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摘要：文章通过介绍有色铸造合金中的6063铝合金生产工艺主要参数、相关设备、与之配套的电气控制系统的设计，结合人机界面智能化图形操作方式，对于生产6063合金圆铸锭的水平连续铸造系统中工艺控制及PLC控制进行初步讨论。
关键词：6063合金；水平铸造；机组PLC；人机界面
中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）28-0067-03
为提高电解铝在市场上销售的附加值，需将初级工业原材料——电解铝进行深加工，提高诸如6063合金圆棒等多品种在产品中所占比例。本文对于生产6063合金圆铸锭的水平连续铸造系统中工艺控制及PLC控制部分进行初步讨论。
1 6063铝合金铸造
铸造生产过程主要是将熔化了的金属浇入特定的铸模以后，经凝固冷却而得到成形的铸锭过程。铸锭的质量决定金属加工的好坏。铝合金铸造来说，起初是砂模铸造，逐渐发展为铁模铸造，水冷模铸造，又发展为水浸法铸造，进而发展为半连续铸造，连续铸造。
1.1 水平连续铸造
水平连续铸造基本保持立式半连续铸造的基本规律。液穴形状和尺寸与铸造参数的关系和立式半连续铸造一样，基本不变。但铸造轴线的水平配置对结晶特点和液穴形状有所影响。由于重力的作用，铸锭下表面与结晶器没有间隙，因此冷却强度大，而铸锭的上表面空气间隙增大，冷却减弱，因而铸锭下边部分先结晶，导致液穴形状不对称。
1.2 水平连续铸造工艺过程简介
1.2.1 液成分的调整配制：铝液由电解原铝送进熔炼炉后，首先要对新来的铝水进行成份化验，根据得出的结果，对铝液进行成分、配料，添加不同的金属，最后使其达到6063合金成分的要求，经过铝液精炼，将铝水中混合的杂质除去，经30分钟以上的静置，此时的铝液就达到铸造的要求了。
1.2.2 生产过程：水平铸造用的装置主要由一个用绝热材料衬里的中间包，一个与中间包连接的水平结晶器，结晶器备有一套铸造用引锭头。引锭头随凝固铸锭向后牵动，在中间包的前壁与结晶器之间严密封闭。经过静置的标准铝液，首先从熔炼炉中经流槽流入到中间包内，后经结晶器进行冷却结晶。初始时由拉坯机牵引引锭头经冷却后，拉出来结晶成初形的棒材，再由拉坯机进行牵引，并进一步冷却成形，成为成品棒材，然后由同步锯按照具体的尺寸的要求进行定长在线连续锯切，切后的成品由辊道送出到下一工序进行吊运打捆。全部棒材生产过程全部完成。
2 铸造机基本设备组成
根据生产工艺的过程要求，6063合金圆棒水平铸造机组基本设备如下：
中间包：中间包是储存、输送熔体和缓冲液流的装置。中间包具有良好的保温性能和适当的几何尺寸，深度应达到使储存的熔体既能产生一定的静压力，又不致造成过大的冲击，避免冲破铸锭表皮层的凝壳。
结晶器：圆棒铸造的关键部件，是棒材铸造成形的部件。它决定生产出的成品圆棒的外形规格及尽寸，其质量的优劣将直接影响到棒材生产的外部质量。
引锭头：最初铸造生产时，棒材成形的引出部件，主要对棒材初铸造起到封端头，牵引棒材成形。
拉坯机：对铸造成形的棒材向外牵引，使成形棒材在其的牵引力作用下，不断地外出铸造成形，同时，对铸造初成形的尚未完全结晶的软棒进行水平托拉，一方面不断地使棒材连续铸造成形，另一方面在其对半结晶的棒材在水平托运过程中不断继续结晶成形为后面的锯切工作做好准备工作。
同步锯：是圆棒水平铸造生产中重要的设备之一，它主要是对完全结晶成形后的棒材进行成品锯切，在锯切过程中主要满足两个方面的要求，一方面是在锯切过程中不能影响到棒材的连续铸造生产，另一方面是在锯切时还要满足产品长度对精度的要求。它工作的好坏直接影响棒材的成品质量。
加丝机：主要在棒材生产工艺中根据截面积及拉坯速度的要求定时、定量地向铸造中间包中加入Φ9.5mm的铝-钛-硼合金丝，以调节棒材的质量（避免开裂及出现冷格，保证棒材的平直、光洁，柔韧性好等各种性能）。
水泵：主要给铸造生产中提供稳定的冷却水，保证冷却水时刻都控制在恒温、恒流量状态。
辊道：主要是用来运送锯切后成形棒材的设备，可
直接将经定尺切割后的棒材直接导入下一自动打捆工序。
3 PLC控制系统
6063铝合金连续铸造系统。6063合金圆棒铸造机组电气控制采用PLC集中控制，系统各主要参数均进入中央处理器处理，对各个工艺参数进行在线监控，自动报警，并可进行远程控制。
系统的主控单元选用日本OMRON公司的C200H型可编程序控制器，它具有开关量的输入、输出，可扩展模入、模出单元，并有RS-232标准串口。
本铸造机组控制系统主要对以下工艺等参数进行检测、控制：（1）铸棒过程中铝液在中间包的温度；（2）拉坯机运行速度；（3）加丝机运行速度；（4）液压站油压及温度；（5）冷却循环水温度及压力；（6）定尺切割长度。
上述工艺参数通过模拟量输出触点直接控制变频器工作频率从而达到控制拉坯机电动机转动速度、液压站油泵电动机运行速度，对应实时在线调整铸造速度、液压系统压力。根据拉坯速度及铸锭截面，精确调节加丝机变频器输出频率，达到控制单位体积铸锭内细化剂（铝-钛-硼丝）在不同标号产品内的添加量。通过PLC自动控制程序实时在线调整，可以达到各工艺参数连锁控制，实现整套设备协调工作，满足生产工艺的要求，避免由于拉坯速度过快造成结晶器出口棒材不凝固、粘死、结晶器需停产检修的故障。变频器工作频率、各工艺点的温度、压力等实际值都可通过人机界面直观地显示和实时修改。
由于铝液的温度和流量、冷却水温度和流量等工艺随合金棒外型尺寸及环境温度变化而有所不同。因此，对PLC控制系统的控制精度要求较高。故在6063合金圆棒铸造机组自动控制程序及检测仪器的设计中，在保证设备及人身安全的前提下，限制拉坯机自动运行中最高、最低运行速度，以保证整个系统可靠、安全地在工艺条件下受控运行。系统通过选用进口原装施耐德公司制造的高转矩变频器实现手动/自动调节拉坯、冷却、锯切电机运行速度，达到圆棒铸造工艺的要求。调整频率范围0～200Hz，在自动操作状态下PLC根据设定工艺参数控制设备运行状态。 当发生电气、机械故障和工艺参数超出设定值等故障时，系统进行声光报警，并启动故障自处理程序，保障人身及设备安全。人机界面故障时，PLC及变频器、检测仪器可以组成独立控制系统进行工作；若人机界面、PLC系统均出现故障，现场控制柜具有手动功能，以保证系统工作的不间断。
4 人机界面
4.1 系统简介
本铸造机控制设计中选用OMRON公司12寸彩色人机界面作为工业现场操作站，该屏配有专用操作系统。所有工艺参数均可通过人机界面显示操作及在线更改，并可通过自动、手动切换按钮，对铸造时的全部工艺过程进行自动工作或手动操作。工艺参数全部可在总流程图画面上在线显示、监控并提供所有工艺参数上限、下限及断线等以声、光形式的报警信号，同时可在报警画面查到每一个具体报警故障的汉语说明。且所有上、下限报警设定值均可在设备进入铸造生产之前，通过人机界面在输入密码后进行调节修改。
4.2 主流程图监控状态
系统开机上电以后，系统画面自动显示“主流程图画面”，系统所有工艺参数在“主流程图”上可全部显示监控，在正常工作状态下对全部的工艺参数进行监控。并可通过触摸相应的参数位置或几个分画面位置进入相应的工艺参数及上下限报警参数设置。在系统工作或设置更改状态下，如有任意一个参数超过报警设置值时，声光报警会发出声光信号，屏上“检查”按钮自动切换成“错误日志”与对应画面交替显示，触摸对应按钮就可查出具体报警参数的确切位置。
4.3 同步锯切工艺流程监控状态
在主流程图监控画面上，按压“同步锯切”按钮，则进入锯切监控画面。该画面实时动画显示同步锯工作状态及锯切棒料的定尺长度。在自动运行状态下变频器设备转速或频率禁止操作；在完成一次棒料锯切且同步锯处于退车返回途中时，才允许用户修改下次锯切
长度。
4.4 液压站、循环水泵监控状态
液压站是提供各液压阀动力的来源的主要设备。每班次设备启动时，均需在液压站压力达到标准值且循环水泵供给的冷却水压力、流量达到标准值后，系统允许运行。画面实时监控液压站油温、压力及是否有液压油过脏等影响系统运行的情况发生。
4.5 报警设置、显示操作
系统所有工艺参数的运行状态，均可通过相对应的系统操作画面进行上、下限报警设置，并可以在使用过程中根据实际使用操作工艺进行修改。系统所有报警参数设置好以后，进入正常工作状态下，如有任何参数超过报警设置值时，系统均可发出声光报警信号，以警示操作人员工艺参数发生变化，并可通过触摸报警按钮进入“报警故障显示菜单”，故障位置会自动在画面上警示显示。再次触摸相应的故障显示时，任何一种故障均可详细的显示。
参考文献
[1] 黎文安.工厂常用电气设备手册[M].北京：水利水电出版社，1990.
[2] 吕如良.电工手册[M].上海：上海科学技术出版社，1995.
[3] 崔东生.原铝及其合金的熔炼与铸造[M].北京：冶金工业出版社，2005.
[4] 欧姆龙公司.OMRON C200H/C200HX/C200HE安装手册，2003.
[5] 陆一心.液压与气动技术[M].北京：化学工业出版社，2004.
作者简介：王轶华（1974-），女，宁夏吴忠人，宁夏民族职业技术学院讲师，研究方向：电工及电气控制技术。
关键词：6063合金；水平铸造；机组PLC；人机界面
中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）28-0067-03
为提高电解铝在市场上销售的附加值，需将初级工业原材料——电解铝进行深加工，提高诸如6063合金圆棒等多品种在产品中所占比例。本文对于生产6063合金圆铸锭的水平连续铸造系统中工艺控制及PLC控制部分进行初步讨论。
1 6063铝合金铸造
铸造生产过程主要是将熔化了的金属浇入特定的铸模以后，经凝固冷却而得到成形的铸锭过程。铸锭的质量决定金属加工的好坏。铝合金铸造来说，起初是砂模铸造，逐渐发展为铁模铸造，水冷模铸造，又发展为水浸法铸造，进而发展为半连续铸造，连续铸造。
1.1 水平连续铸造
水平连续铸造基本保持立式半连续铸造的基本规律。液穴形状和尺寸与铸造参数的关系和立式半连续铸造一样，基本不变。但铸造轴线的水平配置对结晶特点和液穴形状有所影响。由于重力的作用，铸锭下表面与结晶器没有间隙，因此冷却强度大，而铸锭的上表面空气间隙增大，冷却减弱，因而铸锭下边部分先结晶，导致液穴形状不对称。
1.2 水平连续铸造工艺过程简介
1.2.1 液成分的调整配制：铝液由电解原铝送进熔炼炉后，首先要对新来的铝水进行成份化验，根据得出的结果，对铝液进行成分、配料，添加不同的金属，最后使其达到6063合金成分的要求，经过铝液精炼，将铝水中混合的杂质除去，经30分钟以上的静置，此时的铝液就达到铸造的要求了。
1.2.2 生产过程：水平铸造用的装置主要由一个用绝热材料衬里的中间包，一个与中间包连接的水平结晶器，结晶器备有一套铸造用引锭头。引锭头随凝固铸锭向后牵动，在中间包的前壁与结晶器之间严密封闭。经过静置的标准铝液，首先从熔炼炉中经流槽流入到中间包内，后经结晶器进行冷却结晶。初始时由拉坯机牵引引锭头经冷却后，拉出来结晶成初形的棒材，再由拉坯机进行牵引，并进一步冷却成形，成为成品棒材，然后由同步锯按照具体的尺寸的要求进行定长在线连续锯切，切后的成品由辊道送出到下一工序进行吊运打捆。全部棒材生产过程全部完成。
2 铸造机基本设备组成
根据生产工艺的过程要求，6063合金圆棒水平铸造机组基本设备如下：
中间包：中间包是储存、输送熔体和缓冲液流的装置。中间包具有良好的保温性能和适当的几何尺寸，深度应达到使储存的熔体既能产生一定的静压力，又不致造成过大的冲击，避免冲破铸锭表皮层的凝壳。
结晶器：圆棒铸造的关键部件，是棒材铸造成形的部件。它决定生产出的成品圆棒的外形规格及尽寸，其质量的优劣将直接影响到棒材生产的外部质量。
引锭头：最初铸造生产时，棒材成形的引出部件，主要对棒材初铸造起到封端头，牵引棒材成形。
拉坯机：对铸造成形的棒材向外牵引，使成形棒材在其的牵引力作用下，不断地外出铸造成形，同时，对铸造初成形的尚未完全结晶的软棒进行水平托拉，一方面不断地使棒材连续铸造成形，另一方面在其对半结晶的棒材在水平托运过程中不断继续结晶成形为后面的锯切工作做好准备工作。
同步锯：是圆棒水平铸造生产中重要的设备之一，它主要是对完全结晶成形后的棒材进行成品锯切，在锯切过程中主要满足两个方面的要求，一方面是在锯切过程中不能影响到棒材的连续铸造生产，另一方面是在锯切时还要满足产品长度对精度的要求。它工作的好坏直接影响棒材的成品质量。
加丝机：主要在棒材生产工艺中根据截面积及拉坯速度的要求定时、定量地向铸造中间包中加入Φ9.5mm的铝-钛-硼合金丝，以调节棒材的质量（避免开裂及出现冷格，保证棒材的平直、光洁，柔韧性好等各种性能）。
水泵：主要给铸造生产中提供稳定的冷却水，保证冷却水时刻都控制在恒温、恒流量状态。
辊道：主要是用来运送锯切后成形棒材的设备，可
直接将经定尺切割后的棒材直接导入下一自动打捆工序。
3 PLC控制系统
6063铝合金连续铸造系统。6063合金圆棒铸造机组电气控制采用PLC集中控制，系统各主要参数均进入中央处理器处理，对各个工艺参数进行在线监控，自动报警，并可进行远程控制。
系统的主控单元选用日本OMRON公司的C200H型可编程序控制器，它具有开关量的输入、输出，可扩展模入、模出单元，并有RS-232标准串口。
本铸造机组控制系统主要对以下工艺等参数进行检测、控制：（1）铸棒过程中铝液在中间包的温度；（2）拉坯机运行速度；（3）加丝机运行速度；（4）液压站油压及温度；（5）冷却循环水温度及压力；（6）定尺切割长度。
上述工艺参数通过模拟量输出触点直接控制变频器工作频率从而达到控制拉坯机电动机转动速度、液压站油泵电动机运行速度，对应实时在线调整铸造速度、液压系统压力。根据拉坯速度及铸锭截面，精确调节加丝机变频器输出频率，达到控制单位体积铸锭内细化剂（铝-钛-硼丝）在不同标号产品内的添加量。通过PLC自动控制程序实时在线调整，可以达到各工艺参数连锁控制，实现整套设备协调工作，满足生产工艺的要求，避免由于拉坯速度过快造成结晶器出口棒材不凝固、粘死、结晶器需停产检修的故障。变频器工作频率、各工艺点的温度、压力等实际值都可通过人机界面直观地显示和实时修改。
由于铝液的温度和流量、冷却水温度和流量等工艺随合金棒外型尺寸及环境温度变化而有所不同。因此，对PLC控制系统的控制精度要求较高。故在6063合金圆棒铸造机组自动控制程序及检测仪器的设计中，在保证设备及人身安全的前提下，限制拉坯机自动运行中最高、最低运行速度，以保证整个系统可靠、安全地在工艺条件下受控运行。系统通过选用进口原装施耐德公司制造的高转矩变频器实现手动/自动调节拉坯、冷却、锯切电机运行速度，达到圆棒铸造工艺的要求。调整频率范围0～200Hz，在自动操作状态下PLC根据设定工艺参数控制设备运行状态。 当发生电气、机械故障和工艺参数超出设定值等故障时，系统进行声光报警，并启动故障自处理程序，保障人身及设备安全。人机界面故障时，PLC及变频器、检测仪器可以组成独立控制系统进行工作；若人机界面、PLC系统均出现故障，现场控制柜具有手动功能，以保证系统工作的不间断。
4 人机界面
4.1 系统简介
本铸造机控制设计中选用OMRON公司12寸彩色人机界面作为工业现场操作站，该屏配有专用操作系统。所有工艺参数均可通过人机界面显示操作及在线更改，并可通过自动、手动切换按钮，对铸造时的全部工艺过程进行自动工作或手动操作。工艺参数全部可在总流程图画面上在线显示、监控并提供所有工艺参数上限、下限及断线等以声、光形式的报警信号，同时可在报警画面查到每一个具体报警故障的汉语说明。且所有上、下限报警设定值均可在设备进入铸造生产之前，通过人机界面在输入密码后进行调节修改。
4.2 主流程图监控状态
系统开机上电以后，系统画面自动显示“主流程图画面”，系统所有工艺参数在“主流程图”上可全部显示监控，在正常工作状态下对全部的工艺参数进行监控。并可通过触摸相应的参数位置或几个分画面位置进入相应的工艺参数及上下限报警参数设置。在系统工作或设置更改状态下，如有任意一个参数超过报警设置值时，声光报警会发出声光信号，屏上“检查”按钮自动切换成“错误日志”与对应画面交替显示，触摸对应按钮就可查出具体报警参数的确切位置。
4.3 同步锯切工艺流程监控状态
在主流程图监控画面上，按压“同步锯切”按钮，则进入锯切监控画面。该画面实时动画显示同步锯工作状态及锯切棒料的定尺长度。在自动运行状态下变频器设备转速或频率禁止操作；在完成一次棒料锯切且同步锯处于退车返回途中时，才允许用户修改下次锯切
长度。
4.4 液压站、循环水泵监控状态
液压站是提供各液压阀动力的来源的主要设备。每班次设备启动时，均需在液压站压力达到标准值且循环水泵供给的冷却水压力、流量达到标准值后，系统允许运行。画面实时监控液压站油温、压力及是否有液压油过脏等影响系统运行的情况发生。
4.5 报警设置、显示操作
系统所有工艺参数的运行状态，均可通过相对应的系统操作画面进行上、下限报警设置，并可以在使用过程中根据实际使用操作工艺进行修改。系统所有报警参数设置好以后，进入正常工作状态下，如有任何参数超过报警设置值时，系统均可发出声光报警信号，以警示操作人员工艺参数发生变化，并可通过触摸报警按钮进入“报警故障显示菜单”，故障位置会自动在画面上警示显示。再次触摸相应的故障显示时，任何一种故障均可详细的显示。
参考文献
[1] 黎文安.工厂常用电气设备手册[M].北京：水利水电出版社，1990.
[2] 吕如良.电工手册[M].上海：上海科学技术出版社，1995.
[3] 崔东生.原铝及其合金的熔炼与铸造[M].北京：冶金工业出版社，2005.
[4] 欧姆龙公司.OMRON C200H/C200HX/C200HE安装手册，2003.
[5] 陆一心.液压与气动技术[M].北京：化学工业出版社，2004.
作者简介：王轶华（1974-），女，宁夏吴忠人，宁夏民族职业技术学院讲师，研究方向：电工及电气控制技术。