量、化学量和机械量等进行监测、测量、分析和控制等操作的系统。在石墨电极成型自动控制系统中,仪表系统主要用于实时监测和控制石墨电极成型过程中的各种参数,如温度、湿度、压力、电流、电压等。

通过传感器、流量计、电流电压表、控制阀等将各种物理量转换为电信号,并将信号传输至PLC主控模块,实现对石墨电极成型过程中的各种参数进行实时监测和控制。

在石墨电极成型过程中,温度和压力是影响石墨电极成型效果和质量的重要参数。因此,温度传感器和压力传感器是仪表系统中的重要组成部分。温度传感器可以实时监测成型过程中的温度变化,并将变化转换为电信号传输至PLC主控模块,从而实现对温度的实时监测和控制。压力传感器则可以实时监测成型过程中的压力变化,并将变化转换为电信号传输至PLC主控模块,从而实现对压力的实时监测和控制。

除了温度和压力外,电流和电压也是影响石墨电极成型效果和质量的重要参数。因此,在石墨电极成型自动控制系统中,电流电压表是必不可少的仪表。电流电压表可以实时监测成型过程中的电流和电压变化,并将变化转换为电信号传输至PLC主控模块,从而实现对电流和电压的实时监测和控制。

基于S7-300石墨电极成型自动控制系统传感器型号和参数如表2所示。

表2 基于S7-300石墨电极成型自动控制系统传感器型号

2.2.3 计算机系统

采用德国西门子公司S7-300(S7-315 CPU)系统及计算机人机界面对全厂工艺设备进行集散式监控。需要实现以下功能:监视功能,参数设置功能,启停控制功能,趋势曲线、历史查询功能,故障、报表及用户管理(图1)。

图1 计算机系统网络配置图

2.3 工作原理

基于S7-300 PLC的石墨电极成型自动控制系统可以实现对石墨电极成型工艺的精确控制和实时监测,提高产品质量和生产效率,同时也减少了人工操作和误操作的可能性。基于S7-300 PLC的石墨电极成型自动控制系统的工作原理可以简单概括为以下几个步骤:

1)监测环节参数。传感器实时监测挤出机的挤压力、温度、湿度、速度等环节参数,将数据传输给PLC控制器。

2)判断参数是否达标。PLC控制器对传感器传输过来的数据进行处理和分析,判断环节参数是否达到预设要求,如是否超出合理范围、是否满足工艺要求等。

3)下达控制指令。根据判断结果,PLC控制器下达相应的控制指令,调节挤出机的挤压力、温度、湿度、速度等参数,从而使生产过程满足工艺要求。

4)实时监测过程状态。PLC控制器也实时监测生产过程的状态,如设备的运行情况、产量、质量等,将监测数据传输给人机界面和数据存储设备。

5)人机交互控制。操作者可以通过人机界面进行控制和监测,如查看生产过程状态、修改设备参数等。

3 系统运行测试

基于S7-300石墨电极成型自动控制系统的运行测试结果如表3所示,经过基于S7-300石墨电极成型自动控制系统的运行测试,得出以下结论:该系统能够有效提高生产效率,石墨电极尺寸精度达到了±0.05 mm,石墨电极硬度均匀性提高,硬度稳定,设备运行稳定可靠,无故障停机情况,每支电极的能耗降低了约10%,操作简便,易于维护和保养。然而需要注意的是,具体的测试结果可能会因为不同的测试条件、实验设计等因素而有所差异。

表3 系统运行测试结果