楊陽(yáng)，謝建榮，李磊

(1.江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330052；2.江西瑞林裝備有限公司，江西 南昌 330032)

隨著我國(guó)銅冶煉行業(yè)的蓬勃發(fā)展，永久陰極電解法（簡(jiǎn)稱(chēng)“ISA法”）工藝已廣泛應(yīng)用，不銹鋼陰極板在銅電解生產(chǎn)中也隨之大量使用[1]。不銹鋼陰極板在日常銅電解生產(chǎn)和吊裝運(yùn)輸過(guò)程中，受各種不利因素的影響，部分不銹鋼陰極板會(huì)產(chǎn)生不良形變，如縱向形變、橫向形變和應(yīng)力形變等。為了處理不銹鋼陰極板的形變問(wèn)題，可借助矯直機(jī)通過(guò)其上下交錯(cuò)排列的工作輥多次反向彎曲，消除不銹鋼陰極板殘余曲率，減小不均勻性形變程度，提高不銹鋼陰極板的矯直精度以及不良板面的處理效率[2-5]。針對(duì)該設(shè)備，本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC、編碼器和變頻器等組成的陰極板矯直機(jī)電氣控制系統(tǒng)，可對(duì)不同程度形變的不銹鋼陰極板板面進(jìn)行矯直處理，從而達(dá)到最佳的矯直效果。

1 矯直工藝流程與系統(tǒng)要求

1.1 矯直工藝流程

本文研究對(duì)象為一套不銹鋼陰極板矯直機(jī)。該設(shè)備由上料工作臺(tái)、矯直主機(jī)單元、輥道驅(qū)動(dòng)單元及其輔助裝置和電氣控制系統(tǒng)等組成。該裝備操作時(shí)，由機(jī)械手將存在形變?nèi)毕莸年帢O板送入矯直機(jī)上料工作臺(tái)上，然后由相應(yīng)輔助裝置將陰極板推送至矯直主機(jī)單元內(nèi)。主機(jī)單元內(nèi)有上下兩排工作輥道，當(dāng)矯直主機(jī)單元內(nèi)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到陰極板物料時(shí)，上工作輥道由升降電機(jī)控制下降動(dòng)作，根據(jù)編碼器反饋值經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成輥道下壓量；當(dāng)達(dá)到設(shè)定的輥道下壓量時(shí)，輥道升降電機(jī)停止運(yùn)行，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)上下輥道運(yùn)行，將處理的不銹鋼陰極板矯直帶出至出料口；當(dāng)出料口光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到物料時(shí)，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止動(dòng)作，升降電機(jī)將上輥道提升至初始位置，至此完成一個(gè)完整的矯直工序循環(huán)。矯直機(jī)工作示意如圖1所示。

圖1 矯直機(jī)工作示意

1.2 系統(tǒng)控制要求

陰極板矯直機(jī)的矯直區(qū)主機(jī)結(jié)構(gòu)包含上下兩組輥系，上機(jī)架上安裝有若干工作輥，下機(jī)架上安裝有若干工作輥。上下輥系高度可手動(dòng)調(diào)節(jié)，便于處理不同形變的陰極板。上輥道下壓的距離由多圈絕對(duì)值型光電式編碼器進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)內(nèi)部程序處理轉(zhuǎn)換成輥道的下壓量。下壓量值和編碼器當(dāng)前碼值在觸摸屏上顯示，操作人員通過(guò)在觸摸屏上調(diào)節(jié)輥道的下壓量來(lái)控制不銹鋼陰極板的矯直精度。變頻器控制的電機(jī)速度可在觸摸屏上設(shè)定，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速改變輥道的矯直速度。操作人員可以根據(jù)不良板面的形變程度來(lái)調(diào)節(jié)矯直速度和輥道下壓量，以便達(dá)到更佳的矯直效果。

2 控制系統(tǒng)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制方法

不銹鋼陰極板矯直機(jī)控制系統(tǒng)以變頻電機(jī)為驅(qū)動(dòng)部件，PLC通過(guò)Profinet通信接口連接到變頻器，旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在電機(jī)底座固定架上，編碼器通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)連接。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為輥道下壓的直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)編碼器反饋值計(jì)算出輥道機(jī)構(gòu)的整體下壓量，PLC根據(jù)給定下壓量與實(shí)際下壓值的差值，利用PID閉環(huán)控制原理產(chǎn)生控制信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)使電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速之間的偏差趨近于零。陰極板矯直機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

陰極板矯直機(jī)操作控制在集中操作臺(tái)上進(jìn)行，柜體內(nèi)部布置了一些電氣控制元器件，柜體面板上兼有人工操作的功能，在柜體外門(mén)上設(shè)置了相應(yīng)的急停按鈕、控制旋鈕、指示燈、電壓表和西門(mén)子觸摸屏操作面板等。操作選擇分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式，且在控制柜上有控制操作選擇旋鈕。需要手動(dòng)操作時(shí)，將操作選擇開(kāi)關(guān)切換到手動(dòng)模式，此時(shí)可以通過(guò)手動(dòng)操作控制矯直機(jī)的升降電機(jī)的啟停和主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟停。需要自動(dòng)操作時(shí)，將操作選擇旋鈕切換到自動(dòng)模式，此時(shí)矯直機(jī)的升降電機(jī)和主驅(qū)動(dòng)電機(jī)若滿足自動(dòng)啟動(dòng)條件，通過(guò)操作一鍵啟動(dòng)，矯直機(jī)即可自動(dòng)完成一次完整的矯板流程。

根據(jù)陰極板矯直效果，由操作人員決定是否需要增加矯板次數(shù)。若矯出的陰極板平整度好，表示矯板完成；若矯出的陰極板平整度不好，可通過(guò)增加矯板次數(shù)及調(diào)整下壓量來(lái)修正矯板效果。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件配置和控制要求進(jìn)行不銹鋼陰極板矯直機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。編程思路采用子程序調(diào)用指令，IO地址映射區(qū)編寫(xiě)成一個(gè)獨(dú)立的字子程序FC塊，另外將手動(dòng)子程序、自動(dòng)子程序、觸摸屏參數(shù)設(shè)定子程序和故障報(bào)警子程序分別單獨(dú)編寫(xiě)成獨(dú)立的FC塊，在OB1中進(jìn)行調(diào)用各子程序FC塊。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程

通過(guò)控制柜上的手/自動(dòng)切換旋鈕來(lái)進(jìn)行手自動(dòng)子程序的切換。當(dāng)控制權(quán)切換至自動(dòng)檔位時(shí)，PLC中央控制單元后臺(tái)調(diào)用自動(dòng)子程序，則手動(dòng)子程序不起作用；當(dāng)切換至手動(dòng)模式，則自動(dòng)子程序運(yùn)行失效。控制上下輥道動(dòng)作的變頻器的通信采用Profinet協(xié)議與PLC進(jìn)行雙方的數(shù)據(jù)連接，CPU經(jīng)過(guò)Profinet通信協(xié)議將啟?？刂谱趾退俣茸炙椭磷冾l器內(nèi)，建立變頻器速度變量DB數(shù)據(jù)塊，包括變頻器狀態(tài)值反饋和速度值給定等變量一并放置在一個(gè)DB數(shù)據(jù)塊，方便程序查詢及故障排查。

3 系統(tǒng)設(shè)定及模式選擇

3.1 輥道下壓量調(diào)節(jié)設(shè)定

正常情況下，操作人員可以根據(jù)當(dāng)前待矯陰極板板面形變情況，通過(guò)操作臺(tái)面上的觸摸屏來(lái)調(diào)節(jié)矯直機(jī)上輥道下壓量處理矯直陰極板。

1）需對(duì)矯直機(jī)編碼器標(biāo)定一個(gè)初始零位。若既不選擇投入下壓量減1 mm模式，也不選擇投入下壓量加1 mm模式，表示升降電機(jī)每次都下降至標(biāo)定的初始零位。即，當(dāng)前調(diào)節(jié)值顯示為0 mm，表示矯直機(jī)上輥道已下降至標(biāo)定初始位。

2）若選擇投入下壓量減1 mm模式，表示升降電機(jī)帶動(dòng)上輥道下降至初始零位偏上的位置。點(diǎn)擊畫(huà)面中“-”按鈕一次或點(diǎn)擊觸摸屏F1按鍵一次，表示下壓量減少1 mm；點(diǎn)擊n次則表示下壓量減去n mm。若下壓量調(diào)節(jié)值為負(fù)值，說(shuō)明矯直機(jī)上輥道的下壓量較設(shè)定的初始零位下壓量小。通過(guò)設(shè)定下壓量減限幅，來(lái)限制下壓量最多可以減幾次1 mm。例如，將下壓量低限幅設(shè)定為“-6 mm”，表示下壓量最多只能減6 mm。通過(guò)此設(shè)定對(duì)下壓量的下限幅進(jìn)行限制，避免矯板矯直幅度過(guò)小，達(dá)不到矯直效果的情況發(fā)生。

3）若選擇投入下壓量加1 mm模式，表示升降電機(jī)帶動(dòng)上輥道下降至初始零位偏下的位置。點(diǎn)擊畫(huà)面中“+”按鈕一次或點(diǎn)擊觸摸屏F2按鍵一次，表示下壓量增加1 mm，點(diǎn)擊n次則表示下壓量增加n mm。若下壓量調(diào)節(jié)值為正值，說(shuō)明矯直機(jī)上輥道的下壓量較設(shè)定的初始零位下壓量要大。通過(guò)設(shè)定下壓量加限幅，來(lái)限制下壓量最多可以加幾次1 mm。例如，下壓量加限幅設(shè)定為“+6 mm”，表示下壓量最多只能增加6 mm的下壓量。通過(guò)此設(shè)定，避免下壓量過(guò)大給陰極板造成二次形變損傷。

4）下壓量減1 mm模式和下壓量加1 mm模式可同時(shí)選擇，也可只選擇其中之一。操作人員通過(guò)觸摸屏自由切換操作模式，并根據(jù)當(dāng)前待矯陰極板板面變形情況來(lái)設(shè)定下壓量加減限幅的大小。

3.2 模式選擇

借助檢驗(yàn)專(zhuān)業(yè)工具判斷待矯陰極板形變類(lèi)型，陰極板形變情況有彎曲板和應(yīng)力板兩種類(lèi)型，兩種類(lèi)型的形變板矯直處理方式不一樣。

1）彎曲板處理。操作人員對(duì)陰極板存儲(chǔ)架上的待矯板進(jìn)行判斷，肉眼觀察或采用專(zhuān)用檢驗(yàn)工具判斷陰極板的形變彎曲程度。將彎曲凸起面朝上送入至矯直機(jī)上下輥道開(kāi)口處，在觸摸屏上功能頁(yè)面投入“矯直模式”。板彎曲程度在3 mm以內(nèi)的，在初始零位的基礎(chǔ)上通過(guò)觸摸屏HMI操作往下減2～5 mm的下壓量，然后執(zhí)行一鍵操作矯直流程。待完成一次矯板過(guò)程后，在矯直出料平臺(tái)面上。采用專(zhuān)用檢驗(yàn)工具判斷該板矯直效果，若仍存在較大形變，需要適當(dāng)調(diào)節(jié)下壓量，進(jìn)行二次矯板流程。

2）彈性板處理。首先將待矯板送入矯直機(jī)輥道開(kāi)口內(nèi)，在觸摸屏功能頁(yè)面選擇投入“矯彎模式”。若彈性板形變回彈量較大，則適當(dāng)加大下壓量。按一鍵啟動(dòng)，升降電機(jī)下降至設(shè)定下壓量位置后停止動(dòng)作；主驅(qū)動(dòng)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)正轉(zhuǎn)，上下輥道運(yùn)動(dòng)將陰極板帶出；當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到移動(dòng)的陰極板導(dǎo)電棒耳部時(shí)，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止運(yùn)行，升降電機(jī)上升至上升停止位，至此完成陰極板的矯彎。然后，將已矯彎的陰極板換面，凸面朝上送入矯直機(jī)輥道開(kāi)口內(nèi)，在觸摸屏功能頁(yè)面選擇“矯直模式”，并一鍵啟動(dòng)。升降電機(jī)下降至設(shè)定下壓量位置后停止動(dòng)作；主驅(qū)動(dòng)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)正轉(zhuǎn)，上下輥道運(yùn)動(dòng)將陰極板帶出；當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到移動(dòng)的陰極板導(dǎo)電棒耳部時(shí)，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止運(yùn)行，升降電機(jī)上升至上升停止位，至此完成陰極板的矯直。

完成一次矯彎和一次矯直流程后，使用檢驗(yàn)專(zhuān)用工具對(duì)板面進(jìn)行檢測(cè)：檢測(cè)板面的懸垂度是否在允許偏差范圍內(nèi)，板面彈性應(yīng)力是否已消除。若板面仍不合格，再次送入矯直機(jī)內(nèi)進(jìn)行矯彎或矯直，根據(jù)板面的形變和彈性應(yīng)力情況，決定是否適當(dāng)調(diào)節(jié)輥道下壓量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的一種基于“PLC+編碼器+變頻器”技術(shù)的陰極板矯直機(jī)電氣控制系統(tǒng)，通過(guò)PLC控制系統(tǒng)發(fā)出命令，在觸摸屏上設(shè)置矯直機(jī)下壓量參數(shù)，簡(jiǎn)單直觀，操作方便。目前，該系統(tǒng)跟隨該矯直設(shè)備已在ISA法銅電解領(lǐng)域投入使用，有效提高了不銹鋼陰極板板面形變?nèi)毕莸奶幚硇剩页C直精度符合銅電解工藝要求，滿足了銅電解相關(guān)企業(yè)的實(shí)際需求。