自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

摘要：轉(zhuǎn)爐捅風(fēng)眼機(jī)是銅冶煉轉(zhuǎn)爐的重要輔助設(shè)備，其作用是清理轉(zhuǎn)爐的風(fēng)眼，防止風(fēng)眼導(dǎo)管被堵住。轉(zhuǎn)爐風(fēng)眼機(jī)由于人工操作導(dǎo)致風(fēng)眼機(jī)工作效率低下，故障較高。造成轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)間加長，影響整個(gè)生產(chǎn)過程。隨著智能工廠的推進(jìn)，陳舊、效率低下的設(shè)備需要進(jìn)行自動(dòng)化研發(fā)，取代人工操作。根據(jù)我廠自動(dòng)化改造的過程及改造過程中遇到的問題及成效，對(duì)自動(dòng)風(fēng)眼機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐;捅風(fēng)眼機(jī);自動(dòng)化;伺服

引言

PS轉(zhuǎn)爐捅風(fēng)眼機(jī)是轉(zhuǎn)爐的重要組成設(shè)備。傳統(tǒng)的風(fēng)眼機(jī)由于自動(dòng)化程度低，全由操作工手動(dòng)操作。無法滿足現(xiàn)在智能化工廠發(fā)展的趨勢(shì)。為了提供冶煉工藝安全可靠、高效智能的要求，全自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)的研發(fā)，將改善操作人員的作業(yè)環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少操作工人數(shù)，提高工人的勞動(dòng)效率，滿足現(xiàn)代智能化工廠的技術(shù)要求。

1 工藝要求

轉(zhuǎn)爐吹煉的主要過程是精礦經(jīng)過熔煉后，把精礦中部分硫、鐵除掉，而銅熔體中依然含有硫化物與鐵的硫化物，化合物組成冰銅（Cu+Fe+S=85%～95%），冰銅由包子吊車運(yùn)至PS轉(zhuǎn)爐，進(jìn)行送風(fēng)吹煉，把冰銅中的硫和鐵幾乎全部氧化除去而得到粗銅（Cu98.5%～99.5%），金、銀等貴金屬熔于粗銅中。

冰銅的吹煉過程是分周期進(jìn)行的，作業(yè)分為造渣期和造銅期。在造渣期，從風(fēng)口向爐內(nèi)熔體中鼓入空氣或富氧空氣，通過空氣的攪拌，冰銅中的硫化亞鐵被氧化，生成氧化亞鐵和二氧化硫;氧化亞鐵再與添加的 熔劑中的二氧化硅進(jìn)行造渣反應(yīng)。在造銅期，留在爐內(nèi)的白冰銅（主要以Cu2S的形式存在）與鼓入的空氣中的氧反應(yīng)，生成粗銅和二氧化硫煙氣。通過動(dòng)力送風(fēng)機(jī)鼓入的空氣及富氧和爐內(nèi)熔體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，為了確保送風(fēng)量及送風(fēng)壓力，必須保證風(fēng)管通風(fēng)橫截面積，因此要進(jìn)行捅風(fēng)眼作業(yè)。捅風(fēng)眼作業(yè)對(duì)轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用，保證捅風(fēng)眼機(jī)的穩(wěn)定將會(huì)提高轉(zhuǎn)爐的工作效率。

2 捅風(fēng)眼機(jī)的功能及工作特點(diǎn)

傳統(tǒng)捅風(fēng)眼機(jī)主要由機(jī)械部分和電氣部分組成。

機(jī)械部分：主體框架、捅打氣缸、捅打機(jī)構(gòu)、車輪、軌道、齒輪、減速機(jī)、氣動(dòng)系統(tǒng)等組成。

電氣部分：電氣控制、PLC控制、變頻器、回位限位、電機(jī)等組成。

操作人員操作捅風(fēng)眼機(jī)左右行走，在捅風(fēng)眼機(jī)的釬桿對(duì)齊要捅的風(fēng)眼后，使小車迅速停車并操作發(fā)出捅打信號(hào)，壓縮空氣推動(dòng)氣缸動(dòng)作，使釬桿捅入風(fēng)眼完成捅打風(fēng)眼的工作。這個(gè)風(fēng)眼捅打完畢后，滑座帶動(dòng)鋼釬收回，行走到下一個(gè)風(fēng)眼迅速停車捅打風(fēng)眼。

手動(dòng)操作的捅風(fēng)眼機(jī)的步驟：行走→停車→捅打風(fēng)眼→行走→停車→捅打風(fēng)眼。

3自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)改造

滿足自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)則需要精準(zhǔn)定準(zhǔn)風(fēng)眼位置，所以采用伺服驅(qū)動(dòng)將解決定位問題。如果采用其他的定位方式，所需要安裝的諸多的傳感器。安裝完成后定位調(diào)整則需要花費(fèi)大量的時(shí)間和材料，并且穩(wěn)定性能也會(huì)隨之降低，導(dǎo)致故障率提高最終，可能無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)。

采用伺服定位的方式進(jìn)行建模，可降低費(fèi)用的投入。如圖1，自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)的控制系統(tǒng)與轉(zhuǎn)爐和人機(jī)交互的關(guān)系。從而提供滿足操作需要的個(gè)性化編程，可提供多種自動(dòng)化控制的方式。

4自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)達(dá)到的目的

4.1、實(shí)現(xiàn)操作人員在轉(zhuǎn)爐操作室直接輸入命令直接進(jìn)行自動(dòng)捅風(fēng)眼、自動(dòng)清風(fēng)眼作業(yè);

4.2、實(shí)現(xiàn)可視監(jiān)控的全自動(dòng)化控制系統(tǒng);

4.3、捅風(fēng)眼機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精準(zhǔn)定位、捅打、故障自動(dòng)退出、安全警示等功能;

4.4、以軸編碼器及硬接限位開關(guān)的定位方式實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，以硬接開關(guān)實(shí)現(xiàn)風(fēng)眼機(jī)的極限保護(hù)功能;

4.5、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐各時(shí)期各區(qū)域風(fēng)眼捅打深度的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能;

4.6、操作模式實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)三種模式，操作方式實(shí)現(xiàn)操作臺(tái)、遙控器兩種操作方式;

5自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)使用方法

在PLC控制系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了捅風(fēng)眼機(jī)在1#風(fēng)眼處設(shè)置原點(diǎn)位置，消除在整體運(yùn)行中產(chǎn)生的累計(jì)誤差。

當(dāng)生產(chǎn)中有損壞的風(fēng)眼時(shí)，通過在操作屏上面設(shè)置故障風(fēng)眼后自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)自動(dòng)跳過該故障眼，避免了誤操作帶來的設(shè)備損傷。如果風(fēng)眼中有損壞，則在PLC控制屏幕上直接把他設(shè)置成故障風(fēng)眼，自動(dòng)捅風(fēng)眼將自動(dòng)跳過該故障眼繼續(xù)完成捅風(fēng)眼作業(yè)。

自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)可以選用兩種捅釬桿模式：單釬桿和雙釬桿。自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)是采用雙釬桿工作的，即一次性捅兩個(gè)風(fēng)眼，盲的風(fēng)眼是偶數(shù)個(gè)，捅風(fēng)眼正常做和正常停止，當(dāng)盲風(fēng)眼是奇數(shù)個(gè)，則電機(jī)步進(jìn)一個(gè)風(fēng)眼位置與前一個(gè)風(fēng)眼共同捅。如果盲區(qū)內(nèi)只有一個(gè)風(fēng)眼的，則該風(fēng)眼不能自動(dòng)捅，也是和人工操作一樣，拿下一根釬桿，實(shí)行手動(dòng)操作。

6自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)的控制邏輯

由圖3可以看出整個(gè)捅風(fēng)眼機(jī)的閉環(huán)控制原理。所有電源供電，伺服電機(jī)無報(bào)警，急停復(fù)位，檢查觸摸屏上的故障燈全滅，然后在進(jìn)行電氣送電。

按下啟動(dòng)按鈕自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)送電，此時(shí)可以使用觸摸屏上的手動(dòng)或者遙控器上的手動(dòng)控制自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)左右運(yùn)行。自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)手動(dòng)情況下不受任何限位限制，以便于自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)在故障情況下可以離開工作區(qū)域。

自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)的風(fēng)眼位置設(shè)置，自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)采用的是伺服電機(jī)進(jìn)行定位控制。所以定位準(zhǔn)確與否對(duì)機(jī)械有著較高的要求。首先要求運(yùn)行時(shí)無晃動(dòng)，其次在捅打過程中無明顯的震動(dòng)導(dǎo)致跳齒或者整個(gè)機(jī)構(gòu)晃動(dòng)。

確保機(jī)械穩(wěn)定工作之后，將自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)點(diǎn)擊自動(dòng)復(fù)位按鈕，自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)將自動(dòng)查找零點(diǎn)，零點(diǎn)完成后自動(dòng)風(fēng)眼機(jī)會(huì)到達(dá)第一個(gè)風(fēng)眼位置，然后手動(dòng)操作風(fēng)眼機(jī)對(duì)正風(fēng)眼位置，然后記錄坐標(biāo)值輸入進(jìn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)眼地址。

自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)分為兩個(gè)坐標(biāo)，第一個(gè)坐標(biāo)是從1#風(fēng)眼至最后一個(gè)風(fēng)眼，第二個(gè)坐標(biāo)是從最后一個(gè)坐標(biāo)至1#風(fēng)眼。按原理來說兩邊的坐標(biāo)值應(yīng)該一樣，但是實(shí)際的機(jī)械運(yùn)行過程中正向運(yùn)動(dòng)與反向運(yùn)動(dòng)會(huì)有偏差。所以設(shè)置兩個(gè)坐標(biāo)，讓其精度準(zhǔn)確。在校對(duì)風(fēng)眼坐標(biāo)時(shí)應(yīng)單向運(yùn)行，盡量不要反向運(yùn)行。這樣在調(diào)試過程中可以減少誤差。完成此步驟后將完成自動(dòng)風(fēng)眼機(jī)的初步建模。

校對(duì)完風(fēng)眼后進(jìn)行風(fēng)眼機(jī)的自動(dòng)測試，可以將所有風(fēng)眼設(shè)置成壞風(fēng)眼，使用清風(fēng)眼模式進(jìn)行風(fēng)眼核對(duì)。完成此步驟后將完成自動(dòng)風(fēng)眼機(jī)的最終建模。

核對(duì)無誤后，可以使用自動(dòng)模式進(jìn)行風(fēng)眼機(jī)使用風(fēng)眼機(jī)進(jìn)行捅打，捅打一次后回位傳感器感應(yīng)到回位后，自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)運(yùn)行至下一個(gè)風(fēng)眼進(jìn)行捅打。如此進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)操作，在做好了最后一次的捅風(fēng)眼操作后進(jìn)行反向捅打，直至回到1#風(fēng)眼位置，然后又進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)。當(dāng)風(fēng)眼機(jī)自動(dòng)運(yùn)行至零點(diǎn)接近開關(guān)感應(yīng)位置后，零點(diǎn)校準(zhǔn)完畢，運(yùn)行到1#風(fēng)眼位置進(jìn)行準(zhǔn)備，等待操作命令。

7自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)的效果

通過自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)的投用，我廠的風(fēng)眼機(jī)電氣故障率呈現(xiàn)斷崖式的下降。主要是降低了操作人員的手動(dòng)操作和機(jī)械振動(dòng)的影響。手動(dòng)操作雖然一氣呵成，但是操作工的操作總存在失誤的概率。一旦失誤就會(huì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行損壞，一段時(shí)間內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)故障。而電氣故障在風(fēng)眼機(jī)上最為明顯。自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)的投用降低了電氣故障率，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性。提高了轉(zhuǎn)爐的工作效率，為整個(gè)工藝生產(chǎn)流程提供有力的保障。

2017年年底3臺(tái)轉(zhuǎn)爐捅風(fēng)眼機(jī)改造成自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)，電氣故障率下降較為明顯。

8自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)的未來

自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)有著很多好處，減少了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)減少設(shè)備故障率。

自動(dòng)捅風(fēng)眼機(jī)是智能工廠建設(shè)的需要，也是推行智慧冶煉、引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的使命。同時(shí)也改變工人的現(xiàn)場工作環(huán)境和勞動(dòng)強(qiáng)度，當(dāng)全面推廣自動(dòng)通風(fēng)眼后可實(shí)現(xiàn)減員增效，目前是銅冶煉行業(yè)的創(chuàng)新，是人類智慧的結(jié)晶。后續(xù)在不斷地使用過程中還將進(jìn)一步完善設(shè)備的性能，為轉(zhuǎn)爐提供穩(wěn)定的設(shè)備條件。

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作者簡介：呂堅(jiān)，男，電子信息工程學(xué)士學(xué)位，電氣工程師，從事電氣自動(dòng)化工作10年，對(duì)工業(yè)自動(dòng)化，現(xiàn)場儀表具有豐富的理論和實(shí)踐。