基于PID及PLC的铜阳极自动定量浇注控制系统

张义悦，毛庆，朱鹏达

摘要：为了实现铜阳极自动定量浇注系统的国产化，云铜冶炼本部技术团队经过对奥托昆普定量浇注系统进行深入研究后，设计开发了具有知识产权的气动浇注系统。此控制系统采用罗克韦尔Controllogix系列软、硬件，浇注控制采用PID控制原理，通过对单块阳极浇注过程实施分段，设计分段电压控制程序，并用水代替铜水进行模拟实验，修正控制参数，绘制浇注曲线分析浇注效果。生产实践证明，该系统达到了设计及生产工艺要求的浇注质量精度及速度。

关键词：自动定量浇注；PID ；电压分段；浇注曲线；精度；速度。

中图分类号：TF355文献标识码：A 

The Automatic quantitative casting control system for copper anode based on PID and PLC

ZHANG Yi-yue，MAO Qing，ZHU Peng-da

(Yunnan Copper Co.，Ltd. Metallurgical Processing Factory, Kunming ,650102, China)

Abstract: In order to realize the copper anode automatic constant casting system localization, The technical team of YUNNAN copper co.,LTD, design and development of pneumatic pouring system with intellectual property, After further research on Otto Quinn F's quantitative casting system. This control system uses Rockwell Controllogix series of software and hardware,Pouring control using PID control principle,And used water to simulate the experiment instead of copper water, then to modify the control parameters according to the experimental data. Engineering applications verify that The system has reached the design and production process requirements of the casting quality accuracy and speed.

Key words: Automatic quantitative casting; PID; Sectional voltage ;Casting curve ;Accuracy；Speed；

引言

近年来随着冶炼行业整体自动化水平及技术的迅速发展与进步，云铜股份本部为了满足新增电解艾萨炉对精炼铜阳极板质量的更高要求，并摆脱引进设备高昂的成本及技术依赖，自主开发有知识产权的自动定量浇注系统，系统功能包括：铜模转动，定量浇注，水冷及喷涂，顶板，取板系统，举升。在2010年投入至今系统运行稳定，质量及速度控制良好，满足实际生产需求。

1浇注工艺

浇注工艺的核心为，铜阳极的浇注过程，浇注流程为，倾动装有铜水的中间包，向浇注包中注入设定量的铜水，由控制系统控制倾动浇注包，将设定量的铜水注入14模圆盘上的阳极板母模内，经喷淋冷却后成型为阳极板后，随圆盘转动进入取板位后，由取板系统将阳极板从母模内夹起并放入冷却水槽内，经移动链条输送至举升，最终由10t吊车吊运至堆放场地。阳极板从母模内取走后，由喷涂系统向母模内喷洒BaSO4与水的混合体以防止沾模。[1]

2 系统组成

铜阳极板自动定量浇注控制系统组成：系统硬件有ControlLogix I/O模拟输入输出模块、RIF 1769模块、控制网模块1756-CNBR、CPU1756-L61、电源、触摸屏、现场电器设备等；系统软件由以下几各部分组成：Windows XP操作系统，工程师站RSView32，操作站触摸屏系统采用RSView Studio，系统编程软件为ControlLogix 5000，通信软件为RSLinx。整个系统的子系统为工程师站、操作站、打印机、PLC控制系统，工程师站与打印机通过以太网通信，工程师站、操作站、PLC控制系统之间通过以太网实现通信。

系统包括工程师站、操作站、打印机、下位控制系统及现场设备。其铜阳极板自动定量浇注系统主要是实现整个系统装置安全平稳运行，所有装包括：铜模转动，定量浇注，气动取板，顶板装置，自动冷凝及涂膜，阳极收集装置。铜模转动，14块铜阳极板母模均匀分布在圆盘上，在圆盘驱动电机的牵引下实现正反转转动，进而到达浇注位或取板位，其位置由旋转编码器及限位控制；定量浇注，由浇注装置完成，其组成为倾动液压缸、电子秤、机构支架及保护板、浇注包、组成，由控制系统决定其动作；自动冷凝及涂膜，向装有铜水的铜模喷洒冷却水，让铜水冷却形成阳极板；对空铜模喷洒BaSO4水合物；顶板装置，由液压装置驱动，将阳极板顶起脱离母模，以便捞板机取板；气动取板，由水平气缸实现装置在模位与水槽位之间移动，垂直气缸进行装置上下运动，加紧气缸实现阳极板的夹起，从而将阳极板从母模中取走并投入冷却水槽中；阳极收集装置，对取板放入水槽的阳极板进行走链收集，集中至举升装置，并在阳极束满数后举起等待吊运。

[2]

3 系统设计

3.1 系统构建

3.1.1系统流程

系统各装置动作由基于AB-PLC设计的系统控制，控制逻辑为各装置动作先后顺序为条件，浇注过程实现由浇注分段程序控制浇注装置来实现。各装置控制相互连锁及运行流程如Fig.1自动定量浇注流程图。[3]

Fig.1  自动定量浇注流程图

3.1.2系统硬件

系统硬件包括Controllogix的Logix5561处理器、ControlLogix I/O模拟输入输出模块，控制网模块1756-CNBR，CPU1756-L61，电源，触摸屏等相关器件。现场信号直接或经中继后进入系统输入模块，PLC通过输出模块实现对现场设备的控制。

3.1.3系统软件

系统软件由以下几各部分组成：WINDOWSXP操作系统，工程师站才RSView32，操作站触摸屏系统采用RSView Studio，系统编程软件为RSLogix 5000 Standard，通信软件为RSLinx。既保证了对现场设备的实时控制，又可通过OPC与总厂生产数据监控系统进行实时通信。[3]

3.1.4 系统通信

整个控制系统中，上位机、工程师站、打印机均由交换机通过Ethernet网络和PLC进行通信，网络组态用RSLinx软件，PLC通过设备网与现场设备进行实时通信，并控制现场设备和实时监控各设备参数。[4]

3.2浇注过程及要求

由浇注工艺可知，整个浇注工艺的核心是铜阳极的浇注过程，故控制系统的核心是对浇注装置动作的控制。

3.2.1  浇注装置及动作原理

作为系统核心的浇注装置动作原理为， PLC输出开关量信号控制液压缸进出电磁阀的开关，驱动浇注包倾倒铜水与收包，输出模拟量信号调节进口比例阀CT5开度，决定每一浇注周期各阶段浇注包倾斜的角度及倾动速度。浇注装置动作过程中，从浇注包倾动瞬间开始进行动态称重，电子秤检测称重数据并经过放大器放大后送入到控制系统，控制系统由此称重数据计算出浇注过程中浇注包中剩余铜水的重量以及已经注入阳极板母模中的铜水重量，同时计算出铜水的实时流速（KG/S）。在此系统中，根据浇注包及其里面铜水的总重量，由控制系统输出控制电压（即比例阀控制电压），控制比例阀线圈电压来调节其开度，即调节了实时流入到浇注包倾动液压装置中液压油流量，进入倾动液压装置中液压油的流量决定了倾动装置的动作，继而决定了浇注包的动作，从而达到了控制浇注铜水流速如Fig.2浇注装置。[5]

Fig.2，浇注装置

3.2.2  浇注质量及速度要求

为保证铜阳极质量及速度，浇注过程，浇包启动要快速且平稳，铜水不外泄以免出现阳极板卷边；浇注中间过程，必须保证铜水注入平稳且足量；浇注包收包时，尽量迅速平稳，以保证重量计算准确。为了满足上下道工序及阳极板浇注工艺要求，单圆盘每小时浇注能力为20~25t/h，即阳极板浇注时间为35~45S，浇注精度为±5KG之间。[6]

3.2.3  浇注过程分段

分析整个浇注工艺过程，可发现每块阳极板浇注过程存在几个阶段，第一阶段，是在浇注开始时，控制系统必须输出较大的电压控制浇注包驱动比例阀开度，使浇注包驱动液压缸动作，驱动浇注包升起，将铜水注入铜模中；第二阶段，是输出较第一阶段较小的电压，继续将浇注包太高，但又不会导致铜水溢出；第三阶段，输出保持电压，保持浇注包将铜水匀速注入铜模；最后阶段，为减小电压输出，以便收包，结束浇注。

根据以上分析，可将整个浇注过程分为：启动阶段，加速阶段，匀速阶段，减速阶段。

3.3浇注控制设计

3.3.1浇注分段电压

由浇注工艺过程及浇注装置动作原理，整个浇注过程控制，实为控制各浇注阶段的比例阀CT5线圈电压，即启动电压、加速电压、匀速电压、减速电压。

3.3.2  PID及分段电压试验

系统对浇注过程的控制采用PID控制原理。PID是闭环控制，因此要实现PID算法，必须在硬件上具有闭环控制，就是得有反馈。系统中的反馈信号为注入铜模中铜水的实时重量，浇注过程中，系统会根据浇注铜水实时重量与系统设定工艺值进行比较，计算出误差大小，计算单阳极浇注时间，修正浇注过程的启动电压、加速电压、匀速电压、减速电压，以实现浇注满足要求。

系统结合实际工艺，编制控制程序，通过各阶段电压不同值进行试验，得出浇注精度及速度数据，然后根据试验数据修定控制参数，实现整个浇注过程高精度和速度的实现。如表表1所示根据实际工艺设定值为270Kg时的模拟实验数据。

表1 设定分段电压模拟浇注精度及速度

设定值为270Kg每组参数浇注阳极数量200块
启动电压（V）	<3	3.5	4	4	4	4	4.5	4.5	5.5	5.5	6<
加速电压（V）	2	1.5	1.6	1	1	1.2	1.5	0.8	1	1.5	1
匀速电压（V）	1	0.8	0.8	1.55	1.5	0.6	0.7	0.8	0.8	0.8	0.5
减速电压（V）	1	1	0.5	0.5	0.5	0.8	0.8	0.5	0.5	0.5	0.5
质量误差在要求范围内块数	165	189	185	178	191	195	198	190	186	181	155
最大误差（绝对值）Kg	31	50	17	10	13	6	9	8	11	25	10
阳极浇注平均速度S	>50	45	41	41	41	38	36	37	35	31	30
浇注喷洒	无	无	较大	较大	较小	无	无	无	较小	较大	极大

3.3.3  浇注控制设计

由分段电压模拟实验数据可知，当启动电压小于4V时，浇注精度与速度不能同时满足工艺要求，当启动电压大于5.5V时，浇注过程有大量高温铜水喷洒至母模外，造成安全隐患；加速电压大于1.5V时，需要调整匀速电压，导致卷边，过低时会降低浇注速度；匀速电压过高时影响卷边，过低降低浇注速度；减速电压过大会影响浇注精度。综合浇注精度及速度得出四段电压范围，启动4~5.5V，加速0.8~1.5V,匀速0.5~1V，减速<0.5V。所编制控制程序各段电压范围均在此实验所得范围内。[7]

4 系统功能及实现

4.1 系统功能及网络

系统实现了工程师站对控制系统的维护及参数修改，操作站对现场各设备实时控制，浇注曲线与工艺要求相吻合。各设备数据与生产数据上传至总厂生产数据系统，也可由打印机打印以供生产及管理人员决策参考。

4.2 浇注实现及曲线

系统在投入使用两年来，在浇注给定设定值阳极板的过程中，通过对单块阳极浇注曲线及一定数量所浇注阳极板实际重量数据进行误差分析，其浇注误差控制在±2KG之间，浇注时间35~41S/块阳极板，达到了工艺要求。Fig.4，设定值为270Kg时的实时浇注曲线。

Fig.4，实时浇注曲线

结论

该系统实现了铜阳极定量浇注控制系统的国产化，控制精度±2KG之间，速度达到了浇注时间35~41S/块阳极板，远远超出了工艺要求的阳极板浇注时间为35~45S，浇注精度为±5KG之间。但与与奥托昆普浇注系统控制精度±1KG之间，速度达到了浇注时间30~38S/块阳极板，还有一定的差距，也是后续要提高的地方。

参考文献

[1]  孙中义，阳极铜定量浇铸工艺概述 [J],中国高新技术企业2015,29：90-91.

[2]  普宗祥.大极板铜阳极准备机组的国产化[J]，有色冶金设计与研究,2013.34(1): 31-33

[3]  王勇，基于罗克韦尔PLC的倾动炉铜冶炼监控系统的实现[J],中国有色冶金，2012,6:37-40.

[4] 董彬. 罗克韦尔主干网由CrmlrolNet网改为以太网[J], 水泥工程，2014. 06-58-03:58-60 .

[5]  郭年琴,林通,戚振昆等.铜圆盘浇铸机传动系统参数优化与动力学仿真[J]，计算机应用技术,2016，36(11):1151-1154.

[6] 蒋朝辉，刘昕.圆盘浇铸机浇铸包动态浇铸过程数值模拟[J],有色冶金设计与研究，2016，37(3):8-10.

[7]  张莉.阳极铜定量浇铸的流量PID控制[J],电子制作,2014.23:025..

第一作者：张义悦，1981.6，男，河南省，固始县，硕士研究生，高级工程师，主要从事工业控制与自动化的研究。

通讯作者：张义悦

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