吳小淵
(銅陵金威銅業(yè)有限公司,安徽 銅陵 244000)
公司引進國外先進工藝設(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行優(yōu)化,設(shè)備運行穩(wěn)定可靠。
鑄造機采用垂直向下鑄造,因此大部分設(shè)備安裝于鑄造井中。結(jié)構(gòu)如圖1所示。
鑄造機由結(jié)晶器小車、牽引單元、鋸橋、翻轉(zhuǎn)機、絞車、推錠器、助推器、提升卷揚、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)機軌道上,翻轉(zhuǎn)機通過提升卷揚鋼絲繩進行連接。
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化晶粒。小車在軌道上能前后往復移動,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鑄錠向下運動,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,能夠上下往復運動,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,由液壓馬達控制進給運動,完成鑄錠在線切割功能。鋸片旋轉(zhuǎn)由電機驅(qū)動。
翻轉(zhuǎn)機在鑄造時垂直于鑄造井中,承載著絞車在其軌道上往復運動。鑄錠切割后通過提升卷揚鋼絲繩,將翻轉(zhuǎn)機提升至地表水平位置。卷揚由電氣傳動裝置驅(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。當翻轉(zhuǎn)機處于水平位置時,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)鑄造機平面布置
推錠器在翻轉(zhuǎn)機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完成起動工作。當翻轉(zhuǎn)機由垂直位置提升時,助推器向翻轉(zhuǎn)機提供向上推力,有利于增加卷揚的提升力矩。由液壓缸驅(qū)動。
稱重輥道完成鑄錠的稱重功能,當翻轉(zhuǎn)機處于水平位置時,鑄錠經(jīng)稱重輥道進入檢查輥道,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,通過管道及抽吸風機收集到地表漏斗內(nèi),然后進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。
保溫爐前室內(nèi)的高溫銅液經(jīng)澆注管進入結(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,做第二次鑄造的準備。全連續(xù)鑄造機是鑄造過程不停止,鋸錠長度達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:鑄造準備和鑄造過程。
1.3.1 鑄造準備
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)機應(yīng)處于鑄造井的垂直位置,絞車處于翻轉(zhuǎn)機軌道的適應(yīng)位置。
4)鋸橋處于最上部位置,飛鋸進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
銅液進入結(jié)晶器達到規(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入鋸橋。當鑄錠長度達到設(shè)定值時,鋸橋中的上下兩套鉗夾住鑄錠,飛鋸開始旋轉(zhuǎn)并向前進給,自左向右對鋸錠切割,這時翻轉(zhuǎn)機中的絞車接住鑄錠,并跟隨鑄錠向下運動。當鋸切完成后,上下夾鉗分別打開,飛鋸進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,進入專用的收集箱處理。當絞車上的鑄錠到達最底部時,提升卷揚開始起動,向上提升翻轉(zhuǎn)機,助推器向翻轉(zhuǎn)機以一定的起動力矩,推錠器兩只工作輥伸出,扶住絞車上的鑄錠。翻轉(zhuǎn)機被提升至1m后,助推器及推錠器自動縮回。翻轉(zhuǎn)機絞上的鑄錠被卷揚提升至地面水平位置后,絞車將鑄錠向稱重輥道轉(zhuǎn)移,鑄錠完全進入稱重輥道時,提升卷揚將翻轉(zhuǎn)機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)。
對牽引單元進行了改造,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。
對整個鑄造機而言,操作命令及控制過程均由主體單元PLC負責,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)相當于主從關(guān)系。
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,取代復雜的現(xiàn)場接線[1]。該PLC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。飛鋸的進給及鋸橋升降采用液壓控制,通過vickers比例閥控制液壓馬達和油缸的流量,由SM332模塊輸出4mA~20 mA給定其速度。飛鋸進給速度及翻轉(zhuǎn)機位置,通過絕對值編碼器反饋,采用SM338計數(shù)模塊運算。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),并對鑄造過程進行操作。
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PLC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。
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。現(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)用標準塊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。
為增強鋸切能力,以鋸切電流為目標,對鋸切的進給運動采用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行循環(huán), 然后再次進入下次循環(huán)。OS6_winch_cycle從0開始到30結(jié)束,將翻轉(zhuǎn)機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)。
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。
[1]瘳常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.
[2]李江全.西門子PLC通信與控制應(yīng)用編程[M].北京:中國電力出版社,2012.
[3]王德吉.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)詳解[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.