半連續(xù)鑄造機(jī)采用閉環(huán)控制提高鑄錠質(zhì)量

吳小淵

(銅陵金威銅業(yè)有限公司, 安徽 銅陵 244000)

半連續(xù)鑄造機(jī)采用閉環(huán)控制提高鑄錠質(zhì)量

吳小淵

(銅陵金威銅業(yè)有限公司, 安徽 銅陵244000)

半連續(xù)鑄造機(jī)在鑄造過程中,如果鑄造速度發(fā)生較大波動,會影響鑄錠的質(zhì)量,在軋制過程中可能出現(xiàn)斷帶、損壞設(shè)備并且降低帶材的成品率.通過改造電控系統(tǒng),采用比例閥及脈沖流量計(jì),進(jìn)行閉環(huán)控制來穩(wěn)定鑄造速度,可以提高鑄錠的質(zhì)量.

半連續(xù)鑄造機(jī); 閉環(huán)控制; 比例閥; 鑄造速度

0 前 言

黃銅爐鑄造機(jī)生產(chǎn)的鑄錠,經(jīng)熱軋、銑面后進(jìn)入粗軋機(jī)軋制,在軋制過程中有時(shí)會頻繁出現(xiàn)斷帶現(xiàn)象.斷帶造成帶卷成品率降低,影響產(chǎn)量和綜合成品率.同時(shí),由于帶材較厚,張力大,斷帶時(shí)經(jīng)常打壞測厚儀安全銷,影響測厚儀的測量精度.在排除軋機(jī)自身問題后,向上道工序追查,均未發(fā)現(xiàn)問題;但發(fā)現(xiàn)鑄錠在生產(chǎn)過程中,鑄造速度不穩(wěn)定,有時(shí)波動幅度較大,達(dá)到±20%.

文中被改造的鑄造設(shè)備于2004年安裝調(diào)試后投入生產(chǎn),鑄造速度采用開環(huán)控制,受液壓單元中各環(huán)節(jié)變化因素的影響,鑄造過程中速度波動較大時(shí),塞棒人為調(diào)節(jié)速度跟不上變化,會影響結(jié)晶器中液面高度的穩(wěn)定性.調(diào)節(jié)好的冷卻強(qiáng)度也會隨之發(fā)生變化,這樣可能引起結(jié)晶組織不均勻,造成鑄錠內(nèi)應(yīng)力增大,增加了內(nèi)部裂紋傾向.內(nèi)部問題表面不容易發(fā)現(xiàn),但從軋制過程中出現(xiàn)的斷帶現(xiàn)象表明:鑄錠內(nèi)部有時(shí)出現(xiàn)了裂紋.因此,從穩(wěn)定鑄造速度入手,對該設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造,引入閉環(huán)控制理論,解決設(shè)備在使用過程中因各種擾動引進(jìn)的速度波動,對改善和提高鑄錠質(zhì)量有積極作用.

1 鑄造機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

鑄造機(jī)由鑄造井、結(jié)晶器小車、液壓系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成.結(jié)晶器小車安放于鑄造井上部,可以往復(fù)移動.保溫爐中的銅液通過澆鑄前室經(jīng)澆鑄管流入結(jié)晶器,由塞棒調(diào)節(jié)結(jié)晶器內(nèi)的液面高度,經(jīng)過一次、二次冷卻結(jié)晶后形成固態(tài)銅,固態(tài)銅通過引錠頭,連續(xù)向下引出成為鑄錠.引錠頭采用鑄造油缸驅(qū)動,由比例閥控制其向下的牽引速度,即鑄造速度.電控系統(tǒng)作為主控單元,采用PLC進(jìn)行控制,通過設(shè)定冷卻水流量及壓力來控制冷卻強(qiáng)度,通過設(shè)定比例閥的開度來控制鑄造速度.當(dāng)鑄造速度一定時(shí),銅液溫度保持不變,液面高度應(yīng)保持恒定,冷卻強(qiáng)度不能發(fā)生變化,鑄造過程中這些參數(shù)的變化對鑄錠影響至關(guān)重要.因此鑄造速度的穩(wěn)定,是生產(chǎn)出合格鑄錠的基礎(chǔ).

2 改造方案

對原控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造.主要分為兩部分:液壓控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng).

2.1 液壓控制系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)如圖1所示.在鑄造油缸的回油管路上安裝比例閥和流量計(jì).調(diào)節(jié)比例閥的開度控制油缸下降速度,流量計(jì)用于測量和計(jì)算鑄造速度.比例閥選用意大利阿托斯QVHZ0系列,該比例閥輸入為標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA模擬信號,對應(yīng)的閥芯位置從0～100%,因此方便PLC模擬量模塊控制,其功率放大板集成于閥體,便于安裝維護(hù).流量計(jì)采用德國威仕VSE系列脈沖流量計(jì),該型流量計(jì)通過液體流動推動齒輪轉(zhuǎn)動,液體進(jìn)入計(jì)量腔,每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒,產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號.鑄造油缸回油腔內(nèi)液壓油的體積變化量全部通過流計(jì)量,根據(jù)流過的體積與脈沖的關(guān)系,換算成油缸的運(yùn)動速度,即可得到鑄造速度.

L1=N×P

(1)

式中:L1為每分鐘流過流量計(jì)的液壓油體積;N為每分鐘產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù);P為每個(gè)脈沖流過的體積.

H=(L2/S)·1 000

(2)

式中:L2為回油腔液壓油流出體積;S為回油腔活塞有效面積;H為活塞位移.

當(dāng)L1=L2時(shí),

V=(L1/S)·1 000

(3)

式中:V為鑄造速度.

2.2 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制自動化系統(tǒng)配置了上位機(jī)、PLC單元和觸摸屏.上位機(jī)采用研華工控機(jī),安裝西門子WINCC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與歸檔,方便查閱鑄造過程數(shù)據(jù)來分析鑄錠質(zhì)量.控制單元采用西門子PLC-S7 314CPU,進(jìn)行運(yùn)算與工藝邏輯控制.HMI采用MP277-10key,實(shí)時(shí)顯示和修改工藝參數(shù).網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖2所示.

圖1 液壓系統(tǒng)圖Fig.1 Hydraulic system diagram

圖2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖Fig.2 Network configuration diagram

控制比例閥的信號采用SM-332模塊,流量計(jì)輸出的脈沖信號接入FM350-1計(jì)數(shù)模塊,冷卻水溫度、壓力和流量采用摸擬量變送器,信號接入SM331模塊控制和顯示,其他邏輯控制功能還使用了SM322和SM321模塊.結(jié)晶器振動電機(jī)采用M440變頻器控制,振動頻率調(diào)節(jié)方便.硬件組態(tài)如圖3所示.

圖3 硬件配置圖Fig.3 Hardware configuration diagram

鑄造速度的控制方框圖如圖4所示.在HMI的鑄造參數(shù)畫面中輸入給定的鑄造速度VSP后,經(jīng)過PLC運(yùn)算,輸出相應(yīng)的模擬量信號至比例閥,比例閥開啟一定的角度,使得鑄造油缸產(chǎn)生向

下的位移,脈沖流量計(jì)檢測到油路中流量信號,通過運(yùn)算得出實(shí)際的鑄造速度VPV.在PLC程序中,通過調(diào)用SFB41閉環(huán)控制模塊[1],將VSP和VPV分別賦給FB41的SP_INT和SP_IN,并選擇合適的GAIN和TI值,即可實(shí)現(xiàn)速度PI閉環(huán)控制.不管出于何種原因,如果鑄造速度偏離了設(shè)定速度時(shí),將產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號輸出至比例閥,偏離的鑄造速度就會被糾正,直至達(dá)到設(shè)定速度.通過調(diào)試,如果GAIN和TI值的選擇合適,速度將處于穩(wěn)定狀態(tài),即可實(shí)現(xiàn)鑄造速度的精確控制.PID控制程序如圖5所示.

圖4 控制方框圖Fig.4 Control block diagram

圖5 PID控制程序Fig.5 PID control program

3 結(jié) 論

通過引入閉環(huán)控制,能夠抑制設(shè)備各環(huán)節(jié)的擾動對鑄造速度的影響,同時(shí)得出以下結(jié)論:

(1)鑄造速度穩(wěn)定性大幅提高,速度波動值由±20%降至±0.2%以內(nèi).

(2)鑄錠表面質(zhì)量得到改善,鑄錠表面光潔,無冷隔、結(jié)疤、氣泡等缺陷.

(3)軋制過程中斷帶事故明顯下降.

(4)成品率提高了1%以上.

[1]廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

SlabQualityImprovementThroughClosed-loopControlofSemi-continuousCastingMachine

WUXiao-yuan

(TonglingJinviCopperCo.,Tongling244000,China)

In the casting process the high fluctuation of casting speed of the semi-continuous casting machine affects the slab quality,which usually results in fault belt,does damage to the equipment and reduces the yield of strip.By reforming the electric control system using proportional valve and pulse flow-meter,the casting speed is stabilized through closed loop control so that the slab quality improves.

semi-continuous casting machine; closed-loop control; proportional valve; casting speed

2014-09-05

吳小淵(1972-),男,工程師,主要從事中頻電源及電氣自動化應(yīng)用的研究.E-mail:wxyxin@163.com

TG233.6

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