PLC在铜加工熔铸设备中的自动化控制应用研究

一、引言

铜具有优良的导电性、导热性、耐腐蚀性和加工性能，在电力、电子、建筑、机械等众多领域广泛应用。铜加工熔铸是将铜原料通过熔化、精炼、铸造等工艺制成各种铜合金铸锭或铸件的过程，该过程的自动化程度直接影响到铜产品的质量和生产效率。传统的铜加工熔铸设备多采用人工操作或简单的电气控制，存在生产效率低、产品质量不稳定、劳动强度大等问题。随着工业自动化技术的不断发展，PLC 凭借其可靠性高、灵活性强、编程简单等优势，在铜加工熔铸设备自动化控制中得到越来越广泛的应用，为铜加工行业的转型升级提供了有力支撑。

二、PLC 的工作原理与优势

（一）工作原理

PLC 采用循环扫描的工作方式，主要包括输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。在输入采样阶段，PLC 通过输入接口采集外部设备（如传感器、按钮等）的状态信号，并将其存入输入映像寄存器；在程序执行阶段，PLC 按照用户编写的控制程序，从第一条指令开始依次执行，根据输入映像寄存器和内部寄存器中的数据进行逻辑运算，并将运算结果存入输出映像寄存器；在输出刷新阶段，PLC 将输出映像寄存器中的数据通过输出接口传送给外部执行机构（如接触器、电磁阀等），控制设备的运行。

（二）优势

可靠性高：PLC 采用了硬件和软件的多重抗干扰措施，如屏蔽、滤波、冗余等，能够在恶劣的工业环境下稳定运行，减少设备故障发生率。例如，其内部的电源模块经过特殊设计，能够有效抑制电网中的电压波动和干扰信号，确保 PLC 工作的稳定性。

灵活性强：PLC 的控制功能通过编程实现，用户可以根据实际生产工艺的变化，方便地修改控制程序，调整设备的运行参数和控制逻辑，无需对硬件进行大规模改造。例如，当铜加工熔铸工艺需要调整熔炼温度、浇铸速度等参数时，只需在 的编程软件中修改相应的程序代码即可。

编程简单：PLC 采用梯形图、指令表等直观易懂的编程语言，即使是非专业的电气工程师也能快速掌握编程方法。梯形图与继电器控制电路的形式相似，易于理解和设计，降低了编程难度，提高了开发效率。

三、PLC 在铜加工熔铸设备中的应用

（一）熔炼过程控制

在铜熔炼过程中，PLC 主要用于控制熔炼炉的温度、炉内压力、加料量等参数。通过温度传感器实时采集熔炼炉内的温度信号，并将其传输给PLC。PLC 根据预设的温度曲线，通过控制加热装置的功率来调节炉内温度。例如，在熔炼初期，为了快速升温，PLC 控制加热装置以最大功率运行；当温度接近目标值时，PLC 逐渐降低加热装置的功率，实现温度的精确控制。同时，通过压力传感器监测炉内压力，当压力超出设定范围时，PLC控制排气装置或进气装置进行压力调节。此外，PLC 还可根据熔炼工艺要求，控制加料装置的加料量和加料时间，确保熔炼过程的稳定性和产品质量。

（二）精炼过程控制

铜精炼是去除铜液中杂质、提高铜纯度的关键环节。PLC 在精炼过程中主要控制精炼剂的添加量、搅拌速度和精炼时间。通过在线成分分析仪实时检测铜液中的杂质含量，PLC 根据检测结果控制精炼剂添加装置的阀门开度，精确调节精炼剂的添加量。同时，PLC 控制搅拌电机的转速，使精炼剂与铜液充分混合，提高精炼效果。例如，当铜液中某杂质含量较高时，PLC 自动增加精炼剂的添加量，并适当提高搅拌速度，以加速杂质的去除。精炼时间也由 PLC 根据预设的工艺参数进行精确控制，确保精炼过程的充分进行。

（三）铸造过程控制

在铜铸造过程中，PLC 主要用于控制浇铸温度、浇铸速度、铸型振动等参数。通过温度传感器实时监测铜液的浇铸温度，PLC 根据设定的温度范围控制保温装置的加热或冷却，保证浇铸温度的稳定。同时，PLC 通过控制浇铸泵的转速或阀门开度，精确调节浇铸速度，确保铜液均匀、稳定地流入铸型。此外，为了提高铸件的质量，PLC 控制铸型振动装置的振动频率和振幅，使铜液在铸型中更好地填充和排气。例如，在铸造薄壁铸件时，PLC 适当提高浇铸速度和铸型振动频率，防止铸件出现冷隔、气孔等缺陷。

四、PLC 在铜加工熔铸设备中应用面临的挑战及应对策略

（一）技术集成难度

铜加工熔铸设备涉及多种复杂的工艺和设备，将 PLC 与这些设备进行集成需要解决不同设备之间的通信协议、接口匹配等问题。例如，熔炼炉的温度控制系统、精炼剂添加装置、浇铸设备等可能来自不同的厂家，其通信协议和接口标准各不相同，这给 PLC 控制系统的集成带来了困难。应对策略是在系统设计阶段，充分调研各设备的技术参数和接口要求，选择具有良好兼容性的 PLC 产品和通信模块。同时，与设备供应商密切合作，共同开发通信协议转换程序，确保各设备之间能够实现无缝通信和协同工作。

（二）系统维护要求高

PLC 自动化控制系统的维护需要专业的技术人员，不仅要掌握 PLC的编程和维护知识，还要熟悉铜加工熔铸设备的工艺流程和机械结构。然而，目前企业中这类复合型人才相对短缺，给系统的维护带来了挑战。例如，当 PLC 控制系统出现故障时，由于维护人员对设备工艺和 PLC 技术掌握不足，可能无法快速准确地诊断和排除故障，影响生产进度。企业应加强对员工的培训，通过内部培训、外部培训、校企合作等方式，培养既懂 PLC 技术又熟悉铜加工熔铸工艺的复合型人才。同时，建立完善的设备维护制度，定期对 PLC 控制系统进行检查、保养和升级，及时发现和解决潜在问题，确保系统的稳定运行。

（三）成本问题

引入 PLC 自动化控制系统需要投入一定的资金，包括 PLC 硬件设备采购、软件开发、系统集成以及人员培训等费用。对于一些中小企业来说，可能会面临成本压力。应对策略是在项目实施前，进行充分的成本效益分析，合理选择 PLC 产品和系统配置，在满足生产需求的前提下，降低设备采购和系统集成成本。同时，从长期来看，PLC 自动化控制系统能够提高生产效率、降低产品次品率、减少人工成本，这些效益能够在一定时间内收回投资成本，并为企业创造更多的经济效益。

五、结论

PLC 在铜加工熔铸设备中的自动化控制应用，为铜加工行业带来了显著的技术进步和经济效益。通过对熔炼、精炼、铸造等过程的精确控制，提高了生产效率，改善了产品质量，降低了劳动强度。然而，在应用过程中面临技术集成难度、系统维护要求高和成本问题等挑战。通过合理的系统设计、加强人才培养和成本效益分析等应对策略，能够有效克服这些挑战，推动 PLC 自动化控制技术在铜加工熔铸设备中的广泛应用和不断发展。随着工业自动化技术的不断创新，PLC 将在铜加工熔铸领域发挥更加重要的作用，助力铜加工行业实现高质量发展，满足不断增长的市场需求。在未来，铜加工企业应持续关注 PLC 技术的发展动态，积极探索其在生产过程中的更多应用场景，不断提升企业的核心竞争力。

参考文献：

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[2] 刘洋，赵敏，陈刚 . 基于 PLC 的生活垃圾焚烧厂无人值守智能监控系统设计与实现 [J]. 电气时代，2022，48（4）：32-36.