半連續鑄造機采用閉環控制提高鑄錠質量

吳小淵

(銅陵金威銅業有限公司, 安徽 銅陵 244000)

半連續鑄造機采用閉環控制提高鑄錠質量

吳小淵

(銅陵金威銅業有限公司, 安徽 銅陵244000)

半連續鑄造機在鑄造過程中,如果鑄造速度發生較大波動,會影響鑄錠的質量,在軋制過程中可能出現斷帶、損壞設備并且降低帶材的成品率.通過改造電控系統,采用比例閥及脈沖流量計,進行閉環控制來穩定鑄造速度,可以提高鑄錠的質量.

半連續鑄造機; 閉環控制; 比例閥; 鑄造速度

0 前 言

黃銅爐鑄造機生產的鑄錠,經熱軋、銑面后進入粗軋機軋制,在軋制過程中有時會頻繁出現斷帶現象.斷帶造成帶卷成品率降低,影響產量和綜合成品率.同時,由于帶材較厚,張力大,斷帶時經常打壞測厚儀安全銷,影響測厚儀的測量精度.在排除軋機自身問題后,向上道工序追查,均未發現問題;但發現鑄錠在生產過程中,鑄造速度不穩定,有時波動幅度較大,達到±20%.

文中被改造的鑄造設備于2004年安裝調試后投入生產,鑄造速度采用開環控制,受液壓單元中各環節變化因素的影響,鑄造過程中速度波動較大時,塞棒人為調節速度跟不上變化,會影響結晶器中液面高度的穩定性.調節好的冷卻強度也會隨之發生變化,這樣可能引起結晶組織不均勻,造成鑄錠內應力增大,增加了內部裂紋傾向.內部問題表面不容易發現,但從軋制過程中出現的斷帶現象表明:鑄錠內部有時出現了裂紋.因此,從穩定鑄造速度入手,對該設備的控制系統進行改造,引入閉環控制理論,解決設備在使用過程中因各種擾動引進的速度波動,對改善和提高鑄錠質量有積極作用.

1 鑄造機結構及工作原理

鑄造機由鑄造井、結晶器小車、液壓系統及電控系統組成.結晶器小車安放于鑄造井上部,可以往復移動.保溫爐中的銅液通過澆鑄前室經澆鑄管流入結晶器,由塞棒調節結晶器內的液面高度,經過一次、二次冷卻結晶后形成固態銅,固態銅通過引錠頭,連續向下引出成為鑄錠.引錠頭采用鑄造油缸驅動,由比例閥控制其向下的牽引速度,即鑄造速度.電控系統作為主控單元,采用PLC進行控制,通過設定冷卻水流量及壓力來控制冷卻強度,通過設定比例閥的開度來控制鑄造速度.當鑄造速度一定時,銅液溫度保持不變,液面高度應保持恒定,冷卻強度不能發生變化,鑄造過程中這些參數的變化對鑄錠影響至關重要.因此鑄造速度的穩定,是生產出合格鑄錠的基礎.

2 改造方案

對原控制系統進行了改造.主要分為兩部分:液壓控制系統和電氣控制系統.

2.1 液壓控制系統

液壓系統如圖1所示.在鑄造油缸的回油管路上安裝比例閥和流量計.調節比例閥的開度控制油缸下降速度,流量計用于測量和計算鑄造速度.比例閥選用意大利阿托斯QVHZ0系列,該比例閥輸入為標準4～20 mA模擬信號,對應的閥芯位置從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.流量計采用德國威仕VSE系列脈沖流量計,該型流量計通過液體流動推動齒輪轉動,液體進入計量腔,每轉過一個齒,產生一個脈沖信號.鑄造油缸回油腔內液壓油的體積變化量全部通過流計量,根據流過的體積與脈沖的關系,換算成油缸的運動速度,即可得到鑄造速度.

L1=N×P

(1)

式中:L1為每分鐘流過流量計的液壓油體積;N為每分鐘產生的脈沖個數;P為每個脈沖流過的體積.

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L1=L2時,

V=(L1/S)·1 000

(3)

式中:V為鑄造速度.

2.2 電氣控制系統

電氣控制自動化系統配置了上位機、PLC單元和觸摸屏.上位機采用研華工控機,安裝西門子WINCC進行數據采集與歸檔,方便查閱鑄造過程數據來分析鑄錠質量.控制單元采用西門子PLC-S7 314CPU,進行運算與工藝邏輯控制.HMI采用MP277-10key,實時顯示和修改工藝參數.網絡組態如圖2所示.

圖1 液壓系統圖Fig.1 Hydraulic system diagram

圖2 網絡組態圖Fig.2 Network configuration diagram

控制比例閥的信號采用SM-332模塊,流量計輸出的脈沖信號接入FM350-1計數模塊,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.結晶器振動電機采用M440變頻器控制,振動頻率調節方便.硬件組態如圖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的鑄造參數畫面中輸入給定的鑄造速度VSP后,經過PLC運算,輸出相應的模擬量信號至比例閥,比例閥開啟一定的角度,使得鑄造油缸產生向

下的位移,脈沖流量計檢測到油路中流量信號,通過運算得出實際的鑄造速度VPV.在PLC程序中,通過調用SFB41閉環控制模塊[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,即可實現速度PI閉環控制.不管出于何種原因,如果鑄造速度偏離了設定速度時,將產生調節信號輸出至比例閥,偏離的鑄造速度就會被糾正,直至達到設定速度.通過調試,如果GAIN和TI值的選擇合適,速度將處于穩定狀態,即可實現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 論

通過引入閉環控制,能夠抑制設備各環節的擾動對鑄造速度的影響,同時得出以下結論:

(1)鑄造速度穩定性大幅提高,速度波動值由±20%降至±0.2%以內.

(2)鑄錠表面質量得到改善,鑄錠表面光潔,無冷隔、結疤、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應用技術[M].北京:機械工業出版社,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用的研究.E-mail:wxyxin@163.com

TG233.6

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