鋁型材擠壓生產線在線智能淬火關鍵技術研究

蘇振華 劉勝濤 鄭建能 郝樂 張愛華 吳天龍 黃勝

(1.國機重型裝備集團股份有限公司，四川 德陽 618000；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安710018；3.中鋁薩帕特種鋁材(重慶)有限公司，重慶 401326)

關鍵字：智能擠壓；在線淬火；PLC；自適應；動態閉環

在鋁型材擠壓智能生產線中，對所擠壓出的型材進行熱處理，是保證產品質量以及提升產品性能的至關重要的環節[1-2]。目前，國內鋁型材擠壓生產線的熱處理方式，主要為對所出料產品進行在線冷卻，主要為風機冷卻或者水泵噴水冷卻，其中風量或者水量的給定，一般是操作人員通過人工調整或者固定風閥或水閥位置來實現，這些操作造成冷卻系統的風量或水量值比較恒定，無法根據型材種類和出料溫度的差異變化來實時進行在線動態自適應調整冷卻值以保證冷卻效果，其生產效率和智能化程度也相對較低[3]。

本文主要以某企業鋁擠壓機生產線的在線智能淬火控制系統的關鍵技術作為研究對象，研發一套具有人性化操作、自適應集中控制反應敏捷的PLC控制系統，保證在線冷卻系統可靠高效運行、控制精準度高、自動連續性生產作業。

1 系統概述

鋁型材生產線在線智能淬火控制系統的關鍵技術研究點：一是提供一種循環效果好、精確控制、資源節約、穩定性強的冷卻水溫控制與循環策略，解決現有的淬火水溫控制與循環方式存在的冷卻效率低、難以控制、資源浪費和成本過高等問題；二是實現在線冷卻控制系統，按照型材品種及其溫度變化的情況，實現對各冷區冷卻水量的自適應調整，并通過動態循環調整冷卻水量的匹配值，提高現場冷卻控制系統的精確度與安全性，并提高擠壓生產線上現場冷卻水調整的自動化水平[4]。

1.1 淬火水循環系統

如圖1所示，鋁型材擠壓生產線智能在線淬火系統中，冷卻水的循環冷卻池分為熱水池與冷水池兩部分，用來貯存淬火水，在兩池內還各自設置了溫度傳感器對溫度進行實時監控，根據控制系統參數要求，溫度超過一定范圍時，啟動循環泵使水得以循環流動，同時在熱水池和冷水池中間還設計了流通管道，在熱水池的下方連通著循環泵的吸水管，吸水管的長度為熱水池全長的0.2倍左右；循環水需干凈防止水嘴堵塞，同時需要冷卻才能到達淬火水需要的溫度，所以循環水系統中設置了過濾器、換熱冷卻器以及冷卻循環系統的出水管；循環系統的出水管與冷卻池相連，并超過了冷卻池的液面高度；熱水池和冷水池中間設置有回水管、吸水管、過濾器、換熱冷卻器等。鋁型材出料后根據冷卻工藝模型，以型材種類和工作溫度來選擇最佳的冷卻方式，如采用水冷卻方式，通過水泵將冷水池中的水作為淬火水送入淬火工作段，完成所擠壓鋁型材的在線冷卻水淬火。

1—型材；2—噴嘴；3—回水管；4—熱水池；5—吸水管；6—循環水泵；7—過濾器；8—換熱冷卻器；9—溫度傳感器；10—出水管；11—冷水池；12—通道；13—工作泵。

1.2 淬火冷卻工作區系統

聯合冷卻裝置分為兩部分，第一部分是風和水聯合冷卻的區域；第二部分是風冷卻區域。冷卻裝置由上冷卻罩和下冷卻裝置組成，上冷卻罩由油缸驅動升降，在第一次擠壓時牽引機通過后落下，直到連續擠壓停止才升起。下冷卻裝置為一個整體，并與風機相連，其中設有耐溫600℃的支撐輥，靠前梁出口處輥臺可升降，適應不同厚度的鋁型材。

為了強風能帶走更多的熱量，風向設置為面向出料方向，所有風嘴按照一定規律、與出料方向以一定的角度布置，風冷系統可以提供高達300 W/m2K的熱傳導系數的風量。如圖2所示，在風嘴之間，排布冷卻水嘴，多個噴嘴沿型材截面方向均勻排布，在生產線方向上，每個冷卻區域所有噴嘴的流量通過同一個電磁比例閥控制，以適應不同截面和厚度的鋁型材。

A—大噴嘴；B—小噴嘴。

2 控制系統組成

在鋁型材在線淬火智能控制系統中，上冷卻罩的垂直升降動作由液壓缸驅動，上冷卻罩安裝有位移傳感器，實時檢測位移變化，PLC控制系統根據位移傳感器反饋的數據及冷卻工藝控制要求實現在線實時動態調整上冷卻罩的位置[5]。影響風量的另一個工藝參數為擠壓型材的實時溫度，通過激光測溫儀來檢測，一般安裝在擠壓機的出口處。

各風冷區域的風量控制及設定由單獨的變頻風機完成，各水冷區域的水量控制及設定由單獨的變頻水泵完成。風冷區域各風嘴風速變化的監控由風速感應器進行實時信息反饋，風速控制通過智能比例調節風速閥實現；水冷區域每個噴頭的水速值通過水壓力感應器反映信息，水速控制及設定通過智能比例調節水閥實現。

如圖3所示，PLC控制器通過TCP/IP通訊技術，把控制器、通訊設備、HMI系統等設備連接到統一局域網，得以技術資源共享[5]。位移傳感器、激光測溫器、風嘴風速感應器、噴嘴水壓感應器等，反饋的數據均是4～20 mA的弱電壓模擬信號，這種數據又必須經過模擬量信號系統，轉換為數字信號才能實現PLC系統控制，將模擬電壓信號轉化為數字電壓信號，再傳遞到PLC控制器，PLC控制器利用模擬量輸出模塊，控制調節智能比例調節風速閥和對智能比例調節水閥；PLC控制器中的數字量輸出模塊，通過調控液壓系統中的液壓閥組，控制上冷卻罩升降的液壓缸動作，從而完成對上冷卻罩的升降控制；采用TCP/IP通訊協議，與PLC控制器的通信可以實現變頻風機與變頻水泵之間工作數據的信息共享，PLC控制器的所有指令都基于控制系統中的冷卻工藝模型[6]。

圖3 控制系統組態圖

以韓國的永泰YT-2700智能閥門定位器為例，智能比例調節風速閥和智能比例調節水速閥的開口角度，均采用PLC控制器以及系統產生的4～20 mA輸出信號控制。其采用內置的微處理器實現風閥的精確控制，而且還能夠按照冷卻工藝技術要求進行參數選擇，并具備PID調節能力和與HART通訊能力。

3 控制策略

鋁型材在線淬火冷卻控制策略統籌了液壓缸位置、冷卻風量/風速、冷卻水量/水速/水溫等控制，PLC控制系統較為復雜，通過采用以太網的TCP/IP實時通訊協議[7]，保證系統中的CPU控制器、智能定位比例水閥、風閥及各傳感器與分布模塊之間的實時通訊，可以根據冷卻工藝要求實現自動控制。

鋁型材的在線智能淬火冷卻控制流程是，首先通過HMI統計該批次型材的加工種類，然后PLC系統通過HMI中存儲的冷卻工藝模型，自主地選取出該型材的最終冷卻方案，具體由冷卻罩、風嘴、水嘴來執行[8]。實施過程如下：

(1)自動調節上冷卻罩位置，冷卻方式若是單獨的風冷，由PLC控制器實時檢測液壓缸的位移傳感器數據，并依據控制策略保證將上冷卻罩調節至最佳位置；

(2)實時檢測和記錄擠壓機出口處型料的溫度，進而利用HMI存儲的工藝數據庫，計算出各風冷區冷卻時所需要最佳風量數值Q，而對應的變頻風機可以根據Q值，進行動態調節轉速來達到最優風量需求；

(3)由PLC控制器智能計算出各風冷區各風嘴處的最優風速數值，并實時檢測各風嘴處的最優風速傳感器的數值，從而計算出相應實時的最優風速值V，同時按照冷卻工藝控制以及對最優風速值V的要求，相應的智能比例調節風速閥可以實時地調整閥口的最優開口量，從而進行動態閉環控制風速值。

擠壓生產線型材的現場風冷卻控制中，為保證各風冷區域風量值給定與風機轉速實時對應，風嘴風速值的給定和相應的智能比例調節風速閥開口度實時對應，PLC系統中數據實時傳輸及共享，確保上冷卻罩位置、各風冷區風嘴的風速、風量等控制符合每種型材的冷卻工藝模型要求[9-10]。在線智能淬火冷卻控制流程如圖4所示。

圖4 控制流程圖

4 結束語

本鋁型材擠壓生產線在線智能淬火控制管理系統，可以實現型材在線確定并執行最優的冷卻方式，冷卻模式(水冷和風冷)自動轉換，各冷卻區域的風量或水量值通過冷卻工藝模型智能調節，在冷卻控制過程中綜合了型材種類、工作溫度、擠壓速率、性能指標要求等技術數據，實現動態閉環控制風量及水量的最優匹配，提高擠壓生產線型材在線淬火系統的成效性、穩定性、效率性等，有效提升了擠壓生產線型材在線冷卻的自動化、智能化控制水平。