全连续铸造机自动化控制研究

2015-07-11吴小渊

铸造设备与工艺 2015年2期

吴小渊

（铜陵金威铜业有限公司，安徽铜陵 244000）

公司引进国外先进工艺设备，生产无氧铜铸锭。该设备采用连续铸造工艺，自动化程度高，铸造过程无需人工操作，操作人员仅需控制结晶器中铜液的液位即可。由于牵引单元夹持部分存在设计缺陷，该设备最初调试完成后未能实现连续铸造功能，只能半连续生产，严重地影响公司铸锭产能。经过对牵引单元和锯切部分的改造，成功实现了全连续铸造。作者全程参与了该设备的安装调试及改造工作，消化和吸收了该设备的工艺控制，深入研究了自动化控制系统的设计理念，生产过程中对控制程序不断进行优化，设备运行稳定可靠。

1 设备结构及原理

1.1 结构和组成

铸造机采用垂直向下铸造，因此大部分设备安装于铸造井中。结构如图1所示。

铸造机由结晶器小车、牵引单元、锯桥、翻转机、绞车、推锭器、助推器、提升卷扬、称重辊道、检查辊道、翻转臂、卸料辊道、冷却水分配站、液压站、锯屑收集装置及电控系统组成。其中，绞车安装于翻转机轨道上，翻转机通过提升卷扬钢丝绳进行连接。

1.2 功能说明

结晶器小车置于地面，小车上安装有结晶器、冷却水管及振动装置。高温铜液在结晶器中冷却凝固成型出锭，振动装置有利于排气和细化晶粒。小车在轨道上能前后往复移动，用于取放引锭器。下部配有冷却水箱，用于收集二次冷却水。

牵引单元是铸造的重要部分，通过电气传动装置引导铸锭向下运动，产生铸造速度，其夹持装置用于定位铸锭。夹持和牵引均由电气传动装置驱动。

锯桥由液压缸驱动，能够上下往复运动，实现在线锯切时跟随铸锭移动功能。锯桥上安装有锯片切割装置，由液压马达控制进给运动，完成铸锭在线切割功能。锯片旋转由电机驱动。

翻转机在铸造时垂直于铸造井中，承载着绞车在其轨道上往复运动。铸锭切割后通过提升卷扬钢丝绳，将翻转机提升至地表水平位置。卷扬由电气传动装置驱动。

绞车在铸造过程中与引牵单元同步运动，使铸锭紧贴绞车接锭的工作面，铸锭被锯切后接住锯锭。当翻转机处于水平位置时，绞车将铸锭推出至称重辊道。绞车由电气传动装置驱动。

图1 全连续铸造机平面布置

推锭器在翻转机由垂直位置被提升时，伸出其上下两个工作辊，扶住绞车上的铸锭，防止因惯性后倾而跌落。推锭器由液压缸驱动。

助推器的作用是帮助提升卷扬完成起动工作。当翻转机由垂直位置提升时，助推器向翻转机提供向上推力，有利于增加卷扬的提升力矩。由液压缸驱动。

称重辊道完成铸锭的称重功能，当翻转机处于水平位置时，铸锭经称重辊道进入检查辊道，由电气传动装置驱动。

检查辊道及翻转臂。铸锭两个表面的质量检查和修磨，分别在两个检查辊道上进行，并通过两只翻转臂完成两个面的互换。检查辊及翻转臂均由电气传动装置驱动。

卸料辊道的作用是临时存放检查好的铸锭，然后通过行车将其吊离。

冷却水分配站的功能，是完成结晶器所需一、二次冷却水的分配工作，通过电控气动阀精确调节冷却水流量。

液压站提供铸造机各液压单元所需液压动力。

锯屑收集装置将在线切割时产生的锯屑，通过管道及抽吸风机收集到地表漏斗内，然后进入专用收集箱中处理。

电控系统是实现全连续的控制核心，包含了电、液、气控制。主要由西门子自动化系统构成。

1.3 工作原理

保温炉前室内的高温铜液经浇注管进入结晶器，通过一、二次冷却水的冷却，在结晶器中凝固成型后被牵引装置向下拉出成为铸锭，这是立式铸造的基本工作原理。对半连续铸造机来说，每铸造1根铸锭就会停止铸造，用行车将这根铸锭吊出铸造井，然后清理铸造机，做第二次铸造的准备。全连续铸造机是铸造过程不停止，锯锭长度达到要求时直接在铸造井内在线锯切，然后将这根铸锭提升至地面吊走，整个过程当中第2根铸锭一直继续在铸造，因此产量很高，并且易生产无氧铜铸锭。

全连续铸造工艺流程包括两部分：铸造准备和铸造过程。

1.3.1 铸造准备

1）结晶器中放置好引锭器，牵引单元中的夹持装置以一定压力压紧引锭器。

2）设定结晶器一、一次冷却水流量，水分配器站自动提供规定流量的冷却水至结晶器。

3）翻转机应处于铸造井的垂直位置，绞车处于翻转机轨道的适应位置。

4）锯桥处于最上部位置，飞锯进给装置处于锯桥中的原始位置，飞锯上下夹钳处于打开位置。

5）推锭器处于缩回位置。

6）助推器处于缩回位置。

7）称重辊及检查辊道无铸锭，翻转臂处于初始位置。

1.3.2 铸造过程

铜液进入结晶器达到规定高度后，启动铸造开始按钮，在夹持辊的作用下，牵引单元产生一定的铸造速度，将铸锭向下牵引，不断变长的铸锭垂直进入锯桥。当铸锭长度达到设定值时，锯桥中的上下两套钳夹住铸锭，飞锯开始旋转并向前进给，自左向右对锯锭切割，这时翻转机中的绞车接住铸锭，并跟随铸锭向下运动。当锯切完成后，上下夹钳分别打开，飞锯进给装置自动返回至锯桥上的原始位置，锯切好的铸锭随着绞车接锭工作面向下移动10mm后，锯桥向上移动至顶部。锯切过程中，为保证铸造过程不间断，锯桥一直跟随被夹紧的锯锭向下移动，直至锯切完成，锯切产生的铜屑被抽吸装置通过管道收集至地面，进入专用的收集箱处理。当绞车上的铸锭到达最底部时，提升卷扬开始起动，向上提升翻转机，助推器向翻转机以一定的起动力矩，推锭器两只工作辊伸出，扶住绞车上的铸锭。翻转机被提升至1m后，助推器及推锭器自动缩回。翻转机绞上的铸锭被卷扬提升至地面水平位置后，绞车将铸锭向称重辊道转移，铸锭完全进入称重辊道时，提升卷扬将翻转机下放到铸造井垂直位置，与此同时称重辊道开始对铸锭称重。随后进入检查辊道，对铸锭的正面检查后翻转臂将其转至另一检查辊道，检查另一表面质量，最后将铸锭输送至卸料辊道，再用行车将其吊走。至此，铸造机完成一次铸造循环，全连续生产就是连续完成N次这样的循环。

2 自动化控制系统配置

对牵引单元进行了改造，采用了MEER公司产品，因此自动化控制系统由两部分构建。我们把最初的控制单元称之为主体单元，MEER改造的部分称为牵引单元。两个控制单元均采用西门子PLC，各自都为独立的主站。两个主站通过PROFIBUS总线耦合DP/DP-coupler，主站之间可以相互交换数据，数据通讯区最高可以达244字节输入和244字节的输出。编程时，在两个PLC程序块中分别都调用SFC14、SFC15系统功能，就能完成数据传送和接收，实现起来简单方便。

对整个铸造机而言，操作命令及控制过程均由主体单元PLC负责，牵引单元PLC接收主体单元PLC指令后，执行相应动作，并且将其状态信息、运行参数以及报警信息传送给主体单元PLC。因此从功能上来说，这两个系统相当于主从关系。

2.1 主体单元网络组态及硬件配置

网络组态如图2所示。

S7-318/2DP作为主站，采用PROFIBUS-DP现场总线通信模式，与单元级控制设备和分布式I/O通讯，取代复杂的现场接线[1]。该PLC具有两个DP接口，因此可以组态两个不同的DP网络。从图2可以看出，main_profibus网络连接了变频器、分布式I/O、智能从站、HMI等。Link_profibus网络仅连接了DP/DP-coupler，同MEER牵引单元交换数据。

各操作台采用IM153作为从站，配置不同的模块就近连接I/O。安装在锯桥上的I/O从站采用ET200eco，具较高防护等级，能满足恶劣环境需要。速度控制单元均采用MM440变频器，与PLC构成主从通讯，能快速响应速度处理要求。称重单元选用托利多带DP接口的panther模块，可以作为DP从站，主要用于绞车上铸锭的重量测量和称重辊道的称重功能。

飞锯及液压站电机75KW，起动电流较大，采用西门子3RW44软启降低起动电流。飞锯的进给及锯桥升降采用液压控制，通过vickers比例阀控制液压马达和油缸的流量，由SM332模块输出4mA～20 mA给定其速度。飞锯进给速度及翻转机位置，通过绝对值编码器反馈，采用SM338计数模块运算。油缸位置状态及压力检测，使用了接近开关及压力传感器。冷却水分配站安装有电控气动阀、压力传感器及流量计等，分别接入PLC模拟量I/O模块。

HMI是人机交换窗口，采用西门子触摸屏MP370-12Key，能实时显示和在线修改整个铸造参数，并对铸造过程进行操作。

2.2 牵引单元网络组态及硬件配置

网络组态如图3所示。

S7-315-2PN/DP作为主站，同样采用PROFIBUS-DP现场总线通信模式，与其单元级控制设备和分布式I/O通讯[1]。该PLC具有一个PN接口和一个DP接口，PN接口可以组态Idustrial Ethernet网络，DP接口组态PROFIBUS网络。 PROFIBUS网络连接了DP/DP-coupler、变频器、分布式I/O、编码器、智能从站等。Idustrial Ethernet网络连接了HMI.

图2 体单元网络主组态

图3 牵引单元网络组态图

分布式从站采用IM151模块。牵引单元变频器采用西门子最新SINAMICSS120，其动态性能更加优越，速度及转矩控制精度高，铸造速度由电机编码器反馈计算。夹持压力传感器连接至智能模块，构成PROFIBUS-DP从站。触摸屏采用MP277，通过IdustrialEthernet连接主站PLC，仅能显示和修改牵引单元参数，不具备操作功能。