謝小春，張偉旗

（1.江西天鑫冶金裝備技術有限公司，江西南昌 330200；2.江西銅業(yè)集團銅材有限公司，江西貴溪 335424）

在銅冶煉過程中，圓盤澆鑄機可將銅液澆鑄成定型定量的陽極板，是整個工藝流程中的關鍵和重點設備之一。其噴涂系統(tǒng)主要作用在陽極澆鑄之前往母模內噴灑脫模劑以便脫模，在冶金行業(yè)中應用最為廣泛。該系統(tǒng)運行過程中需滿足的條件是：平穩(wěn)，保證噴涂均勻；高速且速度可調，保證不同狀態(tài)下的噴涂料厚度；精準定位，保證噴涂料噴灑在母模上的位置準確。

澆鑄過程中，噴涂設備噴涂量少或不均勻對陽極板質量影響大，但易影響模具使用壽命；噴涂量過大，脫模劑水分在模具到達澆鑄工位未干結，澆鑄時易引起銅液放炮,威脅生產(chǎn)安全。為了滿足圓盤澆鑄機對噴涂系統(tǒng)的需求，需研發(fā)用西門子S-1200PLC+SEW 伺服驅動的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有噴涂速度和噴涂曲線可調、設置方便等優(yōu)點。以此，可徹底消除澆鑄時銅液易放炮等安全隱患，能有效地延長模具的使用壽命，大幅提升圓盤澆鑄機使用效率。

1 系統(tǒng)設計原理

1.1 主工藝流程

圓盤澆鑄系統(tǒng)包含中間包、澆鑄包、中心圓盤、噴淋系統(tǒng)、取板系統(tǒng)和噴涂系統(tǒng)。其中噴涂系統(tǒng)主要由硫酸鋇攪拌裝置、螺旋加料裝置、隔膜泵、噴涂控制閥組、噴涂擺動機構等部分組成。其作用是往母模內噴灑脫模劑，屬于陽極澆鑄時的關鍵設備[1，2]。

噴涂系統(tǒng)主工藝流程圖，如圖1 所示。其工藝流程為：料斗里的粉末狀硫酸鋇經(jīng)螺旋加料裝置輸送至攪拌罐內，添加一定比例的水至罐內，經(jīng)過攪拌槳不停的攪拌，可使硫酸鋇與水充分溶解，形成的攪拌液經(jīng)隔膜泵加壓后，沿著噴涂管道至噴嘴，再噴灑至陽極澆鑄的模具上。

圖1 噴涂系統(tǒng)主工藝流程圖

1.2 移動噴涂機構

伺服電機驅動噴涂擺臂前后來回擺動，大噴閥打開后，擺動機構按曲線移動對陽極板面進行噴涂作業(yè)。移動噴涂機構圖，如圖2 所示。

圖2 移動噴涂機構圖

1.3 氣動控制部分

該系統(tǒng)設有氣動隔膜泵、大噴閥、小噴閥、回流閥、大小噴吹掃閥、控制閥組等。（1）隔膜泵：圓盤運行時，隔膜泵一直運行加壓將硫酸鋇溶液輸送至噴嘴；（2）大噴閥：控制陽極板板面區(qū)域的噴涂；（3）小噴閥：專門控制陽極耳朵位置的噴涂；（4）回流閥：在系統(tǒng)對陽極模具噴涂完成后控制溶液回流至攪拌罐內；（5）大噴吹掃閥：在大噴閥對板面噴涂結束后，輸入壓縮風清掃噴嘴和管道；（6）小噴吹掃閥：在小噴閥對耳部噴涂結束后，輸入壓縮風清掃噴嘴和管道；（7）控制閥組：接受PLC 來的電控信號，按照設定要求驅動現(xiàn)場閥組工作。

2 主要存在的問題

陽極澆鑄時，原設計系統(tǒng)噴涂效果尚可，雖可實現(xiàn)硫酸鋇溶液均勻噴涂，但由于模溫調整噴涂量和噴涂曲線是關鍵，原設計系統(tǒng)啟動及變頻控制皆難以完美的達到工藝要求。主要存在的問題有：故障率高，安全穩(wěn)定性差，質量問題多，具體表現(xiàn)如下：

（1）噴膜系統(tǒng)控制僅采用噴涂閥，噴涂量少、不噴涂或不均勻，易造成陽極板飛邊、斷耳或不脫模等質量問題。

（2）多噴或噴涂不均勻易引起銅液放炮，安全隱患大，同時也增加了下道電解工序的雜質總量，既給陰極銅品質控制帶來不利影響，又大幅增加了生產(chǎn)成本。

（3）對陽極板物理規(guī)格和母模使用壽命負面影響較大，易發(fā)生陽極板物理質量下降、陽極自檢率上升、母模損耗甚至報廢等。

（4）由硫酸鋇和水玻璃配制成的脫模劑，會產(chǎn)生沉淀或粘接,易誘發(fā)堵塞管路。

（5）排除故障難，費時費力，影響生產(chǎn)。

3 圓盤澆鑄機噴涂系統(tǒng)設計改進及其運行優(yōu)化

3.1 電氣控制系統(tǒng)

為實現(xiàn)噴涂系統(tǒng)的自動控制，采用西門子S-1200 系列PLC 和SEW 的MOVIDRIVE MODX61B伺服驅動通過PROFINET 網(wǎng)絡通訊的控制方案。該方案針對噴涂電氣控制系統(tǒng)進行研究，實現(xiàn)了SEW 伺服控制器、PLC 控制器、觸摸屏等設計的集成控制。PLC 為主站、SEW 伺服控制器為從站的分布式PROFINET 通訊布局，實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)傳輸和可靠通訊；采用西門子觸摸屏HMI 界面，實現(xiàn)對噴涂系統(tǒng)監(jiān)控。該系統(tǒng)具有伺服數(shù)據(jù)的讀取、機構參數(shù)設置等功能，自動化水平較高。系統(tǒng)配置圖，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)配置圖

3.2 SEW 伺服驅動控制系統(tǒng)配置

該系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境惡劣，溫度高，噴涂機構及驅動電機皆安裝在陽極模具的正上方，對電機的要求很高，需要IP 等級高、絕緣等級高的電機減速機。

陽極板板面噴涂要求達到噴涂量可調、噴涂位置可控，圓盤澆鑄機運行不同時間段需及時調整噴涂量，以便操作人員能快捷調整噴涂曲線、設置噴涂距離。毋容置疑，伺服驅動控制是最佳選擇，它是在變頻技術的基礎上發(fā)展而來的，對驅動器內部的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)分別進行精確控制運算。伺服變頻系統(tǒng)主要包括執(zhí)行單元、功率驅動單元、位置控制器、速度控制器、轉矩和電流控制器、位置反饋單元、電流反饋單元及通信接口單元等[3]。SEW 具有IP65，絕緣等級F，帶絕對值編碼器的CM 系列的同步電機，配置MODX61B 系列伺服驅動器+PROFINET 網(wǎng)絡通訊卡，可實現(xiàn)和HMI 通訊，實時監(jiān)控伺服數(shù)據(jù)。伺服配置，見表1。

表1 伺服配置

SEW 伺服控制器是伺服電機的驅動單元，接收到PLC 控制指令后伺服控制器處理器進行運算，將控制任務作用于執(zhí)行單元（伺服電機）[4，5]。SEW 伺服控制器把伺服電機編碼器的數(shù)據(jù)讀取上來給PLC，PLC 系統(tǒng)能實時的收到機構的運行狀態(tài)，具有控制精度高、運行穩(wěn)定的優(yōu)勢。

3.3 PLC 控制系統(tǒng)配置

移動噴涂的電控系統(tǒng)具有數(shù)字量輸入點/輸出點量不多，通訊速率要求高，傳送數(shù)據(jù)量大的特點，選用西門子S-1200 系列PLC 系統(tǒng)可完全滿足控制的要求，具有以下優(yōu)點：模塊化、結構緊湊、功能全面；集成的PROFINET 接口用于編程、HMI通訊和PLC 間的通訊，集成RJ45 網(wǎng)絡通訊口；用戶程序和變量存儲在集成工作內存，小容量程序無需存儲卡。

3.3.1 S-1200 PLC 系統(tǒng)通訊組態(tài)

噴涂系統(tǒng)采用PROFINET 網(wǎng)絡通訊來實現(xiàn)PLC、SEW 伺服驅動器、觸摸屏的通訊。網(wǎng)絡配置組態(tài)圖，如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)絡配置組態(tài)圖

SEW 伺服驅動器通過總線卡DFE32B 采用報文形式和S-1200PLC 通訊。DFE32B 是功能強大的通用型現(xiàn)場總線接口，驅動變頻器MOVIDRIVE?MD61B 可通過以太網(wǎng)（PROFINET I/O 協(xié)議）連接到上一級自動化系統(tǒng)、工程設計系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)。兩個RJ45 通訊口能很靈活的組件通訊網(wǎng)絡。DFE32B 總線卡，如圖5 所示。

圖5 DFE32B 總線卡

DFE32B 總線卡作為智能從站以I/O 通訊方式和S-1200PLC 通訊實現(xiàn)控制伺服電機的目的，組態(tài)6 個輸入字把驅動器的數(shù)據(jù)傳送到PLC。輸入映射狀態(tài)字，見表2。

表2 輸入映射狀態(tài)字

西門子S-1200PLC 通過輸出6 個字的控制字來驅動及設計驅動器，實現(xiàn)控制伺服電機運行使傳動機構動作，輸出字的長度為6 個字。輸出映射狀態(tài)字，見表3。

表3 輸出映射狀態(tài)字

3.3.2 觸摸屏組態(tài)和畫面制作

S-1200PLC 和觸摸屏的組態(tài)均使用西門子TIA 軟件。觸摸屏采用KTP900Basic/PN,通過以太網(wǎng)和PLC 通訊，實現(xiàn)對伺服的監(jiān)控和對噴涂系統(tǒng)的參數(shù)設置。觸摸屏配置了監(jiān)控畫面、操作畫面、報警畫面等。移動噴涂機構來回擺動的運行期間劃分了4 個區(qū)，可以分段設置不同速度，區(qū)間位置值也可以設置，實現(xiàn)噴涂量和噴涂速度的曲線控制。噴涂曲線圖，如圖6 所示。

圖6 噴涂曲線圖

同時畫面也設計了對現(xiàn)場閥組的控制畫面實現(xiàn)手動和自動控制。噴涂閥臺控制圖，如圖7 所示。

圖7 噴涂閥臺控制圖

3.4 PLC 程序控制

噴涂系統(tǒng)程序開發(fā)按功能分兩部分：手動操作和自動控制。手動控制設計通過觸屏按鈕來驅動現(xiàn)場設備單獨動作。自動程序為圓盤在自動運行狀態(tài)下，圓盤澆鑄中心驅動停止運行時，噴涂系統(tǒng)按以下流程完成脫模劑的噴涂工作，見圖8。圓盤中心驅動運行時，噴涂系統(tǒng)迅速返回初始位置等待下次噴涂啟動。

圖8 控制流程圖

結合觸摸屏畫面的設置完全達到了預期的控制要求。在程序編寫時需注意：

（1）噴涂系統(tǒng)動作的優(yōu)先級別低于圓盤中心驅動，中心驅動運行如噴涂未完成也需要立即回原位停止。

（2）伺服原點位置的設置，機構在垂直位置為原點位置，伺服旋轉以減速機輸出軸為圓心，通過擺動角度來控制，如（+60°～-60°）。

（3）伺服接近停止點的速度點和加減速時間設置不當，擺臂裝置會抖動或超行程。

4 對比及分析

4.1 伺服驅動與其他控制方式對比

噴涂擺臂機構目前在圓盤澆鑄機中還有兩種驅動方式：氣缸驅動、變頻驅動。伺服驅動控制移動噴涂主要優(yōu)點有：

（1）氣缸和變頻器驅動機構需加限位開關，擺臂到達限位停止，線纜多故障率高，影響設備開動率和圓盤的穩(wěn)定運行。伺服控制線纜少，安裝方便，編碼器、動力電纜勿需限位開關。

（2）氣缸控制方式無法實現(xiàn)噴涂速度和噴涂量可調的功能，噴涂效果較差。

（3）伺服控制優(yōu)于變頻控制，電機的耐溫性和防護更好，故障率及使用壽命遠遠大于異步電動機。

（4）伺服驅動采用網(wǎng)絡通訊控制，可調整和設置的參數(shù)遠遠大于變頻器和氣缸驅動，噴涂量控制精準。

（5）可在觸摸屏上查詢伺服驅動的狀態(tài)，操作維護便利，更利于日常點檢維護。

4.2 應用效果

陰極銅銅模澆鑄過程中，可將硫酸鋇脫模劑均勻噴涂在銅模表面上，所形成的隔膜層表面均勻致密、厚度適宜，可有效地防止銅模與高溫銅液直接接觸造成粘板，離開噴涂工位后，銅模上的硫酸鋇已干結。

改進優(yōu)化采用伺服控制移動噴涂機構，徹底解決了噴涂過多或不足等技術“瓶頸”，陽極板無飛邊、斷耳、不脫模、氣孔、鼓包、白板、結渣、背筋及板面結塊等問題[6]，消除了安全隱患。噴涂效果圖，見圖9。

圖9 噴涂效果圖

5 結語

生產(chǎn)實踐表明，雙圓盤澆鑄機噴涂系統(tǒng)設計改進及其運行優(yōu)化是成功的。改進優(yōu)化后，該控制系統(tǒng)近兩年分別在紫金銅業(yè)、寧波金田銅業(yè)得以成功推廣應用，目前應用效果優(yōu)越，性能完善，深得業(yè)主好評。

（1）生產(chǎn)效率可提高35%以上，系統(tǒng)運行平穩(wěn)、高速、定位精準，設備故障率低，母模損耗小，陽極板物理質量好。

（2）噴壓高、噴扇面積大、霧化效果好，噴涂更均勻、單薄，噴涂量可調且性能穩(wěn)定，使用效果與進口設備難分伯仲。

（3）有效地提高了陽極板澆鑄的物理合格率，陽極自檢率平均降低了46.2%，母模損耗小，平均使用壽命提高了43.8%。

（4）將固定式噴涂裝置設計改進為移動式，涂膜精度高，無多噴或噴涂不均勻、陽極板粘膜和硫酸鋇噴灑至銅模外等現(xiàn)象。

（5）設計改進后，硫酸鋇單耗由原3.2kg/t 銅下降至2.5kg/t 銅，僅此一項可每年節(jié)約硫酸鋇成本消耗約65 萬元。

（6）程序可靠性高，維修便利，現(xiàn)場作業(yè)強度低，無銅液放炮現(xiàn)象，增加了自主研制圓盤澆鑄機成套設備核心技術含金量。