聶志水 張付祥 張紅衛(wèi) 肖鵬程

（1.河鋼集團石鋼公司技術(shù)中心； 2.河北科技大學機械工程學院； 3.河北前進機械廠技術(shù)科；4.華北理工大學冶金與能源學院）

0 引言

保護渣作為重要的材料廣泛用于連鑄坯生產(chǎn)中。保護渣加至結(jié)晶器內(nèi)，不僅能夠使連鑄坯與結(jié)晶器間的傳熱得到改善和控制，也起到兩者間的潤滑作用；保護渣還能減少結(jié)晶器內(nèi)熱量的損失以及避免鋼水的二次氧化[1-2]。

傳統(tǒng)的加渣方式是工人長時間觀察著結(jié)晶口的狀態(tài)，需要添加時就用鐵鍬填入保護渣。人工加渣的環(huán)境十分惡劣且工作繁瑣，這不僅可能會對工人的身體造成損傷，也很難保證均勻添加保護渣，從而有可能導致連鑄坯生產(chǎn)時產(chǎn)生不必要的缺陷[3]。PLC作為自動化生產(chǎn)中使用十分廣泛且技術(shù)成熟的工業(yè)控制器，比較適合該加渣機的控制要求[4,5]。為了改善工人惡劣的加渣工作環(huán)境，提高與加渣方式有關(guān)的連鑄坯生產(chǎn)質(zhì)量，根據(jù)實際加渣要求，設(shè)計了一種以PLC為控制器的自動加渣機。這具有廣泛的應用價值且有利于提高工業(yè)生產(chǎn)中的自動化水平。

1 總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

結(jié)晶器保護渣加渣口為長1 400 mm、寬175 mm的長條形，鋼水注入結(jié)晶器內(nèi)的位置在加渣口中部，要實現(xiàn)加渣覆蓋整個加渣口則需要設(shè)計可移動的雙噴嘴。在噴嘴隨直線導軌做開合運動時，可避開加渣口中部，并實現(xiàn)勻速加渣。由于兩個噴嘴的加渣量需一致，設(shè)計雙料倉可提高加渣的連續(xù)性，減少填料頻率。

加渣機包括機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分結(jié)構(gòu)，如圖1所示。機械結(jié)構(gòu)部分主要由料倉、料位計、電控柜、氣/溫控箱、螺旋送料器、直線導軌、物料噴嘴等組成。控制系統(tǒng)由西門子PLC、限位開關(guān)、溫度控制器、中間繼電器、變頻器、氣控電磁閥等組成。

圖1 加渣機結(jié)構(gòu)

1.2 自動加渣原理

加渣機執(zhí)行系統(tǒng)的主要部件有螺旋送料器和直線導軌。螺旋送料器由步進電機驅(qū)動，變頻器給步進電機發(fā)送脈沖，進而控制步進電機的轉(zhuǎn)速，將保護渣推送至輸料管中；直線導軌電機為伺服電機，PLC發(fā)送脈沖使兩個滑臺帶動物料噴嘴做勻速往復運動，進而保護渣由噴嘴噴入結(jié)晶器中，且可以通過控制柜外的按鈕調(diào)節(jié)滑臺速度，從而實現(xiàn)自動勻速加渣。

1.3 溫度控制原理

在加渣過程中，溫度檢測器檢測到保護渣的溫度低于設(shè)定溫度時，溫度控制器導通接觸器給加熱板通電，當加熱到指定溫度后加熱板停止加熱。同時，當保護渣料位達到低料位時，控制柜上的信號燈則會亮起，提醒工人保護渣不足。

2 加渣工藝流程控制

加渣機控制流程主要由加熱、送料、吹渣等工序組成[6]，工藝流程如圖2所示。

具體流程：（1）料倉內(nèi)的保護渣經(jīng)溫度檢測器檢測，當檢測溫度低于溫度控制器設(shè)定的溫度，控制器導通接觸器加熱板開始工作，當保護渣溫度達到設(shè)定溫度，接觸器斷開停止加熱；（2）氣控電磁閥導通，給輸料管通入氣流；（3）保護渣噴嘴在直線導軌的帶動下做往復運動；（4）螺旋送料器開始工作，將料倉內(nèi)的保護渣推送到輸料管中。

加渣機的關(guān)鍵部位為控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由西門子PLC、伺服驅(qū)動器、傳感器及變頻器組成?？刂葡到y(tǒng)的核心部件為PLC，首先對傳入PLC的信息進行處理，再發(fā)送信息至加渣機的各執(zhí)行機構(gòu)，完成加渣機的輸出動作?？紤]到加渣機的經(jīng)濟性，采用西門子S7 200 smart PLC為控制器。磁性開關(guān)和溫度傳感器為加渣機的兩種傳感器，檢測直線導軌滑臺是否到達位置的是磁性開關(guān)，溫度傳感器用于保護渣溫度檢測，并把相應的信號輸入給PLC[7]。

圖2 工藝流程

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡設(shè)計

雙噴頭移動式加渣機信息獲取系統(tǒng)是由料位計、溫度控制器、加渣機控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡服務器組成的。料位計和溫度控制器分別用來檢測保護渣的消耗情況和料艙內(nèi)保護渣的溫度數(shù)據(jù)。編碼器用以檢測伺服電機的運動速度以及運動位置，同時還起到通訊與傳輸?shù)淖饔?。通過網(wǎng)絡服務器將檢測到的數(shù)據(jù)傳送到后臺客戶端，讓檢測人員及時掌握保護渣和電機運轉(zhuǎn)情況，并進行相關(guān)操作。螺旋送料器和直線導軌均由PLC控制，為了實現(xiàn)對設(shè)備的遠程控制，將控制面板和操作端安裝在控制室中，PLC則安裝在加渣現(xiàn)場的控制柜里，PLC通過光纖或Profinet網(wǎng)絡協(xié)議與PLC的上位機通訊[8]。系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)如圖3所示。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制電源電路共有5個空氣開關(guān)?？傞_關(guān)控制開關(guān)電源和支路開關(guān)，支路開關(guān)分別控制加熱系統(tǒng)、變頻器和兩個伺服驅(qū)動器。兩個料倉都需加熱，經(jīng)過熱負荷計算，加熱板的功率較大，空氣開關(guān)選擇額定電流63 A的，其余空氣開關(guān)選擇額定電流10 A的。端子排將開關(guān)電源提供的24V-5A電源擴展，以便為PLC以及中間繼電器供電?？刂齐娫措娐啡鐖D4所示。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)

圖4 控制電源電路

根據(jù)被控對象數(shù)量計算出輸入點共13個，輸出點共12個，且直線導軌需接受脈沖才能運行，因此選擇西門子S7 200 SMART ST直流型作為控制器[9]，該型號PLC共有40個觸點（24個輸入觸點和16個輸出觸點）。繼電器作用主要是與伺服驅(qū)動器聯(lián)絡通信，給伺服驅(qū)動器發(fā)送使能，同時維護檢修控制系統(tǒng)也較為方便。PLC控制線路如圖5所示。

圖5 PLC控制線路

4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要是PLC梯形圖的編寫。直線導軌的伺服電機、螺旋送料器、料位計、溫度控制器都受PLC程序的控制。操作人員通過控制柜上的按鈕對整個設(shè)備進行啟停和自動加渣控制。

PLC程序通過STEP 7-MicroWIN SMART軟件進行編寫，主要部分包括直線導軌軸的初始化、急停、尋參啟動、重置速度以及加減速。當給PLC供電后，系統(tǒng)首先執(zhí)行初始化；按下“重置速度”按鈕，程序中獲得一個初始速度；按下“尋參”按鈕，直線導軌滑臺開始自動尋參，當?shù)竭_參考點后自動執(zhí)行往復運動程序；“點動加速”、“點動減速”按鈕可控制滑臺往復運動的速度；“急停”按鈕按下系統(tǒng)立即停止?？刂葡到y(tǒng)軟件流程如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)軟件流程

5 加渣機運行試驗

設(shè)計開發(fā)的加渣機如圖7所示。加渣機設(shè)計的最大加渣量默認值為500 g/min，每轉(zhuǎn)對應加渣量為200 g，料倉的容積為150 L/個，提供壓縮空氣壓力為0.3～0.8 MPa，溫控器設(shè)定溫度為40 ℃，直線導軌勻速運動速度為45 mm/s。在實驗室的條件下對設(shè)計開發(fā)的加渣機進行了運行試驗，上述設(shè)計參數(shù)全部能夠?qū)崿F(xiàn)，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的加渣要求，實現(xiàn)自動化均勻加渣工作。

6 結(jié)論

為了解決工人惡劣的工作環(huán)境，提高連鑄坯的生產(chǎn)質(zhì)量，研制了一種自動加渣機。首先對加渣機的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，其次設(shè)計了物料噴嘴部件；加渣機控制器選用西門子200 SMART PLC，還進行了電路原理設(shè)計以及主要元器件選擇，編寫了控制系統(tǒng)程序。經(jīng)過加渣機的試驗驗證，該機能實現(xiàn)全自動均勻加渣功能，滿足加渣工藝要求。

圖7 雙噴頭移動式加渣機樣機