CN116441701B - 一种板极电渣焊设备的自动化渣系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种板极电渣焊设备的自动化渣系统及方法，属于板极电渣焊技术领域。自动化渣系统包括：化渣变压器、碳棒系统、坩埚系统、红外测温仪、电流检测模块和PLC；其中碳棒系统包括依次连接的伺服驱动器、伺服电机、滚珠丝杠和碳棒；坩埚系统包括依次连接的变频驱动器、变频电机、减速机和坩埚。本发明碳棒系统和坩埚系统采用PLC进行控制，驱动部分采用伺服驱动器取代了变频器和普通电机，因此控制精度得到了较大的提高。同时，由于采用温度监测控制代替人为观测，因此生产故障率大幅降低，运行效率也获得了提高，并在电能损耗方面也有较大的降低。

Description

一种板极电渣焊设备的自动化渣系统及方法

技术领域

本发明涉及板极电渣焊技术领域，特别是涉及一种板极电渣焊设备的自动化渣系统及方法。

背景技术

现有板极电渣焊设备的化渣系统化渣采用变频控制碳棒上升和下降，无法做到位置控制，并且电流运行幅度较大。坩埚翻转采用普通电机配合接触器正反转控制，没有工作限位。操作人员在倒渣时先提升碳棒，然后肉眼观察大致距离再进行坩埚翻转操作，容易发生碰撞事故；或者由于操作不熟练，倒渣时间太长，熔渣温度降低，造成焊接速度慢甚至无法焊接等问题。化渣是否到达温度，往往依靠操作工带护目镜观测，既不安全，化渣时间也长短不一，造成不必要的电能浪费。

发明内容

针对上述背景技术中提出的问题，本发明提供一种板极电渣焊设备的自动化渣系统及方法，以提高化渣和倒渣过程的控制精度及生产效率，降低电能损耗和生产故障率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一方面，本发明提供一种板极电渣焊设备的自动化渣系统，包括：化渣变压器、碳棒系统、坩埚系统、红外测温仪、电流检测模块和可编程控制器PLC；所述碳棒系统包括依次连接的伺服驱动器、伺服电机、滚珠丝杠和碳棒；所述坩埚系统包括依次连接的变频驱动器、变频电机、减速机和坩埚；

所述化渣变压器的二次输出端a侧连接到碳棒的固定导电环上，所述化渣变压器的二次输出端x侧连接到坩埚的导电环上，构成自动化渣系统主回路；所述碳棒位于所述坩埚上方；

所述PLC分别与所述伺服驱动器、所述变频驱动器、所述红外测温仪以及所述电流检测模块连接；所述电流检测模块用于检测自动化渣系统主回路中的化渣电流并发送至PLC；所述红外测温仪用于检测坩埚内的熔渣温度并发送至PLC；所述PLC用于根据所述化渣电流和所述熔渣温度控制所述伺服驱动器和所述变频驱动器动作。

可选地，所述化渣变压器输入单相380VAC，输出40VAC，额定电流5600A。

可选地，所述电流检测模块包括：电流互感器和电流变送器；所述电流互感器的一端连接自动化渣系统主回路；所述电流互感器的另一端连接所述电流变送器的一端；所述电流变送器的另一端连接所述PLC。

可选地，所述自动化渣系统主回路采用耐高温软铜缆进行电路连接；所述PLC通过屏蔽双绞线分别与所述伺服驱动器、所述变频驱动器以及所述红外测温仪连接；所述伺服驱动器与所述伺服电机通过专用屏蔽电缆进行连接；所述变频驱动器与所述变频电机通过专用电机电缆进行连接。

另一方面，本发明提供一种板极电渣焊设备的自动化渣方法，应用于所述的自动化渣系统，所述自动化渣方法包括：

PLC接收电流检测模块所检测的自动化渣系统主回路中的化渣电流；

PLC根据所述化渣电流控制碳棒的伺服驱动器带动伺服电机，进而通过滚珠丝杠带动碳棒作上下往复运动，调整碳棒与坩埚底部的放电距离以调节化渣电流；

化渣过程中，PLC接收红外测温仪所检测的坩埚内熔渣温度；

PLC根据所述熔渣温度控制化渣变压器自动停止；

化渣变压器自动停止后，PLC控制碳棒的伺服驱动器带动伺服电机，进而通过滚珠丝杠将碳棒提升至预设位置；同时PLC控制坩埚的变频驱动器带动变频电机和减速机进行坩埚翻转，实现自动倒渣。

可选地，所述PLC根据所述化渣电流控制碳棒的伺服驱动器带动伺服电机，进而通过滚珠丝杠带动碳棒作上下往复运动，调整碳棒与坩埚底部的放电距离以调节化渣电流，具体包括：

当所述化渣电流大于5000A时，PLC控制碳棒的伺服驱动器带动伺服电机，进而通过滚珠丝杠带动碳棒快速增加与坩埚底部的放电距离，将化渣电流迅速降到2500A以下；

当所述化渣电流小于等于5000A且大于2500A时，PLC控制碳棒的伺服驱动器带动伺服电机，进而通过滚珠丝杠带动碳棒上升，实现与坩埚底部放电距离的微动增加，将化渣电流降低到2500A以下；

当所述化渣电流小于等于2500A且大于500A时，保持碳棒与坩埚底部的放电距离不变；

当所述化渣电流小于等于500A时，PLC控制碳棒的伺服驱动器带动伺服电机，进而通过滚珠丝杠带动碳棒下降，实现与坩埚底部放电距离的微动减小，将化渣电流提升至高于500A后停止。

可选地，所述PLC根据所述熔渣温度控制化渣变压器自动停止，具体包括：

PLC根据采集的熔渣温度生成温度变化曲线；

当所述熔渣温度达到1600-1750度之间时，PLC确定温度变化曲线是否出现下降点，并从下降点开始计时，120秒后，控制化渣变压器自动停止。

可选地，所述PLC控制碳棒的伺服驱动器带动伺服电机，进而通过滚珠丝杠将碳棒提升至预设位置；同时PLC控制坩埚的变频驱动器带动变频电机和减速机进行坩埚翻转，实现自动倒渣，具体包括：

PLC控制碳棒的伺服驱动器带动伺服电机，进而通过滚珠丝杠以最高移动速度将碳棒提升至预设位置；

同时PLC控制坩埚的变频驱动器带动变频电机和减速机以最高翻转速度进行坩埚翻转，并保证坩埚与碳棒不发生碰撞。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种板极电渣焊设备的自动化渣系统及方法，所述自动化渣系统包括：化渣变压器、碳棒系统、坩埚系统、红外测温仪、电流检测模块和PLC；其中碳棒系统包括依次连接的伺服驱动器、伺服电机、滚珠丝杠和碳棒；坩埚系统包括依次连接的变频驱动器、变频电机、减速机和坩埚。本发明碳棒系统和坩埚系统采用PLC进行控制，驱动部分采用伺服驱动器取代了变频器和普通电机，因此控制精度得到了较大的提高。同时，由于采用温度监测控制代替人为观测，因此生产故障率大幅降低，运行效率也获得了提高，并在电能损耗方面也有较大的降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显然，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种板极电渣焊设备的自动化渣系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种板极电渣焊设备的自动化渣系统及方法，以提高化渣和倒渣过程的控制精度及生产效率，降低电能损耗和生产故障率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，本发明一种板极电渣焊设备的自动化渣系统，包括：化渣变压器1、碳棒系统、坩埚系统、红外测温仪2、电流检测模块和PLC（可编程控制器）3。其中所述碳棒系统包括依次连接的伺服驱动器4、伺服电机5、滚珠丝杠6和碳棒7；所述坩埚系统包括依次连接的变频驱动器8、变频电机9、减速机10和坩埚11。

其中，自动化渣系统进线电源采用单相380VAC输入，由化渣变压器1输出40VAC低电压大电流电信号，作为自动化渣系统的主电源。所述化渣变压器1是用于化渣的主电源变压器，输入单相380VAC，输出40VAC，额定电流5600A。参见图1，化渣变压器1的二次输出端a侧直接连接到碳棒7的固定导电环上，实现电路的连通；化渣变压器1的二次输出端x侧连接到坩埚11的导电环上，实现与坩埚11的电路连通；这两部分共同构成自动化渣系统主回路。所述自动化渣系统主回路采用耐高温耐火软铜缆进行电路连接。

参见图1，所述碳棒7位于所述坩埚11正上方。碳棒7由专用导电石墨材料制成，具有良好的导电性，碳棒7由滚珠丝杠6带动作上下往复运动。滚珠丝杠6由交流伺服电机5驱动，伺服电机5是由伺服驱动器4驱动，其控制速度、位置、距离则是由PLC伺服驱动专用模块实现。伺服驱动器4输入220VAC电源，其输入控制端是由PLC的一个专用模块控制，包括控制伺服电机5的转速、方向、移动距离；其输出端直接与伺服电机5相连接，驱动伺服电机5运转。伺服电机5轴头带动专用减速机，减速机轴头与滚珠丝杠6进行连接，带动滚珠丝杠6上、下运动，以调整碳棒7与坩埚11底部的放电距离。

坩埚11由导电碳素材料制成，其底部与碳棒7接触，通电后产生最高6000A的大电流，将固态的渣融化成导电的熔融态熔渣。坩埚11的驱动是由变频驱动器8驱动变频电机9，通过减速机10及轴瓦实现运转。由于减速机10及变频电机9与坩埚11通过金属元件相连接，因此需要将坩埚11及减速机10、变频电机9等整体金属结构与坩埚翻转的工作平台绝缘，由于工作电压为40V，因此采用5mm厚度绝缘板即可。绝缘板安装在坩埚翻转的工作平台和设备平台之间，用绝缘板做绝缘隔离，即需保证坩埚整体和平台的平面是绝缘的。变频驱动器8的运转信号（包括由限位开关确定的旋转到位信号）是由PLC进行控制，通过PLC实现自动启停。

所述PLC3分别与所述伺服驱动器4、所述变频驱动器8、所述红外测温仪2以及所述电流检测模块连接。所述电流检测模块用于检测自动化渣系统主回路中的化渣电流并发送至PLC3；所述红外测温仪2用于检测坩埚11内的熔渣温度并发送至PLC3；所述PLC3用于根据所述化渣电流和所述熔渣温度控制所述伺服驱动器4和所述变频驱动器8动作。

红外测温仪2的温度检测范围为700℃-2000℃。红外线光速直射坩埚内熔渣。测温信号通过MODBUS网络直接传输到PLC主机串口端进行数据读取及分析，将温度信号通过网络标准低电压或低电流信号传输至PLC3，当温度值达到最高点下降后开始计时，达到设定时间（如120秒）后，化渣系统自动停止并音响报警提示，碳棒系统配合坩埚系统实现自动倒渣的功能。

参见图1，所述电流检测模块包括：电流互感器12和电流变送器13；所述电流互感器12的一端连接自动化渣系统主回路；所述电流互感器12的另一端连接所述电流变送器13的一端；所述电流变送器13的另一端连接所述PLC3。电流互感器12用于检测主回路大电流信号，转化成0-5A的低电流信号并起到与主电路隔离的作用。电流变送器13将电流互感器12的输入标准0-5电流信号转化成标准仪表信号0-10V或4-20mA，送至PLC3进行数据分析和计算。

短网即连接自动化渣系统主电路的动力电缆或铜排，本发明选用耐高温硅胶软电缆，最好是铜缆。PLC3与伺服驱动器4、变频驱动器8以及红外测温仪2之间进行连接的控制电缆则采用屏蔽双绞线，以实现网络信号的稳定传输。伺服驱动器4与伺服电机5的连接则采用厂家自带的专用屏蔽电缆并配套航空插头。变频驱动器8与变频电机9则通过专用电机电缆进行连接。

本发明自动化渣系统在原有板极电渣焊设备的化渣系统中，增加了红外测温仪2，并将原有化渣系统中的化渣变频器改为伺服驱动器4，将减速机配套电机改为伺服电机5。并进一步修改PLC电控原理图，将碳棒变频控制改为伺服驱动控制，坩埚翻转由接触器控制改为变频器控制，PLC增加温度信号输入，做设备选型表及采购计划。然后进行电控系统设备安装，空载调试、负荷试验。

调试完毕后，本发明自动化渣系统的工作过程如下：

1）利用6000/5的0.1级电流互感器12采集化渣变压器1的二次电流作为化渣电流，并将电流互感器二次电流送入电流变送器13，转换成标准0-10VDC的信号，送至控制系统PLC3的模拟量处理接口模块（AI）进行信号处理，将模拟量转为数字量，数字量再进行比较、算术运算，并将对应的实际化渣电流显示在操作台的触摸屏上。

2）做数据实时比较，当检测到的化渣电流大于5000A时，PLC3控制碳棒7的伺服驱动器4带动伺服电机5，进行碳棒电极和坩埚底部放电距离的快速调整，即根据电流值的范围来分段增加碳棒7和坩埚11的距离，电流越大距离越大，降低化渣电流，将化渣电流迅速降到2500A以下。

3）当检测电流小于等于5000A且大于2500A时，PLC3控制碳棒7的伺服驱动器4带动伺服电机5，进行碳棒电极和坩埚底部放电距离的微动调整，将化渣电流保持到2500A以下。

4）当检测电流小于等于2500A且大于500A时，碳棒电极和坩埚底部距离保持不变。

5）当检测电流小于等于500A时，PLC3控制碳棒7的伺服驱动器4带动伺服电机5，进行碳棒电极和坩埚底部放电距离的微动减小，将化渣电流提升至高于500A后即停止。

6）在化渣过程中，用红外测温仪2检测坩埚11内熔渣的温度。将温度数据通过MODBUS总线（屏蔽双绞线）送至PLC3的串口端。当温度达到1600-1750度之间，通过PLC3采集数据进行分析，温度到达一个高点后开始小幅度下降，取温度变化曲线下降点开始计时，120秒后，化渣变压器1自动停止；碳棒系统伺服驱动器4带动伺服电机5，以伺服设定的最高速度提升碳棒7至一个预设好的位置后，坩埚自动翻转，实现自动倒渣的功能。预设位置即碳棒7首先提升的一个具体位置，到达该预设位置后，坩埚11也以最高的翻转速度进行翻转，二者在同时运行的区间内不会发生碰撞。坩埚翻转是通过链条传动带动坩埚11做前倾或者回位动作，即坩埚11向下旋转90度，或者向上回转90度的复位动作。

7）碳棒7提升到预设位置后和坩埚翻转自动同时启动，需要根据碳棒7提升的最大速度和坩埚翻转的最大速度，做位置运动模拟实验，来保证二者在同时运动的区间内既不发生碰撞，又能保证最高的倒渣速度，确保在实际生产中效率最大化。同时，在触摸屏上可以设置一键恢复功能，令碳棒7和坩埚11返回原位。另外坩埚翻转需要安装翻转极限位置限位开关，限位开关与PLC3连接，通过PLC3实现自动启停。

基于所述的自动化渣系统，本发明还提供一种板极电渣焊设备的自动化渣方法，包括：

S1：PLC3接收电流检测模块所检测的自动化渣系统主回路中的化渣电流；

S2：PLC3根据所述化渣电流控制碳棒7的伺服驱动器4带动伺服电机5，进而通过滚珠丝杠6带动碳棒7作上下往复运动，调整碳棒7与坩埚11底部的放电距离以调节化渣电流；

具体地，当所述化渣电流大于5000A时，PLC3控制碳棒7的伺服驱动器4带动伺服电机5，进而通过滚珠丝杠6带动碳棒7快速增加与坩埚11底部的放电距离，将化渣电流迅速降到2500A以下；

当所述化渣电流小于等于5000A且大于2500A时，PLC3控制碳棒7的伺服驱动器4带动伺服电机5，进而通过滚珠丝杠6带动碳棒7上升，实现与坩埚11底部放电距离的微动增加，将化渣电流降低到2500A以下；

当所述化渣电流小于等于2500A且大于500A时，保持碳棒7与坩埚11底部的放电距离不变；

当所述化渣电流小于等于500A时，PLC3控制碳棒7的伺服驱动器4带动伺服电机5，进而通过滚珠丝杠6带动碳棒7下降，实现与坩埚11底部放电距离的微动减小，将化渣电流提升至高于500A后停止。

S3：化渣过程中，PLC3接收红外测温仪2所检测的坩埚11内熔渣温度；

S4：PLC3根据所述熔渣温度控制化渣变压器1自动停止；

具体地，PLC3根据采集的熔渣温度生成温度变化曲线；当所述熔渣温度达到1600-1750度之间时，PLC3确定温度变化曲线是否出现下降点，并从下降点开始计时，120秒后，控制化渣变压器1自动停止。

S5：化渣变压器1自动停止后，PLC3控制碳棒7的伺服驱动器4带动伺服电机5，进而通过滚珠丝杠6将碳棒7提升至预设位置；同时PLC3控制坩埚11的变频驱动器8带动变频电机9和减速机10进行坩埚翻转，实现自动倒渣。

具体地，PLC3控制碳棒7的伺服驱动器4带动伺服电机5，进而通过滚珠丝杠6以最高移动速度将碳棒7提升至预设位置；同时PLC3控制坩埚11的变频驱动器8带动变频电机9和减速机10以最高翻转速度进行坩埚翻转，并保证坩埚11与碳棒7不发生碰撞。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种板极电渣焊设备的自动化渣系统，其特征在于，包括：化渣变压器、碳棒系统、坩埚系统、红外测温仪、电流检测模块和可编程控制器PLC；所述碳棒系统包括依次连接的伺服驱动器、伺服电机、滚珠丝杠和碳棒；所述坩埚系统包括依次连接的变频驱动器、变频电机、减速机和坩埚；将坩埚及减速机变频电机的整体金属结构与坩埚翻转的工作平台绝缘，采用5mm厚度绝缘板，绝缘板安装在坩埚翻转的工作平台和设备平台之间，用绝缘板做绝缘隔离；

所述化渣变压器的二次输出端a侧连接到碳棒的固定导电环上，所述化渣变压器的二次输出端x侧连接到坩埚的导电环上，构成自动化渣系统主回路；所述碳棒位于所述坩埚上方；

所述PLC分别与所述伺服驱动器、所述变频驱动器、所述红外测温仪以及所述电流检测模块连接；所述电流检测模块用于检测自动化渣系统主回路中的化渣电流并发送至PLC；所述红外测温仪用于检测坩埚内的熔渣温度并发送至PLC；所述PLC用于根据所述化渣电流和所述熔渣温度控制所述伺服驱动器和所述变频驱动器动作；

红外测温仪的温度检测范围为700℃-2000℃；红外线光速直射坩埚内熔渣；测温信号通过MODBUS网络直接传输到PLC主机串口端进行数据读取及分析，将温度信号通过网络标准低电压或低电流信号传输至PLC，当温度值达到最高点下降后开始计时，达到设定时间后，化渣系统自动停止并音响报警提示，碳棒系统配合坩埚系统实现自动倒渣的功能；

在化渣过程中，用红外测温仪检测坩埚内熔渣的温度；将温度数据通过MODBUS总线送至PLC的串口端；当温度达到1600-1750度之间，通过PLC采集数据进行分析，温度到达一个高点后开始小幅度下降，取温度变化曲线下降点开始计时，120秒后，化渣变压器自动停止；碳棒系统伺服驱动器带动伺服电机，以伺服设定的最高速度提升碳棒至一个预设好的位置后，坩埚自动翻转，实现自动倒渣的功能；预设位置即碳棒首先提升的一个具体位置，到达该预设位置后，坩埚也以最高的翻转速度进行翻转，二者在同时运行的区间内不会发生碰撞；坩埚翻转是通过链条传动带动坩埚做前倾或者回位动作，即坩埚向下旋转90度，或者向上回转90度的复位动作；

所述自动化渣系统主回路采用耐高温软铜缆进行电路连接；所述PLC通过屏蔽双绞线分别与所述伺服驱动器、所述变频驱动器以及所述红外测温仪连接；所述伺服驱动器与所述伺服电机通过专用屏蔽电缆进行连接；所述变频驱动器与所述变频电机通过专用电机电缆进行连接。

2.根据权利要求1所述的自动化渣系统，其特征在于，所述化渣变压器输入单相380VAC，输出40VAC，额定电流5600A。

3.根据权利要求1所述的自动化渣系统，其特征在于，所述电流检测模块包括：电流互感器和电流变送器；所述电流互感器的一端连接自动化渣系统主回路；所述电流互感器的另一端连接所述电流变送器的一端；所述电流变送器的另一端连接所述PLC。

4.一种板极电渣焊设备的自动化渣方法，应用于权利要求1所述的自动化渣系统，其特征在于，所述自动化渣方法包括：

PLC接收电流检测模块所检测的自动化渣系统主回路中的化渣电流；

PLC根据所述化渣电流控制碳棒的伺服驱动器带动伺服电机，进而通过滚珠丝杠带动碳棒作上下往复运动，调整碳棒与坩埚底部的放电距离以调节化渣电流；

化渣过程中，PLC接收红外测温仪所检测的坩埚内熔渣温度；

PLC根据所述熔渣温度控制化渣变压器自动停止；

化渣变压器自动停止后，PLC控制碳棒的伺服驱动器带动伺服电机，进而通过滚珠丝杠将碳棒提升至预设位置；同时PLC控制坩埚的变频驱动器带动变频电机和减速机进行坩埚翻转，实现自动倒渣。

5.根据权利要求4所述的自动化渣方法，其特征在于，所述PLC根据所述化渣电流控制碳棒的伺服驱动器带动伺服电机，进而通过滚珠丝杠带动碳棒作上下往复运动，调整碳棒与坩埚底部的放电距离以调节化渣电流，具体包括：

当所述化渣电流大于5000A时，PLC控制碳棒的伺服驱动器带动伺服电机，进而通过滚珠丝杠带动碳棒快速增加与坩埚底部的放电距离，将化渣电流迅速降到2500A以下；

当所述化渣电流小于等于5000A且大于2500A时，PLC控制碳棒的伺服驱动器带动伺服电机，进而通过滚珠丝杠带动碳棒上升，实现与坩埚底部放电距离的微动增加，将化渣电流降低到2500A以下；

当所述化渣电流小于等于2500A且大于500A时，保持碳棒与坩埚底部的放电距离不变；

当所述化渣电流小于等于500A时，PLC控制碳棒的伺服驱动器带动伺服电机，进而通过滚珠丝杠带动碳棒下降，实现与坩埚底部放电距离的微动减小，将化渣电流提升至高于500A后停止。

6.根据权利要求4所述的自动化渣方法，其特征在于，所述PLC根据所述熔渣温度控制化渣变压器自动停止，具体包括：

PLC根据采集的熔渣温度生成温度变化曲线；

当所述熔渣温度达到1600-1750度之间时，PLC确定温度变化曲线是否出现下降点，并从下降点开始计时，120秒后，控制化渣变压器自动停止。

7.根据权利要求4所述的自动化渣方法，其特征在于，所述PLC控制碳棒的伺服驱动器带动伺服电机，进而通过滚珠丝杠将碳棒提升至预设位置；同时PLC控制坩埚的变频驱动器带动变频电机和减速机进行坩埚翻转，实现自动倒渣，具体包括：

PLC控制碳棒的伺服驱动器带动伺服电机，进而通过滚珠丝杠以最高移动速度将碳棒提升至预设位置；

同时PLC控制坩埚的变频驱动器带动变频电机和减速机以最高翻转速度进行坩埚翻转，并保证坩埚与碳棒不发生碰撞。