消失模砂温冷却电控方法的研究

郭海青，杨启帆，张广伟，刘 霞

（1.第一拖拉机股份有限公司，河南洛阳 471004；2.北京友道科技郑州分公司，河南郑州 450000）

消失模作为一种绿色的新型铸造生产工艺，因生产过程简单、砂子可以重复循环使用、干净卫生、对环境没有污染而得到广泛应用[1]。消失模铸造工艺的特点是采用了无粘结剂的干砂造型[2]。但是经过浇注后的砂子温度都很高，消失模铸造用砂对于温度的控制又比较严格，如果不经过冷却处理而直接利用的话，过高的砂温会直接影响白膜的质量，从而影响铸件的成型。因此，增加砂温冷却系统尤为重要，这对节约成本、节能减排具有重要意义。

1 砂温冷却系统工作流程

1.1 设备运行环境及技术要求

环境条件：温度-10～45℃；环境湿度：≤95%；动力电源：380/220V±10%，50Hz±2%，三相五线制。

技术要求：进料温度100℃通过板式砂温调节器降至出料温度50℃，砂处理量≥60t/h。

1.2 工作流程

①热砂经1#斗提机出砂口流出→②砂温调节器储砂仓→③砂温调节器散热组件降温→④密相输送卸砂器→⑤进入2#斗提机入砂口→⑥皮带机。

2 砂温冷却系统电控方法

2.1 砂温冷却控制系统组成

砂温冷却控制系统的组成图如图1 所示，实现对砂温冷却系统的闭环控制。

图1 砂温冷却控制系统组成图

PLC 与人机界面通过PN 口以太网连接。

数字量输入信号：手/自动选择，实现系统的手/自动运行状态的切换；变频器故障报警；下料开关；给料启动，实现在有砂子进入砂温冷却系统时将信号传送给PLC；报警消音，实现声光报警后，对蜂鸣的消除。

数字量输出信号：下料运行，实现砂子的下料；下料器冷却风扇，在下料运行时，避免下料器过热，使风扇运行；料位高信号，在料位过高的时候停止给料并报警；料位低信号，提示需要加料。

模拟量输入信号：进口砂温；出口砂温；冷却水进口温度；冷却水出口温度；砂子料位。

模拟量输出信号：变频器模拟量控制信号，实现对变频器频率的实时调节。

控制系统选用PLC 可编程控制器及其模拟量输入输出扩展模块。通过PLC 对设备运行状态实现实时监控、超温保护、上限设定、水温和砂温进出口温度显示、温度曲线监测、上下料位显示、报警信息提示、报警复位、声光报警、故障查询等功能。

2.2 砂温冷却 控制系统实现方法

根据消失模铸造砂的工艺要求，在人际界面中设定出口砂温的上限值，实时监控并采集出口砂温，将采集的模拟信号传送到PLC 可编程控制器中进行处理，PLC 经过与设定温度的比较运算，控制变频器的运行情况，从而实现对消失模铸造砂温度的在线实时监测及闭环控制。

电控系统的软件部分主要包括控制程序和人机界面信息显示及两者的通信，控制程序主要采用梯形图形式进行编写，人机界面主要采用图形化编程方法来进行编制。在变频器中设置电机的额定功率、额定电压、额定电流、额定转速等参数，通过变频器对旋转阀电机进行控制和保护[3]。

2.2.1 PLC 控制方法

砂温冷却控制系统与整条消失模自动线程序实现联锁，可以实现整条生产线的自动运行。下料旋转阀和型砂料位计联锁，可根据料位高低，自动调节转速，使料位更稳定。PLC 预留10%的I/O 余量。

图2 PLC 程序流程图

砂温冷却控制系统的电气控制过程如下：

（1）工作时，启动消失模砂温冷却系统，在人机界面上设定出口砂温的上限值；判断料位是否低于下限值，若是，则向上级系统发送给料信号，直至高于下限值；判断料位是否高于上限值，若是，向上级系统发送停止加料信号，直至满足工艺要求。

（2）温度传感器及料位传感器对进出口砂温、冷却水进出口温度及料位信息进行检测，采用变送器，将信号转换为4mA～20mA 模拟量信号输入到PLC，通过在PLC 中编制程序，将对应的电流信号转换成温度及料位信号，并在人机界面上显示。

（3）PLC 对采集到的出口砂温与设定的上限值进行比较，若高于上限值，则通过相应的算法降低变频器的频率，使得下料旋转阀速度变慢，减缓下料速度，增加砂子的冷却时间，使其达到工艺要求。

（4）检测变频器是否出现故障或者由于线路等原因对电机进行保护而输出故障信号到PLC，PLC 对系统下达停止指令，并且再将故障信息传送到人机界面显示。

2.2.2 人机界面的设计

触摸屏上显示系统的手/自动运行状态，设有主画面、报警记录画面、调试画面、温度曲线1、温度曲线2 各个画面的相互切换按钮，见图3。

图3 主画面

在调试画面中（见图4），有料位上下限的调试窗口，可以根据生产需求去调节料位的上下限数值，直至满足工艺要求；具有出口砂温上限报警值的调试窗口，便于现场调试。

图4 调试画面

设有报警记录画面，当砂温冷却系统出现任何报警，不管人机界面处于任何画面，都会跳出报警画面，点击报警记录按钮，可以查看具体的报警信息，见图5。

图5 报警记录画面

设有进出口砂温曲线画面，对进出口砂的温度数据进行采集，并在同一个曲线图中做出随时间变化的温度曲线走向，便于观察进出口温度的比较及各自的变化情况，见图6。

设有冷却水进出口温度曲线画面，对冷却水进出口温度数据进行采集，并在同一个曲线图中做出随时间变化的温度曲线走向，便于观察冷却水进出口温度的比较及各自的变化情况，见图7。

图7 冷却水进出口温度曲线图

3 结论

本系统实现了对消失模铸造砂温度的在线实时监测及闭环控制，并且在人机界面上实现系统运行状态及相关数据显示，具有数据条数、报警记录查询及温度变化曲线画面，便于观察及调试系统。

消失模砂温冷却电控系统，根据消失模铸造砂工艺要求，设定出口砂温度的上限温度，通过在线自动监测出口砂温变化，将采集的温度进行自动处理与判断，并根据结果调整下料变频器的频率，从而调整下料旋转阀的转速，控制下料速度，实现砂温冷却系统的砂温自动控制，使下料后的砂子温度满足工艺要求，回收再利用，提高砂子的利用率，保证消失模的质量，提高生产效率，达到节约成本的目的。