鐵水轉運系統電氣控制設計與應用

摘 "要：該文分析和研究鐵水轉運系統的工藝流程與功能分解，規劃系統布局與結構組成。在控制方面通過硬件選型和軟件程序設計，實現安全高效運行鐵水轉運系統。通過批量轉運運行，記錄各環節運行節拍，單包鐵水轉運循環時間節省30%，人工節省68%。綜合鐵水轉運系統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運系統，促進傳統鑄造企業技術和裝備升級。

關鍵詞：鐵水轉運；RGV轉運車；控制系統；PLC程序設計；無線網絡

中圖分類號：TP3 " " "文獻標志碼：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

在鑄造企業中，鐵水轉運工序實現鐵水從熔煉爐到澆注機的傳送，在連續穩定生產中起到十分重要的作用。轉運1 535 ℃以上的鐵水，對轉運設備要求非常嚴苛，既要安全穩定可靠運行，還需滿足快速轉運節拍要求。另外，也需具備鐵水稱重等輔助功能。含有RGV轉運車的新一代鐵水轉運系統，通過RGV轉運車移動和固定工位輥道跨站傳遞，實現全程自動化轉運鐵水包。能最大限度縮短轉運周期，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境中解放出來，而且還大幅提高產能，改善產品質量和提升節能效果，生產更加安全可靠。

1 "鐵水轉運系統結構與組成

鐵水轉運系統根據現場布局和工藝要求會有各種組合形式，一般由多輛RGV轉運車、固定工位站等組成。該鐵水轉運系統應用于柴油機缸體鑄造車間，實現6臺熔煉爐到行走式澆注機的灰鐵和球鐵水的轉運。鐵水轉運系統布局如圖1所示。

該轉運系統包含3輛RGV轉運車、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轉運車分別為爐前單工位轉運車CF1，爐前單工位過渡轉運車CF2，澆注側雙工位轉運車CT。

2 "鐵水轉運工藝分析與流程設計

流程分析是執行機構和自動轉運循環控制的基礎，以鐵水包的順向滿包傳送和逆向空包傳送流動來分析轉運流程，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終點，要經過多個RGV轉運車和固定工位接力轉運，而且執行機構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一步細化分解流程，落實到每一個執行機構的動作序列上。該鐵水轉運系統轉運球鐵和灰鐵鐵水，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。

綜合轉運鐵水類型和往返方向不同，以鐵水包傳送路徑為流程導向，系統流程被分為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→澆注機取包。

2）空包灰鐵包轉運流程。澆注機放空包→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在澆注機取包位置→鐵水包傾轉95°→鐵水傾倒入澆注包→CT加取蓋位置→CT取滿包工位→澆注機取包→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。

在上述分析基礎上，加上各工藝任務的時間要求及相關條件，繪制出球鐵和灰鐵的鐵水轉運和工藝流程圖。

3 "控制系統設計

根據轉運系統的組成，分析各個不同執行機構動作過程和控制邏輯，歸納相同功能執行機構，為控制系統設計做好了準備。控制系統設計是把流程和功能轉換成可執行動作和程序控制，思路主要分以下5部分展開。

3.1 "RGV轉運車

RGV：全稱是Rail Guided Vehicle，即“有軌制導車輛”，又稱“有軌穿梭小車”。各RGV轉運車采用獨立的PLC程序控制，當運行在非系統聯網模式時，RGV轉運車可獨立調試、手動操作和維修。RGV轉運車作為移動設備，必須配置遙控器以滿足手動模式下操作與調試。聯網時，則接受轉運系統控制。

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

為了提高轉運效率，CF1和CF2轉運車可同時轉運工作，在換包站共用軌道，兩車之間防碰撞機制采取軟硬件結合保護措施，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感應器；軟件上，把CF1和CF2的激光反饋位置，經主控PLC轉換處理后，形成一個CF1和CF2共用的方向向前虛擬位置軸，在程序中設置兩車最小間距保護功能；自動模式下換包站作為CF1和CF2的公用對接站，工藝上要求該站只允許CF1或CF2其中的一輛小車進入換包站區域。

澆注前CT雙工位轉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澆注機取滿包和放空包位置；在轉運球鐵時，還有一個加取蓋工位站位置。轉運車與澆注機需有交互信號接口與安全互鎖機制，澆注機也是移動設備，交互信號采取無線通信方式。

RGV轉運車作為移動設備，對控制網絡的構建提出了特殊要求。各RGV轉運車PLC到主控PLC之間，通過無線通信連接組建控制系統網絡，在主控PLC集中處理轉運系統所有RGV轉運車間和各固定工位站數據交換。轉運系統在主控PLC的協調下，完成各種自動流程控制任務，確保轉運系統有序運行。

根據轉運效率或RGV轉運車轉運鐵水包的數量的需求，RGV轉運車可設計成為單工位和雙工位結構。以爐前單工位RGV轉運車為例，RGV轉運車移動和升降機構是共用的部分，每個工位則作為鐵水包的承載機構，由擋板、輥道機構組成。

RGV轉運車移動控制采用激光制導原理，激光測距傳感器具有高精度和抗干擾能力強的特點，用于RGV轉運車的實時位置反饋?？刂葡到y根據當前任務指令確定小車的目標位置，計算出RGV轉運車實時位置偏差。偏差值作為輸入經過速度位置關系算法來控制RGV轉運車的移動速度和方向，驅動轉運小車在軌道上移動，達到指定的目標位置完成移動指令。轉運車移動電機采用帶模擬量輸入功能的變頻器驅動，以適應轉運車移動到接近目標位置時能接受PLC的S曲線調速控制信號，經過變頻器調速控制移動電機，實現RGV轉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械止擋機構，由電機驅動，在2個限位開關的配合下，工作在開和關的位置。

輥道機構是由一根主動和多根被動滑輥組成的轉運通路，也是鐵水包的承載機構。滑輥由變頻器驅動電機旋轉，可高低調速；配置4個鐵水包位置感應器，分別是前極限位、前感應位、后感應器位、后極限位。結合感應器的狀態，用以實現鐵水包的同步傳包位置控制和在擋板關閉狀態的位置微調控制及滑輥旋轉速度控制，也用作擋板開關的條件。

通過RGV轉運車移動聯合滑輥和升降機構的動作，滿足了鐵水包在XYZ三個方向維度上的定位調節需求，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，鐵水包在這里實現爐前車CF1和中轉車CF2交接。簡單來說，是2套滑輥機構，每一套滑輥機構配有2個鐵水包感應器，用于站間傳包時的轉運包停止定位。

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

3.3 "液壓系統控制

①各液壓執行機構油缸控制方式相同，程序設計時編寫通用控制模板，感應器數量和動作到位延時可通過參數調整。②液壓系統在所有油缸無動作時，接通旁路閥卸載系統壓力。③液壓系統和特殊油缸配有壓力傳感器，用于液壓系統故障監視與保護。

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：轉運系統自動運行時，PLC程序對每個熔煉爐出水請求信號輪詢檢查。只有在CF1空閑時，CF1轉運車才能接受出水請求，響應最先請求的熔煉爐。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。③出水完成：按下“出水完成”和“解除鎖定”按鈕雙重確認后，CF1前往扒渣工位。

4 "RGV轉運車移動部件控制設計

位置控制作為轉運系統的重點和難點，主要應用在RGV轉運車的行走和升降機構上。

RGV移動控制設計具體分如下幾個步驟：①RGV轉運車共規劃20個工作位置站號，按雙工位規劃。②各站位置設置存放在數組列表內，以浮點類型存儲，方便循環搜索。③RGV轉運車移動參數規劃。④減速停止曲線參數可調。⑤RGV各站功能規劃及動作限制條件。

升降機構。①采用伺服電機驅動方式，選用具有伺服控制功能的PLC。②升降機構各站工作位置與參數便于調整。③龍門機械傳動結構的控制與保護。

5 "鐵水轉運系統的控制程序

根據之前的PLC硬件選型進行模塊組態，并分配IO地址，對網絡設備分配IP地址。鐵水轉運控制系統硬件組態如圖2所示。

PLC編程主要有以下3點原則。

1）執行機構控制采取模塊化設計。采取模塊化和標準化原則，按不同執行機構功能分塊編寫程序，預留數據交互接口，相同功能調用通用模板程序。

2）在流程控制上按步序號遞進執行，組合各段流程實現整體循環。按流程圖把具體執行機構動作任務轉換成程序指令和步序號，預留間隙步序號以備后期流程更改。根據流程串行或并行組織各個任務，逐步執行完成流程循環，在相互干涉的并行流程間，設置優先級別。

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

根據上述原則，編寫主控和RGV轉運車的PLC程序。該鐵水轉運系統主要控制程序分為以下3部分。

1）RGV轉運車控制程序簡述。①主程序：負責調用各子功能程序塊。②各個執行機構通用控制模板程序。③每個執行機構配置獨立數據塊：避免使用全局內存地址，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人機界面映射數據塊和程序塊：便于設備狀態顯示，參數設置等。⑥數據通信塊DB：存儲與主控PLC通信用收發數據。⑦通信數據讀寫與故障診斷程序塊：轉運車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協調，完成跨各工位和流程聯動。⑨初始化程序塊：開機初始化。⑩系統狀態數據塊：存儲當前系統設置和狀態，如故障匯總、運行模式、緊急停止、復位、PLC和模塊狀態等。{11}配置參數數據塊：小車的固有配置參數，用常量直接賦值。如工位數。

2）主控PLC控制程序簡述。①主程序塊：調用子程序。②通用執行機構模板程序：引用小車已有模板程序。③液壓油缸控制模板程序塊：液壓系統和執行機構控制。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顯示設備狀態：顯示RGV轉運車當前位置、執行機構感應器狀態等。②輸入和調整參數：各站位置參數、速度參數、模擬感應器標定等。③故障與報警：提示故障原因，幫助修復故障。

6 "鐵水轉運系統調試與測試

設備調試作為設計成果的驗證階段，同時也是發現問題和不斷完善的階段必不可少，主要任務是：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優化傳輸流程，加強流程中多設備協同，減少各環節時間，降低能耗，滿足生產節拍。⑤標定和調整設備參數，使設備生產出的產品達到工藝要求。⑥檢查人機界面是否能夠完整顯示設備狀態，故障和報警提示簡單明了，設置參數安全管理。

通過對轉運系統整體測試，從流程和節拍上完全滿足工藝要求，對比原先行車和叉車結合的轉運方式，循環時間縮短30%，自動運行穩定，已投入正常生產。

7 "結束語

新一代鐵水轉運系統，相對于傳統鐵水轉運方式具有眾多明顯優勢，正日益成為鑄造企業技術升級換代的發展趨勢。作為鐵水轉運及配套設備的研制工作至關重要，電氣控制設計作為系統主要研發任務，對鐵水轉運系統的安全穩定運行將發揮關鍵作用。

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