摘 "要：該文分析和研究鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的工藝流程與功能分解，規(guī)劃系統(tǒng)布局與結(jié)構(gòu)組成。在控制方面通過硬件選型和軟件程序設(shè)計，實現(xiàn)安全高效運行鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)。通過批量轉(zhuǎn)運運行，記錄各環(huán)節(jié)運行節(jié)拍，單包鐵水轉(zhuǎn)運循環(huán)時間節(jié)省30%，人工節(jié)省68%。綜合鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的安全和使用效率的改善情況，建議推廣和普及新一代自動鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，促進(jìn)傳統(tǒng)鑄造企業(yè)技術(shù)和裝備升級。

關(guān)鍵詞：鐵水轉(zhuǎn)運；RGV轉(zhuǎn)運車；控制系統(tǒng)；PLC程序設(shè)計；無線網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP3 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-2945（2023）20-0121-04

Abstract： This paper analyzes and studies the technological process and function decomposition of the hot metal transfer system， and plans the layout and structure of the system. In the aspect of control， the safe and efficient operation of hot metal transfer system is realized through hardware selection and software program design. Through batch transfer operation， the running beat of each link is recorded， the cycle time of single ladle hot metal transfer is saved by 30%， and labor is saved by 68%. Considering the improvement of the safety and use efficiency of the hot metal transfer system， it is suggested to popularize and popularize the new generation of automatic hot metal transfer system to promote the upgrading of technology and equipment of traditional foundry enterprises.

Keywords： hot metal transport; RGV transfer vehicle; control system; PLC programming; wireless network

在鑄造企業(yè)中，鐵水轉(zhuǎn)運工序?qū)崿F(xiàn)鐵水從熔煉爐到澆注機(jī)的傳送，在連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)中起到十分重要的作用。轉(zhuǎn)運1 535 ℃以上的鐵水，對轉(zhuǎn)運設(shè)備要求非常嚴(yán)苛，既要安全穩(wěn)定可靠運行，還需滿足快速轉(zhuǎn)運節(jié)拍要求。另外，也需具備鐵水稱重等輔助功能。含有RGV轉(zhuǎn)運車的新一代鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，通過RGV轉(zhuǎn)運車移動和固定工位輥道跨站傳遞，實現(xiàn)全程自動化轉(zhuǎn)運鐵水包。能最大限度縮短轉(zhuǎn)運周期，提高運輸速度，減少鐵水溫降。其不僅使工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來，而且還大幅提高產(chǎn)能，改善產(chǎn)品質(zhì)量和提升節(jié)能效果，生產(chǎn)更加安全可靠。

1 "鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場布局和工藝要求會有各種組合形式，一般由多輛RGV轉(zhuǎn)運車、固定工位站等組成。該鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)應(yīng)用于柴油機(jī)缸體鑄造車間，實現(xiàn)6臺熔煉爐到行走式澆注機(jī)的灰鐵和球鐵水的轉(zhuǎn)運。鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)布局如圖1所示。

該轉(zhuǎn)運系統(tǒng)包含3輛RGV轉(zhuǎn)運車、1個換包站、2個固定輥道站、主控電氣柜及HMI操作臺組成。3輛RGV轉(zhuǎn)運車分別為爐前單工位轉(zhuǎn)運車CF1，爐前單工位過渡轉(zhuǎn)運車CF2，澆注側(cè)雙工位轉(zhuǎn)運車CT。

2 "鐵水轉(zhuǎn)運工藝分析與流程設(shè)計

流程分析是執(zhí)行機(jī)構(gòu)和自動轉(zhuǎn)運循環(huán)控制的基礎(chǔ)，以鐵水包的順向滿包傳送和逆向空包傳送流動來分析轉(zhuǎn)運流程，把流程分為滿包傳送和空包回傳2個部分。

又因鐵水包往返的單向行程從起點到達(dá)終點，要經(jīng)過多個RGV轉(zhuǎn)運車和固定工位接力轉(zhuǎn)運，而且執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作順序和路徑也不一樣，所以，在鐵水包的單向流程上又進(jìn)一步細(xì)化分解流程，落實到每一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作序列上。該鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)轉(zhuǎn)運球鐵和灰鐵鐵水，所使用的鐵水包也不一樣，往返流程的動作和鐵水包的流動路徑也會有所差別。

綜合轉(zhuǎn)運鐵水類型和往返方向不同，以鐵水包傳送路徑為流程導(dǎo)向，系統(tǒng)流程被分為4個分支去深入研究，具體如下。

1）滿包灰鐵包轉(zhuǎn)運流程。CF1爐前接鐵水→換包站扒渣工位→CF2→灰鐵后段輥道→灰鐵包加蓋→灰鐵前輥道→CT滿包工位→澆注機(jī)取包。

2）空包灰鐵包轉(zhuǎn)運流程。澆注機(jī)放空包→CT空包工位→灰鐵輥道站前輥道→殘留鐵水傾倒→灰鐵輥道站后輥道→澆注包取蓋→CF2-換包站壓包工位→CF1→爐前等待工位。

3）滿包球鐵包轉(zhuǎn)運流程。CF1爐前接鐵水→換包站扒渣工位→CF2→球鐵后輥道→球鐵前輥道→空澆注包在CT滿包工位→CT在澆注機(jī)取包位置→鐵水包傾轉(zhuǎn)95°→鐵水傾倒入澆注包→CT加取蓋位置→CT取滿包工位→澆注機(jī)取包→澆注完成→澆注包在CT空包工位→灰鐵前輥道→殘留鐵水傾倒→澆注包在CT滿包工位→CT在取包工位。

4）空包球鐵包轉(zhuǎn)運流程。球鐵空包傾翻在0°→灰鐵輥道站前輥道→灰鐵輥道站后輥道→CF2→換包站壓包工位→CF1→爐前等待工位。

在上述分析基礎(chǔ)上，加上各工藝任務(wù)的時間要求及相關(guān)條件，繪制出球鐵和灰鐵的鐵水轉(zhuǎn)運和工藝流程圖。

3 "控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的組成，分析各個不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作過程和控制邏輯，歸納相同功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為控制系統(tǒng)設(shè)計做好了準(zhǔn)備?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計是把流程和功能轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行動作和程序控制，思路主要分以下5部分展開。

3.1 "RGV轉(zhuǎn)運車

RGV：全稱是Rail Guided Vehicle，即“有軌制導(dǎo)車輛”，又稱“有軌穿梭小車”。各RGV轉(zhuǎn)運車采用獨立的PLC程序控制，當(dāng)運行在非系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)模式時，RGV轉(zhuǎn)運車可獨立調(diào)試、手動操作和維修。RGV轉(zhuǎn)運車作為移動設(shè)備，必須配置遙控器以滿足手動模式下操作與調(diào)試。聯(lián)網(wǎng)時，則接受轉(zhuǎn)運系統(tǒng)控制。

跨轉(zhuǎn)運車轉(zhuǎn)運鐵水包時，首先，需要確認(rèn)RGV轉(zhuǎn)運車激光傳感器反饋的當(dāng)前位置和物理位置感應(yīng)器雙重位置就緒。同時，對接站間采用互檢確認(rèn)機(jī)制，在2個對接站條件都滿足時才能同步傳包，以防單站動作導(dǎo)致卡包。

為了提高轉(zhuǎn)運效率，CF1和CF2轉(zhuǎn)運車可同時轉(zhuǎn)運工作，在換包站共用軌道，兩車之間防碰撞機(jī)制采取軟硬件結(jié)合保護(hù)措施，確保兩車安全運行。在硬件上，CF2面朝CF1方向安裝非接觸雷達(dá)感應(yīng)器；軟件上，把CF1和CF2的激光反饋位置，經(jīng)主控PLC轉(zhuǎn)換處理后，形成一個CF1和CF2共用的方向向前虛擬位置軸，在程序中設(shè)置兩車最小間距保護(hù)功能；自動模式下?lián)Q包站作為CF1和CF2的公用對接站，工藝上要求該站只允許CF1或CF2其中的一輛小車進(jìn)入換包站區(qū)域。

澆注前CT雙工位轉(zhuǎn)運車有滿包工位和空包工位，共有3個工作位置。CT的送滿包位置和接空包位置對應(yīng)澆注機(jī)取滿包和放空包位置；在轉(zhuǎn)運球鐵時，還有一個加取蓋工位站位置。轉(zhuǎn)運車與澆注機(jī)需有交互信號接口與安全互鎖機(jī)制，澆注機(jī)也是移動設(shè)備，交互信號采取無線通信方式。

RGV轉(zhuǎn)運車作為移動設(shè)備，對控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提出了特殊要求。各RGV轉(zhuǎn)運車PLC到主控PLC之間，通過無線通信連接組建控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，在主控PLC集中處理轉(zhuǎn)運系統(tǒng)所有RGV轉(zhuǎn)運車間和各固定工位站數(shù)據(jù)交換。轉(zhuǎn)運系統(tǒng)在主控PLC的協(xié)調(diào)下，完成各種自動流程控制任務(wù)，確保轉(zhuǎn)運系統(tǒng)有序運行。

根據(jù)轉(zhuǎn)運效率或RGV轉(zhuǎn)運車轉(zhuǎn)運鐵水包的數(shù)量的需求，RGV轉(zhuǎn)運車可設(shè)計成為單工位和雙工位結(jié)構(gòu)。以爐前單工位RGV轉(zhuǎn)運車為例，RGV轉(zhuǎn)運車移動和升降機(jī)構(gòu)是共用的部分，每個工位則作為鐵水包的承載機(jī)構(gòu)，由擋板、輥道機(jī)構(gòu)組成。

RGV轉(zhuǎn)運車移動控制采用激光制導(dǎo)原理，激光測距傳感器具有高精度和抗干擾能力強(qiáng)的特點，用于RGV轉(zhuǎn)運車的實時位置反饋?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)當(dāng)前任務(wù)指令確定小車的目標(biāo)位置，計算出RGV轉(zhuǎn)運車實時位置偏差。偏差值作為輸入經(jīng)過速度位置關(guān)系算法來控制RGV轉(zhuǎn)運車的移動速度和方向，驅(qū)動轉(zhuǎn)運小車在軌道上移動，達(dá)到指定的目標(biāo)位置完成移動指令。轉(zhuǎn)運車移動電機(jī)采用帶模擬量輸入功能的變頻器驅(qū)動，以適應(yīng)轉(zhuǎn)運車移動到接近目標(biāo)位置時能接受PLC的S曲線調(diào)速控制信號，經(jīng)過變頻器調(diào)速控制移動電機(jī)，實現(xiàn)RGV轉(zhuǎn)運車平滑減速精確位置停止。

擋板作為鐵水包在輥道兩端機(jī)械止擋機(jī)構(gòu)，由電機(jī)驅(qū)動，在2個限位開關(guān)的配合下，工作在開和關(guān)的位置。

輥道機(jī)構(gòu)是由一根主動和多根被動滑輥組成的轉(zhuǎn)運通路，也是鐵水包的承載機(jī)構(gòu)。滑輥由變頻器驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，可高低調(diào)速；配置4個鐵水包位置感應(yīng)器，分別是前極限位、前感應(yīng)位、后感應(yīng)器位、后極限位。結(jié)合感應(yīng)器的狀態(tài)，用以實現(xiàn)鐵水包的同步傳包位置控制和在擋板關(guān)閉狀態(tài)的位置微調(diào)控制及滑輥旋轉(zhuǎn)速度控制，也用作擋板開關(guān)的條件。

通過RGV轉(zhuǎn)運車移動聯(lián)合滑輥和升降機(jī)構(gòu)的動作，滿足了鐵水包在XYZ三個方向維度上的定位調(diào)節(jié)需求，靈活地滿足了不同爐臺出水和不同高度鐵水包接鐵水位置及站間轉(zhuǎn)運要求。

3.2 "固定工位站

固定工位站是指無須移動的工位，控制上隸屬于主控PLC。該系統(tǒng)中的固定工位站包括換包站、灰鐵輥道站、球鐵輥道站。

換包站由壓包工位和扒渣工位組成，鐵水包在這里實現(xiàn)爐前車CF1和中轉(zhuǎn)車CF2交接。簡單來說，是2套滑輥機(jī)構(gòu)，每一套滑輥機(jī)構(gòu)配有2個鐵水包感應(yīng)器，用于站間傳包時的轉(zhuǎn)運包停止定位。

固定輥道站分為球鐵輥道和灰鐵輥道。生產(chǎn)時，根據(jù)轉(zhuǎn)運鐵水的類型系統(tǒng)自動選擇相應(yīng)的輥道傳包。球鐵轉(zhuǎn)運時在爐前需要使用特定的球鐵包，因為球化反應(yīng)特別劇烈，球鐵包會更高；灰鐵則全程使用澆注包轉(zhuǎn)運，無須換包。

3.3 "液壓系統(tǒng)控制

①各液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)油缸控制方式相同，程序設(shè)計時編寫通用控制模板，感應(yīng)器數(shù)量和動作到位延時可通過參數(shù)調(diào)整。②液壓系統(tǒng)在所有油缸無動作時，接通旁路閥卸載系統(tǒng)壓力。③液壓系統(tǒng)和特殊油缸配有壓力傳感器，用于液壓系統(tǒng)故障監(jiān)視與保護(hù)。

3.4 "爐臺操作

主要是爐臺操作工對各個鐵水熔煉爐出鐵水操作。①出水請求：轉(zhuǎn)運系統(tǒng)自動運行時，PLC程序?qū)γ總€熔煉爐出水請求信號輪詢檢查。只有在CF1空閑時，CF1轉(zhuǎn)運車才能接受出水請求，響應(yīng)最先請求的熔煉爐。②爐體出水：鐵水包重量清零，爐體解鎖傾倒鐵水，及鐵水包的位置微調(diào)。③出水完成：按下“出水完成”和“解除鎖定”按鈕雙重確認(rèn)后，CF1前往扒渣工位。

4 "RGV轉(zhuǎn)運車移動部件控制設(shè)計

位置控制作為轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的重點和難點，主要應(yīng)用在RGV轉(zhuǎn)運車的行走和升降機(jī)構(gòu)上。

RGV移動控制設(shè)計具體分如下幾個步驟：①RGV轉(zhuǎn)運車共規(guī)劃20個工作位置站號，按雙工位規(guī)劃。②各站位置設(shè)置存放在數(shù)組列表內(nèi)，以浮點類型存儲，方便循環(huán)搜索。③RGV轉(zhuǎn)運車移動參數(shù)規(guī)劃。④減速停止曲線參數(shù)可調(diào)。⑤RGV各站功能規(guī)劃及動作限制條件。

升降機(jī)構(gòu)。①采用伺服電機(jī)驅(qū)動方式，選用具有伺服控制功能的PLC。②升降機(jī)構(gòu)各站工作位置與參數(shù)便于調(diào)整。③龍門機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)的控制與保護(hù)。

5 "鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的控制程序

根據(jù)之前的PLC硬件選型進(jìn)行模塊組態(tài)，并分配IO地址，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配IP地址。鐵水轉(zhuǎn)運控制系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖2所示。

PLC編程主要有以下3點原則。

1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制采取模塊化設(shè)計。采取模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化原則，按不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能分塊編寫程序，預(yù)留數(shù)據(jù)交互接口，相同功能調(diào)用通用模板程序。

2）在流程控制上按步序號遞進(jìn)執(zhí)行，組合各段流程實現(xiàn)整體循環(huán)。按流程圖把具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作任務(wù)轉(zhuǎn)換成程序指令和步序號，預(yù)留間隙步序號以備后期流程更改。根據(jù)流程串行或并行組織各個任務(wù)，逐步執(zhí)行完成流程循環(huán)，在相互干涉的并行流程間，設(shè)置優(yōu)先級別。

3）系統(tǒng)狀態(tài)按總分控制原則。主控PLC收集各個RGV小車及操作臺的信息，匯總后作為系統(tǒng)信息輸出。如復(fù)位、緊急停止等公用輸入。

根據(jù)上述原則，編寫主控和RGV轉(zhuǎn)運車的PLC程序。該鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)主要控制程序分為以下3部分。

1）RGV轉(zhuǎn)運車控制程序簡述。①主程序：負(fù)責(zé)調(diào)用各子功能程序塊。②各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)通用控制模板程序。③每個執(zhí)行機(jī)構(gòu)配置獨立數(shù)據(jù)塊：避免使用全局內(nèi)存地址，便于變量管理。④物理輸入和輸出信號映射塊：控制邏輯與輸入和輸出信號隔離開來。⑤人機(jī)界面映射數(shù)據(jù)塊和程序塊：便于設(shè)備狀態(tài)顯示，參數(shù)設(shè)置等。⑥數(shù)據(jù)通信塊DB：存儲與主控PLC通信用收發(fā)數(shù)據(jù)。⑦通信數(shù)據(jù)讀寫與故障診斷程序塊：轉(zhuǎn)運車PLC與主控PLC建立S7通信。⑧自動流程控制程序塊：接受主控PLC協(xié)調(diào)，完成跨各工位和流程聯(lián)動。⑨初始化程序塊：開機(jī)初始化。⑩系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)塊：存儲當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)置和狀態(tài)，如故障匯總、運行模式、緊急停止、復(fù)位、PLC和模塊狀態(tài)等。{11}配置參數(shù)數(shù)據(jù)塊：小車的固有配置參數(shù)，用常量直接賦值。如工位數(shù)。

2）主控PLC控制程序簡述。①主程序塊：調(diào)用子程序。②通用執(zhí)行機(jī)構(gòu)模板程序：引用小車已有模板程序。③液壓油缸控制模板程序塊：液壓系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制。④爐臺出水請求與完成控制程序塊。⑤跨工位同步傳包控制模板程序塊。

3）HMI程序簡述。①顯示設(shè)備狀態(tài)：顯示RGV轉(zhuǎn)運車當(dāng)前位置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)感應(yīng)器狀態(tài)等。②輸入和調(diào)整參數(shù)：各站位置參數(shù)、速度參數(shù)、模擬感應(yīng)器標(biāo)定等。③故障與報警：提示故障原因，幫助修復(fù)故障。

6 "鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)調(diào)試與測試

設(shè)備調(diào)試作為設(shè)計成果的驗證階段，同時也是發(fā)現(xiàn)問題和不斷完善的階段必不可少，主要任務(wù)是：①檢查各個零部件的接線和功能是否正確。②檢查程序控制是否正確，并及時優(yōu)化與更新。③檢查整體運行時，各零部件和動作流程是否配合正確。④優(yōu)化傳輸流程，加強(qiáng)流程中多設(shè)備協(xié)同，減少各環(huán)節(jié)時間，降低能耗，滿足生產(chǎn)節(jié)拍。⑤標(biāo)定和調(diào)整設(shè)備參數(shù)，使設(shè)備生產(chǎn)出的產(chǎn)品達(dá)到工藝要求。⑥檢查人機(jī)界面是否能夠完整顯示設(shè)備狀態(tài)，故障和報警提示簡單明了，設(shè)置參數(shù)安全管理。

通過對轉(zhuǎn)運系統(tǒng)整體測試，從流程和節(jié)拍上完全滿足工藝要求，對比原先行車和叉車結(jié)合的轉(zhuǎn)運方式，循環(huán)時間縮短30%，自動運行穩(wěn)定，已投入正常生產(chǎn)。

7 "結(jié)束語

新一代鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)鐵水轉(zhuǎn)運方式具有眾多明顯優(yōu)勢，正日益成為鑄造企業(yè)技術(shù)升級換代的發(fā)展趨勢。作為鐵水轉(zhuǎn)運及配套設(shè)備的研制工作至關(guān)重要，電氣控制設(shè)計作為系統(tǒng)主要研發(fā)任務(wù)，對鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

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