謝小春，張偉旗

（1.江西天鑫冶金裝備技術(shù)有限公司，江西南昌 330200；2.江西銅業(yè)集團(tuán)銅材有限公司，江西貴溪 335424）

在銅冶煉過程中，圓盤澆鑄機(jī)可將銅液澆鑄成定型定量的陽極板，是整個(gè)工藝流程中的關(guān)鍵和重點(diǎn)設(shè)備之一。其噴涂系統(tǒng)主要作用在陽極澆鑄之前往母模內(nèi)噴灑脫模劑以便脫模，在冶金行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。該系統(tǒng)運(yùn)行過程中需滿足的條件是：平穩(wěn)，保證噴涂均勻；高速且速度可調(diào)，保證不同狀態(tài)下的噴涂料厚度；精準(zhǔn)定位，保證噴涂料噴灑在母模上的位置準(zhǔn)確。

澆鑄過程中，噴涂設(shè)備噴涂量少或不均勻?qū)﹃枠O板質(zhì)量影響大，但易影響模具使用壽命；噴涂量過大，脫模劑水分在模具到達(dá)澆鑄工位未干結(jié)，澆鑄時(shí)易引起銅液放炮,威脅生產(chǎn)安全。為了滿足圓盤澆鑄機(jī)對(duì)噴涂系統(tǒng)的需求，需研發(fā)用西門子S-1200PLC+SEW 伺服驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有噴涂速度和噴涂曲線可調(diào)、設(shè)置方便等優(yōu)點(diǎn)。以此，可徹底消除澆鑄時(shí)銅液易放炮等安全隱患，能有效地延長(zhǎng)模具的使用壽命，大幅提升圓盤澆鑄機(jī)使用效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1 主工藝流程

圓盤澆鑄系統(tǒng)包含中間包、澆鑄包、中心圓盤、噴淋系統(tǒng)、取板系統(tǒng)和噴涂系統(tǒng)。其中噴涂系統(tǒng)主要由硫酸鋇攪拌裝置、螺旋加料裝置、隔膜泵、噴涂控制閥組、噴涂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成。其作用是往母模內(nèi)噴灑脫模劑，屬于陽極澆鑄時(shí)的關(guān)鍵設(shè)備[1，2]。

噴涂系統(tǒng)主工藝流程圖，如圖1 所示。其工藝流程為：料斗里的粉末狀硫酸鋇經(jīng)螺旋加料裝置輸送至攪拌罐內(nèi)，添加一定比例的水至罐內(nèi)，經(jīng)過攪拌槳不停的攪拌，可使硫酸鋇與水充分溶解，形成的攪拌液經(jīng)隔膜泵加壓后，沿著噴涂管道至噴嘴，再噴灑至陽極澆鑄的模具上。

圖1 噴涂系統(tǒng)主工藝流程圖

1.2 移動(dòng)噴涂機(jī)構(gòu)

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)噴涂擺臂前后來回?cái)[動(dòng)，大噴閥打開后，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)按曲線移動(dòng)對(duì)陽極板面進(jìn)行噴涂作業(yè)。移動(dòng)噴涂機(jī)構(gòu)圖，如圖2 所示。

圖2 移動(dòng)噴涂機(jī)構(gòu)圖

1.3 氣動(dòng)控制部分

該系統(tǒng)設(shè)有氣動(dòng)隔膜泵、大噴閥、小噴閥、回流閥、大小噴吹掃閥、控制閥組等。（1）隔膜泵：圓盤運(yùn)行時(shí)，隔膜泵一直運(yùn)行加壓將硫酸鋇溶液輸送至噴嘴；（2）大噴閥：控制陽極板板面區(qū)域的噴涂；（3）小噴閥：專門控制陽極耳朵位置的噴涂；（4）回流閥：在系統(tǒng)對(duì)陽極模具噴涂完成后控制溶液回流至攪拌罐內(nèi)；（5）大噴吹掃閥：在大噴閥對(duì)板面噴涂結(jié)束后，輸入壓縮風(fēng)清掃噴嘴和管道；（6）小噴吹掃閥：在小噴閥對(duì)耳部噴涂結(jié)束后，輸入壓縮風(fēng)清掃噴嘴和管道；（7）控制閥組：接受PLC 來的電控信號(hào)，按照設(shè)定要求驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)閥組工作。

2 主要存在的問題

陽極澆鑄時(shí)，原設(shè)計(jì)系統(tǒng)噴涂效果尚可，雖可實(shí)現(xiàn)硫酸鋇溶液均勻噴涂，但由于模溫調(diào)整噴涂量和噴涂曲線是關(guān)鍵，原設(shè)計(jì)系統(tǒng)啟動(dòng)及變頻控制皆難以完美的達(dá)到工藝要求。主要存在的問題有：故障率高，安全穩(wěn)定性差，質(zhì)量問題多，具體表現(xiàn)如下：

（1）噴膜系統(tǒng)控制僅采用噴涂閥，噴涂量少、不噴涂或不均勻，易造成陽極板飛邊、斷耳或不脫模等質(zhì)量問題。

（2）多噴或噴涂不均勻易引起銅液放炮，安全隱患大，同時(shí)也增加了下道電解工序的雜質(zhì)總量，既給陰極銅品質(zhì)控制帶來不利影響，又大幅增加了生產(chǎn)成本。

（3）對(duì)陽極板物理規(guī)格和母模使用壽命負(fù)面影響較大，易發(fā)生陽極板物理質(zhì)量下降、陽極自檢率上升、母模損耗甚至報(bào)廢等。

（4）由硫酸鋇和水玻璃配制成的脫模劑，會(huì)產(chǎn)生沉淀或粘接,易誘發(fā)堵塞管路。

（5）排除故障難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響生產(chǎn)。

3 圓盤澆鑄機(jī)噴涂系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)及其運(yùn)行優(yōu)化

3.1 電氣控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)噴涂系統(tǒng)的自動(dòng)控制，采用西門子S-1200 系列PLC 和SEW 的MOVIDRIVE MODX61B伺服驅(qū)動(dòng)通過PROFINET 網(wǎng)絡(luò)通訊的控制方案。該方案針對(duì)噴涂電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了SEW 伺服控制器、PLC 控制器、觸摸屏等設(shè)計(jì)的集成控制。PLC 為主站、SEW 伺服控制器為從站的分布式PROFINET 通訊布局，實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)傳輸和可靠通訊；采用西門子觸摸屏HMI 界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴涂系統(tǒng)監(jiān)控。該系統(tǒng)具有伺服數(shù)據(jù)的讀取、機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)置等功能，自動(dòng)化水平較高。系統(tǒng)配置圖，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)配置圖

3.2 SEW 伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)配置

該系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境惡劣，溫度高，噴涂機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)皆安裝在陽極模具的正上方，對(duì)電機(jī)的要求很高，需要IP 等級(jí)高、絕緣等級(jí)高的電機(jī)減速機(jī)。

陽極板板面噴涂要求達(dá)到噴涂量可調(diào)、噴涂位置可控，圓盤澆鑄機(jī)運(yùn)行不同時(shí)間段需及時(shí)調(diào)整噴涂量，以便操作人員能快捷調(diào)整噴涂曲線、設(shè)置噴涂距離。毋容置疑，伺服驅(qū)動(dòng)控制是最佳選擇，它是在變頻技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，對(duì)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)分別進(jìn)行精確控制運(yùn)算。伺服變頻系統(tǒng)主要包括執(zhí)行單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器、位置反饋單元、電流反饋單元及通信接口單元等[3]。SEW 具有IP65，絕緣等級(jí)F，帶絕對(duì)值編碼器的CM 系列的同步電機(jī)，配置MODX61B 系列伺服驅(qū)動(dòng)器+PROFINET 網(wǎng)絡(luò)通訊卡，可實(shí)現(xiàn)和HMI 通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)控伺服數(shù)據(jù)。伺服配置，見表1。

表1 伺服配置

SEW 伺服控制器是伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元，接收到PLC 控制指令后伺服控制器處理器進(jìn)行運(yùn)算，將控制任務(wù)作用于執(zhí)行單元（伺服電機(jī)）[4，5]。SEW 伺服控制器把伺服電機(jī)編碼器的數(shù)據(jù)讀取上來給PLC，PLC 系統(tǒng)能實(shí)時(shí)的收到機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，具有控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。

3.3 PLC 控制系統(tǒng)配置

移動(dòng)噴涂的電控系統(tǒng)具有數(shù)字量輸入點(diǎn)/輸出點(diǎn)量不多，通訊速率要求高，傳送數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，選用西門子S-1200 系列PLC 系統(tǒng)可完全滿足控制的要求，具有以下優(yōu)點(diǎn)：模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面；集成的PROFINET 接口用于編程、HMI通訊和PLC 間的通訊，集成RJ45 網(wǎng)絡(luò)通訊口；用戶程序和變量存儲(chǔ)在集成工作內(nèi)存，小容量程序無需存儲(chǔ)卡。

3.3.1 S-1200 PLC 系統(tǒng)通訊組態(tài)

噴涂系統(tǒng)采用PROFINET 網(wǎng)絡(luò)通訊來實(shí)現(xiàn)PLC、SEW 伺服驅(qū)動(dòng)器、觸摸屏的通訊。網(wǎng)絡(luò)配置組態(tài)圖，如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)配置組態(tài)圖

SEW 伺服驅(qū)動(dòng)器通過總線卡DFE32B 采用報(bào)文形式和S-1200PLC 通訊。DFE32B 是功能強(qiáng)大的通用型現(xiàn)場(chǎng)總線接口，驅(qū)動(dòng)變頻器MOVIDRIVE?MD61B 可通過以太網(wǎng)（PROFINET I/O 協(xié)議）連接到上一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)、工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)。兩個(gè)RJ45 通訊口能很靈活的組件通訊網(wǎng)絡(luò)。DFE32B 總線卡，如圖5 所示。

圖5 DFE32B 總線卡

DFE32B 總線卡作為智能從站以I/O 通訊方式和S-1200PLC 通訊實(shí)現(xiàn)控制伺服電機(jī)的目的，組態(tài)6 個(gè)輸入字把驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)傳送到PLC。輸入映射狀態(tài)字，見表2。

表2 輸入映射狀態(tài)字

西門子S-1200PLC 通過輸出6 個(gè)字的控制字來驅(qū)動(dòng)及設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)控制伺服電機(jī)運(yùn)行使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，輸出字的長(zhǎng)度為6 個(gè)字。輸出映射狀態(tài)字，見表3。

表3 輸出映射狀態(tài)字

3.3.2 觸摸屏組態(tài)和畫面制作

S-1200PLC 和觸摸屏的組態(tài)均使用西門子TIA 軟件。觸摸屏采用KTP900Basic/PN,通過以太網(wǎng)和PLC 通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服的監(jiān)控和對(duì)噴涂系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。觸摸屏配置了監(jiān)控畫面、操作畫面、報(bào)警畫面等。移動(dòng)噴涂機(jī)構(gòu)來回?cái)[動(dòng)的運(yùn)行期間劃分了4 個(gè)區(qū)，可以分段設(shè)置不同速度，區(qū)間位置值也可以設(shè)置，實(shí)現(xiàn)噴涂量和噴涂速度的曲線控制。噴涂曲線圖，如圖6 所示。

圖6 噴涂曲線圖

同時(shí)畫面也設(shè)計(jì)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥組的控制畫面實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)控制。噴涂閥臺(tái)控制圖，如圖7 所示。

圖7 噴涂閥臺(tái)控制圖

3.4 PLC 程序控制

噴涂系統(tǒng)程序開發(fā)按功能分兩部分：手動(dòng)操作和自動(dòng)控制。手動(dòng)控制設(shè)計(jì)通過觸屏按鈕來驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備單獨(dú)動(dòng)作。自動(dòng)程序?yàn)閳A盤在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，圓盤澆鑄中心驅(qū)動(dòng)停止運(yùn)行時(shí)，噴涂系統(tǒng)按以下流程完成脫模劑的噴涂工作，見圖8。圓盤中心驅(qū)動(dòng)運(yùn)行時(shí)，噴涂系統(tǒng)迅速返回初始位置等待下次噴涂啟動(dòng)。

圖8 控制流程圖

結(jié)合觸摸屏畫面的設(shè)置完全達(dá)到了預(yù)期的控制要求。在程序編寫時(shí)需注意：

（1）噴涂系統(tǒng)動(dòng)作的優(yōu)先級(jí)別低于圓盤中心驅(qū)動(dòng)，中心驅(qū)動(dòng)運(yùn)行如噴涂未完成也需要立即回原位停止。

（2）伺服原點(diǎn)位置的設(shè)置，機(jī)構(gòu)在垂直位置為原點(diǎn)位置，伺服旋轉(zhuǎn)以減速機(jī)輸出軸為圓心，通過擺動(dòng)角度來控制，如（+60°～-60°）。

（3）伺服接近停止點(diǎn)的速度點(diǎn)和加減速時(shí)間設(shè)置不當(dāng)，擺臂裝置會(huì)抖動(dòng)或超行程。

4 對(duì)比及分析

4.1 伺服驅(qū)動(dòng)與其他控制方式對(duì)比

噴涂擺臂機(jī)構(gòu)目前在圓盤澆鑄機(jī)中還有兩種驅(qū)動(dòng)方式：氣缸驅(qū)動(dòng)、變頻驅(qū)動(dòng)。伺服驅(qū)動(dòng)控制移動(dòng)噴涂主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）氣缸和變頻器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)需加限位開關(guān)，擺臂到達(dá)限位停止，線纜多故障率高，影響設(shè)備開動(dòng)率和圓盤的穩(wěn)定運(yùn)行。伺服控制線纜少，安裝方便，編碼器、動(dòng)力電纜勿需限位開關(guān)。

（2）氣缸控制方式無法實(shí)現(xiàn)噴涂速度和噴涂量可調(diào)的功能，噴涂效果較差。

（3）伺服控制優(yōu)于變頻控制，電機(jī)的耐溫性和防護(hù)更好，故障率及使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于異步電動(dòng)機(jī)。

（4）伺服驅(qū)動(dòng)采用網(wǎng)絡(luò)通訊控制，可調(diào)整和設(shè)置的參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變頻器和氣缸驅(qū)動(dòng)，噴涂量控制精準(zhǔn)。

（5）可在觸摸屏上查詢伺服驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)，操作維護(hù)便利，更利于日常點(diǎn)檢維護(hù)。

4.2 應(yīng)用效果

陰極銅銅模澆鑄過程中，可將硫酸鋇脫模劑均勻噴涂在銅模表面上，所形成的隔膜層表面均勻致密、厚度適宜，可有效地防止銅模與高溫銅液直接接觸造成粘板，離開噴涂工位后，銅模上的硫酸鋇已干結(jié)。

改進(jìn)優(yōu)化采用伺服控制移動(dòng)噴涂機(jī)構(gòu)，徹底解決了噴涂過多或不足等技術(shù)“瓶頸”，陽極板無飛邊、斷耳、不脫模、氣孔、鼓包、白板、結(jié)渣、背筋及板面結(jié)塊等問題[6]，消除了安全隱患。噴涂效果圖，見圖9。

圖9 噴涂效果圖

5 結(jié)語

生產(chǎn)實(shí)踐表明，雙圓盤澆鑄機(jī)噴涂系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)及其運(yùn)行優(yōu)化是成功的。改進(jìn)優(yōu)化后，該控制系統(tǒng)近兩年分別在紫金銅業(yè)、寧波金田銅業(yè)得以成功推廣應(yīng)用，目前應(yīng)用效果優(yōu)越，性能完善，深得業(yè)主好評(píng)。

（1）生產(chǎn)效率可提高35%以上，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、高速、定位精準(zhǔn)，設(shè)備故障率低，母模損耗小，陽極板物理質(zhì)量好。

（2）噴壓高、噴扇面積大、霧化效果好，噴涂更均勻、單薄，噴涂量可調(diào)且性能穩(wěn)定，使用效果與進(jìn)口設(shè)備難分伯仲。

（3）有效地提高了陽極板澆鑄的物理合格率，陽極自檢率平均降低了46.2%，母模損耗小，平均使用壽命提高了43.8%。

（4）將固定式噴涂裝置設(shè)計(jì)改進(jìn)為移動(dòng)式，涂膜精度高，無多噴或噴涂不均勻、陽極板粘膜和硫酸鋇噴灑至銅模外等現(xiàn)象。

（5）設(shè)計(jì)改進(jìn)后，硫酸鋇單耗由原3.2kg/t 銅下降至2.5kg/t 銅，僅此一項(xiàng)可每年節(jié)約硫酸鋇成本消耗約65 萬元。

（6）程序可靠性高，維修便利，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)強(qiáng)度低，無銅液放炮現(xiàn)象，增加了自主研制圓盤澆鑄機(jī)成套設(shè)備核心技術(shù)含金量。