全連續(xù)鑄造機(jī)自動化控制研究

吳小淵

（銅陵金威銅業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244000）

公司引進(jìn)國外先進(jìn)工藝設(shè)備，生產(chǎn)無氧銅鑄錠。該設(shè)備采用連續(xù)鑄造工藝，自動化程度高，鑄造過程無需人工操作，操作人員僅需控制結(jié)晶器中銅液的液位即可。由于牽引單元夾持部分存在設(shè)計缺陷，該設(shè)備最初調(diào)試完成后未能實現(xiàn)連續(xù)鑄造功能，只能半連續(xù)生產(chǎn)，嚴(yán)重地影響公司鑄錠產(chǎn)能。經(jīng)過對牽引單元和鋸切部分的改造，成功實現(xiàn)了全連續(xù)鑄造。作者全程參與了該設(shè)備的安裝調(diào)試及改造工作，消化和吸收了該設(shè)備的工藝控制，深入研究了自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計理念，生產(chǎn)過程中對控制程序不斷進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理

1.1 結(jié)構(gòu)和組成

鑄造機(jī)采用垂直向下鑄造，因此大部分設(shè)備安裝于鑄造井中。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

鑄造機(jī)由結(jié)晶器小車、牽引單元、鋸橋、翻轉(zhuǎn)機(jī)、絞車、推錠器、助推器、提升卷揚(yáng)、稱重輥道、檢查輥道、翻轉(zhuǎn)臂、卸料輥道、冷卻水分配站、液壓站、鋸屑收集裝置及電控系統(tǒng)組成。其中，絞車安裝于翻轉(zhuǎn)機(jī)軌道上，翻轉(zhuǎn)機(jī)通過提升卷揚(yáng)鋼絲繩進(jìn)行連接。

1.2 功能說明

結(jié)晶器小車置于地面，小車上安裝有結(jié)晶器、冷卻水管及振動裝置。高溫銅液在結(jié)晶器中冷卻凝固成型出錠，振動裝置有利于排氣和細(xì)化晶粒。小車在軌道上能前后往復(fù)移動，用于取放引錠器。下部配有冷卻水箱，用于收集二次冷卻水。

牽引單元是鑄造的重要部分，通過電氣傳動裝置引導(dǎo)鑄錠向下運(yùn)動，產(chǎn)生鑄造速度，其夾持裝置用于定位鑄錠。夾持和牽引均由電氣傳動裝置驅(qū)動。

鋸橋由液壓缸驅(qū)動，能夠上下往復(fù)運(yùn)動，實現(xiàn)在線鋸切時跟隨鑄錠移動功能。鋸橋上安裝有鋸片切割裝置，由液壓馬達(dá)控制進(jìn)給運(yùn)動，完成鑄錠在線切割功能。鋸片旋轉(zhuǎn)由電機(jī)驅(qū)動。

翻轉(zhuǎn)機(jī)在鑄造時垂直于鑄造井中，承載著絞車在其軌道上往復(fù)運(yùn)動。鑄錠切割后通過提升卷揚(yáng)鋼絲繩，將翻轉(zhuǎn)機(jī)提升至地表水平位置。卷揚(yáng)由電氣傳動裝置驅(qū)動。

絞車在鑄造過程中與引牽單元同步運(yùn)動，使鑄錠緊貼絞車接錠的工作面，鑄錠被鋸切后接住鋸錠。當(dāng)翻轉(zhuǎn)機(jī)處于水平位置時，絞車將鑄錠推出至稱重輥道。絞車由電氣傳動裝置驅(qū)動。

圖1 全連續(xù)鑄造機(jī)平面布置

推錠器在翻轉(zhuǎn)機(jī)由垂直位置被提升時，伸出其上下兩個工作輥，扶住絞車上的鑄錠，防止因慣性后傾而跌落。推錠器由液壓缸驅(qū)動。

助推器的作用是幫助提升卷揚(yáng)完成起動工作。當(dāng)翻轉(zhuǎn)機(jī)由垂直位置提升時，助推器向翻轉(zhuǎn)機(jī)提供向上推力，有利于增加卷揚(yáng)的提升力矩。由液壓缸驅(qū)動。

稱重輥道完成鑄錠的稱重功能，當(dāng)翻轉(zhuǎn)機(jī)處于水平位置時，鑄錠經(jīng)稱重輥道進(jìn)入檢查輥道，由電氣傳動裝置驅(qū)動。

檢查輥道及翻轉(zhuǎn)臂。鑄錠兩個表面的質(zhì)量檢查和修磨，分別在兩個檢查輥道上進(jìn)行，并通過兩只翻轉(zhuǎn)臂完成兩個面的互換。檢查輥及翻轉(zhuǎn)臂均由電氣傳動裝置驅(qū)動。

卸料輥道的作用是臨時存放檢查好的鑄錠，然后通過行車將其吊離。

冷卻水分配站的功能，是完成結(jié)晶器所需一、二次冷卻水的分配工作，通過電控氣動閥精確調(diào)節(jié)冷卻水流量。

液壓站提供鑄造機(jī)各液壓單元所需液壓動力。

鋸屑收集裝置將在線切割時產(chǎn)生的鋸屑，通過管道及抽吸風(fēng)機(jī)收集到地表漏斗內(nèi)，然后進(jìn)入專用收集箱中處理。

電控系統(tǒng)是實現(xiàn)全連續(xù)的控制核心，包含了電、液、氣控制。主要由西門子自動化系統(tǒng)構(gòu)成。

1.3 工作原理

保溫爐前室內(nèi)的高溫銅液經(jīng)澆注管進(jìn)入結(jié)晶器，通過一、二次冷卻水的冷卻，在結(jié)晶器中凝固成型后被牽引裝置向下拉出成為鑄錠，這是立式鑄造的基本工作原理。對半連續(xù)鑄造機(jī)來說，每鑄造1根鑄錠就會停止鑄造，用行車將這根鑄錠吊出鑄造井，然后清理鑄造機(jī)，做第二次鑄造的準(zhǔn)備。全連續(xù)鑄造機(jī)是鑄造過程不停止，鋸錠長度達(dá)到要求時直接在鑄造井內(nèi)在線鋸切，然后將這根鑄錠提升至地面吊走，整個過程當(dāng)中第2根鑄錠一直繼續(xù)在鑄造，因此產(chǎn)量很高，并且易生產(chǎn)無氧銅鑄錠。

全連續(xù)鑄造工藝流程包括兩部分：鑄造準(zhǔn)備和鑄造過程。

1.3.1 鑄造準(zhǔn)備

1）結(jié)晶器中放置好引錠器，牽引單元中的夾持裝置以一定壓力壓緊引錠器。

2）設(shè)定結(jié)晶器一、一次冷卻水流量，水分配器站自動提供規(guī)定流量的冷卻水至結(jié)晶器。

3）翻轉(zhuǎn)機(jī)應(yīng)處于鑄造井的垂直位置，絞車處于翻轉(zhuǎn)機(jī)軌道的適應(yīng)位置。

4）鋸橋處于最上部位置，飛鋸進(jìn)給裝置處于鋸橋中的原始位置，飛鋸上下夾鉗處于打開位置。

5）推錠器處于縮回位置。

6）助推器處于縮回位置。

7）稱重輥及檢查輥道無鑄錠，翻轉(zhuǎn)臂處于初始位置。

1.3.2 鑄造過程

銅液進(jìn)入結(jié)晶器達(dá)到規(guī)定高度后，啟動鑄造開始按鈕，在夾持輥的作用下，牽引單元產(chǎn)生一定的鑄造速度，將鑄錠向下牽引，不斷變長的鑄錠垂直進(jìn)入鋸橋。當(dāng)鑄錠長度達(dá)到設(shè)定值時，鋸橋中的上下兩套鉗夾住鑄錠，飛鋸開始旋轉(zhuǎn)并向前進(jìn)給，自左向右對鋸錠切割，這時翻轉(zhuǎn)機(jī)中的絞車接住鑄錠，并跟隨鑄錠向下運(yùn)動。當(dāng)鋸切完成后，上下夾鉗分別打開，飛鋸進(jìn)給裝置自動返回至鋸橋上的原始位置，鋸切好的鑄錠隨著絞車接錠工作面向下移動10mm后，鋸橋向上移動至頂部。鋸切過程中，為保證鑄造過程不間斷，鋸橋一直跟隨被夾緊的鋸錠向下移動，直至鋸切完成，鋸切產(chǎn)生的銅屑被抽吸裝置通過管道收集至地面，進(jìn)入專用的收集箱處理。當(dāng)絞車上的鑄錠到達(dá)最底部時，提升卷揚(yáng)開始起動，向上提升翻轉(zhuǎn)機(jī)，助推器向翻轉(zhuǎn)機(jī)以一定的起動力矩，推錠器兩只工作輥伸出，扶住絞車上的鑄錠。翻轉(zhuǎn)機(jī)被提升至1m后，助推器及推錠器自動縮回。翻轉(zhuǎn)機(jī)絞上的鑄錠被卷揚(yáng)提升至地面水平位置后，絞車將鑄錠向稱重輥道轉(zhuǎn)移，鑄錠完全進(jìn)入稱重輥道時，提升卷揚(yáng)將翻轉(zhuǎn)機(jī)下放到鑄造井垂直位置，與此同時稱重輥道開始對鑄錠稱重。隨后進(jìn)入檢查輥道，對鑄錠的正面檢查后翻轉(zhuǎn)臂將其轉(zhuǎn)至另一檢查輥道，檢查另一表面質(zhì)量，最后將鑄錠輸送至卸料輥道，再用行車將其吊走。至此，鑄造機(jī)完成一次鑄造循環(huán)，全連續(xù)生產(chǎn)就是連續(xù)完成N次這樣的循環(huán)。

2 自動化控制系統(tǒng)配置

對牽引單元進(jìn)行了改造，采用了MEER公司產(chǎn)品，因此自動化控制系統(tǒng)由兩部分構(gòu)建。我們把最初的控制單元稱之為主體單元，MEER改造的部分稱為牽引單元。兩個控制單元均采用西門子PLC，各自都為獨(dú)立的主站。兩個主站通過PROFIBUS總線耦合DP/DP-coupler，主站之間可以相互交換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通訊區(qū)最高可以達(dá)244字節(jié)輸入和244字節(jié)的輸出。編程時，在兩個PLC程序塊中分別都調(diào)用SFC14、SFC15系統(tǒng)功能，就能完成數(shù)據(jù)傳送和接收，實現(xiàn)起來簡單方便。

對整個鑄造機(jī)而言，操作命令及控制過程均由主體單元PLC負(fù)責(zé)，牽引單元PLC接收主體單元PLC指令后，執(zhí)行相應(yīng)動作，并且將其狀態(tài)信息、運(yùn)行參數(shù)以及報警信息傳送給主體單元PLC。因此從功能上來說，這兩個系統(tǒng)相當(dāng)于主從關(guān)系。

2.1 主體單元網(wǎng)絡(luò)組態(tài)及硬件配置

網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖2所示。

S7-318/2DP作為主站，采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通信模式，與單元級控制設(shè)備和分布式I/O通訊，取代復(fù)雜的現(xiàn)場接線[1]。該P(yáng)LC具有兩個DP接口，因此可以組態(tài)兩個不同的DP網(wǎng)絡(luò)。從圖2可以看出，main_profibus網(wǎng)絡(luò)連接了變頻器、分布式I/O、智能從站、HMI等。Link_profibus網(wǎng)絡(luò)僅連接了DP/DP-coupler，同MEER牽引單元交換數(shù)據(jù)。

各操作臺采用IM153作為從站，配置不同的模塊就近連接I/O。安裝在鋸橋上的I/O從站采用ET200eco，具較高防護(hù)等級，能滿足惡劣環(huán)境需要。速度控制單元均采用MM440變頻器，與PLC構(gòu)成主從通訊，能快速響應(yīng)速度處理要求。稱重單元選用托利多帶DP接口的panther模塊，可以作為DP從站，主要用于絞車上鑄錠的重量測量和稱重輥道的稱重功能。

飛鋸及液壓站電機(jī)75KW，起動電流較大，采用西門子3RW44軟啟降低起動電流。飛鋸的進(jìn)給及鋸橋升降采用液壓控制，通過vickers比例閥控制液壓馬達(dá)和油缸的流量，由SM332模塊輸出4mA～20 mA給定其速度。飛鋸進(jìn)給速度及翻轉(zhuǎn)機(jī)位置，通過絕對值編碼器反饋，采用SM338計數(shù)模塊運(yùn)算。油缸位置狀態(tài)及壓力檢測，使用了接近開關(guān)及壓力傳感器。冷卻水分配站安裝有電控氣動閥、壓力傳感器及流量計等，分別接入PLC模擬量I/O模塊。

HMI是人機(jī)交換窗口，采用西門子觸摸屏MP370-12Key，能實時顯示和在線修改整個鑄造參數(shù)，并對鑄造過程進(jìn)行操作。

2.2 牽引單元網(wǎng)絡(luò)組態(tài)及硬件配置

網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖3所示。

S7-315-2PN/DP作為主站，同樣采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通信模式，與其單元級控制設(shè)備和分布式I/O通訊[1]。該P(yáng)LC具有一個PN接口和一個DP接口，PN接口可以組態(tài)Idustrial Ethernet網(wǎng)絡(luò)，DP接口組態(tài)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)連接了DP/DP-coupler、變頻器、分布式I/O、編碼器、智能從站等。Idustrial Ethernet網(wǎng)絡(luò)連接了HMI.

圖2 體單元網(wǎng)絡(luò)主組態(tài)

圖3 牽引單元網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

分布式從站采用IM151模塊。牽引單元變頻器采用西門子最新SINAMICSS120，其動態(tài)性能更加優(yōu)越，速度及轉(zhuǎn)矩控制精度高，鑄造速度由電機(jī)編碼器反饋計算。夾持壓力傳感器連接至智能模塊，構(gòu)成PROFIBUS-DP從站。觸摸屏采用MP277，通過IdustrialEthernet連接主站PLC，僅能顯示和修改牽引單元參數(shù)，不具備操作功能。

3 程序設(shè)計主要思路

從前面介紹的鑄造過程來看，構(gòu)成全連鑄的各結(jié)構(gòu)單元，動作執(zhí)行時既相互關(guān)聯(lián)，又各自獨(dú)立循環(huán)，因此，程序設(shè)計上應(yīng)考慮程序模塊化，以單元為模塊，每個模塊內(nèi)各動作循環(huán)執(zhí)行?，F(xiàn)場不同位置均有操作臺和子站，因此可以將相同區(qū)域歸為一個程序模塊。

按區(qū)域結(jié)構(gòu)將主要程序劃分為以下8個模塊，模塊內(nèi)每個功能設(shè)一個循環(huán)周期變量。如表1.

變頻器控制字及狀態(tài)字處理建立公用FC塊，方便調(diào)用。對模擬量輸入輸出的量程處理調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)塊FC105、FC106.

冷卻水流量控制、夾持壓力控制、絞車跟隨鑄錠移動等采用PID控制方式。

為增強(qiáng)鋸切能力，以鋸切電流為目標(biāo)，對鋸切的進(jìn)給運(yùn)動采用PID控制，這樣可以高效利用鋸片。

建立故障報警程序塊，對影響各部件動作的條件以及元件故障，都能夠有報警信號提示。

程序具有手動和自動功能，滿足不同狀況下操作。

表1 程序模塊功能分配表

以O(shè)S6為例，介紹其循環(huán)控制功能的程序設(shè)計，如表2所示。

表2 OS6 程序循環(huán)流程

OS6_carriage_cycle從0開始到60結(jié)束，執(zhí)行的是絞車從開始接錠至撤離鑄錠，完成一次單體自動運(yùn)行循環(huán)， 然后再次進(jìn)入下次循環(huán)。OS6_winch_cycle從0開始到30結(jié)束，將翻轉(zhuǎn)機(jī)從垂直位置提升到水平位置，鑄錠撤離后回到垂直位置，完成一次單體循環(huán)。

4 結(jié) 尾

該設(shè)備自動化程序采用循環(huán)周期設(shè)計理念，控制邏輯直觀明了，有利于維護(hù)人員盡快熟悉掌握。同時，還可以根據(jù)需要，按照生產(chǎn)工藝流程，直接給各循環(huán)周期變量賦值，就能在線摸擬設(shè)備生產(chǎn)過程，方便故障診斷。

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