銅陽極定量澆鑄的分段PID 控制系統(tǒng)

鄒志成，張義悅，蔣 鴻

（云南銅業(yè)股份有限公司西南銅業(yè)分公司，昆明 650102）

隨著自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展及應(yīng)用，銅冶金行業(yè)設(shè)備整體自動(dòng)化水平大大提高，國內(nèi)各銅冶煉企業(yè)除引進(jìn)芬蘭奧圖泰公司的奧托昆普銅陽極定量澆鑄系統(tǒng)外，紛紛自主研發(fā)銅陽極板自動(dòng)定量澆鑄設(shè)備。云南銅業(yè)股份有限公司西南銅業(yè)分公司避開先進(jìn)控制理論與技術(shù)應(yīng)用難題，通過對銅陽極澆鑄復(fù)雜過程的分解，提出分段PID 控制，開發(fā)控制系統(tǒng)，提高銅陽極澆鑄質(zhì)量，擺脫引進(jìn)設(shè)備高昂的成本及技術(shù)依賴，探索并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定量澆鑄設(shè)備國產(chǎn)化。

1 澆鑄工藝分析

傳統(tǒng)銅陽極澆鑄工藝為PS 轉(zhuǎn)爐吹煉的粗銅經(jīng)過回轉(zhuǎn)式陽極爐精煉完成后，精煉銅液經(jīng)溜槽流入中間包，由澆鑄設(shè)備澆注并冷卻后，形成銅陽極，整個(gè)過程由人工控制機(jī)械設(shè)備，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高，作業(yè)環(huán)境差，銅陽極質(zhì)量較差，精度大于±5 kg，澆鑄速度每塊陽極板澆鑄時(shí)間大于60 s/塊[1]。

奧托昆普銅陽極定量澆鑄工藝為全自動(dòng)定量澆鑄，澆鑄設(shè)備有雙18 模圓盤澆注機(jī)、銅模、撈板及取板設(shè)備、澆鑄包（包含液壓設(shè)備、電子秤、澆鑄包）等。吹煉好的精煉銅液經(jīng)溜槽流入中間包，同時(shí)控制系統(tǒng)檢測并采樣各設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，伺服子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)至澆鑄位，控制液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)澆鑄包，按照澆鑄曲線動(dòng)作，將銅液注入銅模，并經(jīng)過冷卻后，形成銅陽極。澆鑄精度為±1 kg 之間，每塊陽極澆鑄時(shí)間為35～45 s[2]，通過澆鑄工藝分析可知，澆鑄工藝的核心與關(guān)鍵是對精煉銅水注入銅模的精確控制，澆鑄過程需平穩(wěn)，保證澆鑄速度及澆鑄精度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

銅陽極板自動(dòng)定量澆鑄系統(tǒng)包括工程師站、觸摸屏操作站、打印機(jī)、PLC 控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)，工程師站與打印機(jī)通過以太網(wǎng)通信，工程師站、觸摸屏操作站、PLC 控制系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信。工程師站1 臺(tái)設(shè)在現(xiàn)場調(diào)試控制室，觸摸屏操作站、打印機(jī)各2 臺(tái)，設(shè)在現(xiàn)場操作室，PLC 控制系統(tǒng)2 套，設(shè)在電氣控制室。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖1 所示[3]。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 System network diagram

銅陽極板自動(dòng)定量澆鑄控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成為PLC 控制器1 只（CPU1756-L61），冗余控制器1只，ControlLogix I/O 模擬輸入輸出模塊8 通道模擬量輸入模塊4 只，32 通道數(shù)字量輸入模塊5 只，8 通道模擬量輸出模塊2 只，32 通道數(shù)字量輸出模塊3 只，熱電阻模塊2 只，RIF 1769 模塊，控制網(wǎng)模塊1756-CNBR，電源2 塊，觸摸屏，電源模塊PLC 控制柜，供電控制柜，輸入控制柜，輸出控制柜各1臺(tái)，現(xiàn)場電器設(shè)備等；系統(tǒng)軟件為Windows XP 操作系統(tǒng)，工程師站的RSView32 監(jiān)控軟件，操作站觸摸屏系統(tǒng)的RSView Studio，控制系統(tǒng)編程軟件為ControlLogix 5000，通信軟件為RSLinx。整個(gè)系統(tǒng)的子系統(tǒng)為工程師站、觸摸屏操作站、打印機(jī)、PLC 控制系統(tǒng)，工程師站與打印機(jī)通過以太網(wǎng)通信，工程師站、觸摸屏操作站與PLC 控制系統(tǒng)之間采用OPC協(xié)議通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信[4-11]。

3 澆鑄分段PID 控制

銅陽極自動(dòng)定量澆鑄系統(tǒng)的控制核心和難點(diǎn)，就是在圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)到澆鑄位后，如何實(shí)現(xiàn)控制澆鑄裝置，按照工藝設(shè)定量，根據(jù)電子秤所反饋的注入陽極母模內(nèi)的銅水實(shí)時(shí)重量，實(shí)時(shí)調(diào)整澆鑄向下傾動(dòng)量或傾動(dòng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)銅陽極澆鑄的精度和質(zhì)量滿足工藝要求。

3.1 澆鑄原理及關(guān)鍵控制對象

澆鑄裝置包括液壓缸、澆鑄包、稱重單元及控制閥，其中電磁閥CT3 控制液壓缸的總進(jìn)油，比例閥CT6 工作電壓為1～5 V，控制液壓缸升起的高度，電磁閥CT4 控制液壓缸的升降，安全閥CT5 起液壓缸油壓超壓保護(hù)作用，液壓缸在控制閥的作用下，進(jìn)行升降動(dòng)作，稱重單元實(shí)時(shí)計(jì)量澆鑄過程中澆鑄包的重量。澆鑄裝置及圓盤見圖2。

圖2 澆鑄裝置及圓盤澆鑄機(jī)Fig.2 Pouring device and disc casting machine

澆鑄原理，在圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)到澆鑄位時(shí)，控制輸出控制信號(hào)，控制進(jìn)油總管電磁閥CT3 打開，澆鑄包下降電磁閥CT4 關(guān)閉，安全閥CT5 關(guān)閉，比例閥CT6在PLC 輸出模擬電壓的控制下開相應(yīng)的開度，澆鑄包按一定的速度起升；當(dāng)澆鑄完畢時(shí)，進(jìn)油總電磁閥CT3 打開，澆鑄包下降電磁閥CT4 打開，安全閥CT5 關(guān)閉，比例閥CT6 在PLC 輸出模擬電壓的控制下打開相應(yīng)的開度，澆鑄包按一定速度做下降運(yùn)動(dòng)。在澆鑄過程中，稱重單元實(shí)時(shí)計(jì)量澆鑄過程中澆鑄包的重量，并送至PLC 系統(tǒng)，作為控制系統(tǒng)控制澆鑄動(dòng)作參數(shù)。

由澆鑄原理，比例閥CT6 決定了陽極澆鑄過程中液壓缸起升及下降高度，即決定了陽極澆鑄速度及質(zhì)量，故系統(tǒng)的關(guān)鍵控制對象即為比例閥CT6 線圈電壓。

3.2 澆鑄及電壓分段

根據(jù)工藝要求，在澆鑄啟動(dòng)時(shí)，銅水注入不能過快，否則銅水會(huì)沖出母模外，損傷設(shè)備或現(xiàn)場操作人員，啟動(dòng)后要加快注入速度，但整個(gè)澆鑄過程較長時(shí)間內(nèi)要保持勻速，澆鑄速度既要保證澆鑄不會(huì)造成銅水在母模內(nèi)流速過快導(dǎo)致卷邊，也不能流動(dòng)過慢造成陽極薄厚不均，收包時(shí)速度要保證陽極精度。根據(jù)整個(gè)澆鑄工藝過程，每塊陽極板澆鑄過程分為啟動(dòng)階段、加速階段、勻速階段、減速階段，澆鑄過程的控制核心，就是在這4 個(gè)階段對澆鑄裝置的控制[12]。

啟動(dòng)階段，澆鑄開始時(shí)，輸出較大的電壓控制澆鑄包驅(qū)動(dòng)比例閥開度，使?jié)茶T包驅(qū)動(dòng)液壓缸動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)澆鑄包升起，將銅水注入銅模中；加速階段，輸出較第一階段較小的電壓，繼續(xù)將澆鑄包抬高，但又不會(huì)導(dǎo)致銅水溢出；勻速階段，輸出保持電壓，使?jié)茶T包將銅水勻速注入銅模；減速階段，減小電壓輸出，以便收包，結(jié)束澆鑄。

3.3 PID 與電壓分段協(xié)同控制

由澆鑄過程分段可知，銅陽極自動(dòng)定量澆鑄的核心，是控制關(guān)鍵對象比例閥CT6 線圈的分段電壓即啟動(dòng)電壓、加速電壓、勻速電壓、減速電壓輸出值及輸出時(shí)間。作者根據(jù)工藝要求的各個(gè)階段澆鑄速度，計(jì)算出澆鑄啟動(dòng)、加速、勻速、減速的實(shí)際澆鑄量作為重量設(shè)定值Gs，以各階段實(shí)時(shí)澆鑄量Ga作為參數(shù)，采用PID 原理，編制澆鑄控制程序，控制CT6 每段電壓值的輸出時(shí)間，同時(shí)，以GΔ/5（工藝要求最大誤差絕對值）作為CT6 每段電壓的實(shí)際輸出進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制比設(shè)定值的倍數(shù)，其GΔ/5 中的5 為工藝要求最大誤差絕對值，而各階段的電壓值則通過模擬實(shí)驗(yàn)確定，其控制原理如圖3 所示[13]。

圖3 PID 控制原理Fig.3 PID control principle

3.4 模擬實(shí)驗(yàn)及分段電壓確定

為了確定陽極澆鑄過程中比例閥CT6 的啟動(dòng)電壓、加速電壓、勻速電壓、減速電壓，作者結(jié)合實(shí)際工藝編制比例閥CT6 動(dòng)作電壓的PID 控制程序及編制整個(gè)澆鑄系統(tǒng)的控制程序，并用水代替銅水進(jìn)行模擬試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，PLC 控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集澆鑄過程中澆鑄包的重量，計(jì)算出澆鑄水的實(shí)時(shí)重量，并用母模中水的實(shí)時(shí)重量作為控制參數(shù)，控制澆鑄過程中CT6 線圈啟動(dòng)電壓、加速電壓、勻速電壓、減速電壓的相應(yīng)電壓值輸出穩(wěn)定時(shí)間，且根據(jù)銅密度8.9 g/cm3與水的密度1 g/cm3之比，換算成實(shí)際澆鑄銅水的重量。本次試驗(yàn)，進(jìn)行11 組不同分段電壓的試驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)?zāi)M澆鑄銅陽極塊數(shù)為200 塊，根據(jù)銅與水密度比，將澆鑄質(zhì)量誤差換算成銅水時(shí)的質(zhì)量誤差，并分析各階段的電壓大小對澆鑄重量誤差及幾何形狀影響情況[14]，如表1 所示。

表1 電壓分段澆鑄實(shí)驗(yàn)Tab.1 Voltage staged casting test

由分段電壓模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)啟動(dòng)電壓小于4 V 時(shí)，澆鑄精度與速度不能同時(shí)滿足工藝要求；啟動(dòng)電壓大于5.5 V 時(shí)，澆鑄過程有大量高溫銅水噴灑至母模外，造成安全隱患；加速電壓大于1.5 V時(shí)，銅水流速大，銅水對母模沖刷太大，導(dǎo)致陽極卷邊，加速電壓小于0.8 V 時(shí)，銅水流速過小，影響澆鑄速度；勻速電壓大于1 V，銅水流速大，造成銅水溢出母模，勻速電壓小于0.5 V，影響澆鑄速度；減速電壓大于0.5 V，澆鑄包收包太快，對澆鑄裝置液壓缸沖擊太大，影響液壓缸壽命。同時(shí)，熔融狀態(tài)下銅的粘度比水的粘度大，故銅水實(shí)際澆鑄速度較此次模擬實(shí)驗(yàn)慢了0.5 s，但這并不影響實(shí)際澆鑄速度在工藝要求范圍內(nèi)。

綜合澆鑄精度及速度確定4 段電壓的合適范圍，啟動(dòng)電壓4～5.5 V，加速電壓0.8～1.5 V，勻速電壓0.5～1 V，減速電壓小于0.5 V。所編制控制程序各段電壓范圍均在此試驗(yàn)所得范圍內(nèi)。

4 應(yīng)用效果

系統(tǒng)在投入使用兩年來，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了操作員直接在觸摸屏操作站上對現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，工程師站對控制系統(tǒng)的維護(hù)及參數(shù)修改，也實(shí)現(xiàn)各設(shè)備數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與上傳至總廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，也為管理人員提高了數(shù)據(jù)打印功能，為生產(chǎn)及決策提供參考。實(shí)現(xiàn)了按工藝要求設(shè)置陽極板重量的自動(dòng)定量澆鑄，在澆鑄給定設(shè)定值陽極板的過程中，將每塊陽極板澆鑄誤差控制在了±2 kg 之間，澆鑄時(shí)間35～41 s，更實(shí)現(xiàn)了設(shè)定分段電壓下的陽極澆鑄曲線繪制、顯示及觸摸屏操作站控制功能，以便操作員根據(jù)實(shí)際銅水狀態(tài)適時(shí)調(diào)整澆鑄參數(shù)。圖4 所示為設(shè)定值為270 kg 的陽極澆鑄電壓分段計(jì)澆鑄曲線[15]。

圖4 實(shí)時(shí)澆鑄曲線Fig.4 Real-time pouring curve

5 結(jié)語

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了銅陽極定量澆鑄控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化，控制精度±2 kg 之間，速度達(dá)到了澆鑄時(shí)間35～41 s/塊陽極板，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了工藝要求的陽極板澆鑄時(shí)間35～45 s，澆鑄精度±5 kg 之間。但與奧托昆普澆鑄系統(tǒng)控制精度±1 kg 之間，速度達(dá)到了澆鑄時(shí)間30～38 s/塊陽極板，還有一定的差距，也是后續(xù)要提高的方向。