M28圆盘浇铸机自主改造的研究与应用

贵溪冶炼厂熔炼车间一系统阳极炉28模圆盘浇铸机属二期设备，95年从国外引进，每小时设计浇铸能力85T。该系统为双包浇铸，是先进的自动浇铸系统。且浇铸出的阳极板计量精确，形状和表面状况良好。
2、升级改造原因
但由于设备使用的时间较长，目前全部专用电气备件都已停产。M28圆盘浇铸机由芬兰奥托昆普公司生产，该公司出于商业等利益考虑，控制器、变频器等电气备件采用专有硬件实现，属于技术垄断专用设备，出现故障时只能向原厂采购，请外方专家解决。随着使用年限的增加，奥托昆普公司的系统数次升级，其中单个部件全部停止生产，市场亦无相同型号或可替代的产品，已经给维修带来了极大的被动局面。如果不及时采取相应的应对措施，势必会造成失控状态，对生产的连续性和稳定性构成威胁。根据奥托昆普公司专家建议，我们必须更换升级整个电气控制系统，升级费用达200万元（人民币）。即使升级，日后的设备维护和备件采购还是完全受制于该公司。
基于以上情况，2010年贵溪冶炼厂成立研发小组，对电气控制系统进行国产化改造，用通用器件替代专有设备，打破该公司的技术垄断。我们通过对原系统深入研究和分析，采用市场上通用器件如可编程控制器PLC、国产电子秤等，通过软件编程方式，不但完全模拟实现原有控制器的功能，而且增加了生产车间定制功能，非常实用。
3 工艺与设备组成
3.1 阳极浇铸工艺过程
圆盘浇铸机在铜冶炼工艺中的主要作用，是将阳极炉熔融铜浇铸成重量规格一致的阳极板，然后送电解车间电解。由于阳极板的好坏直接影响电解铜的质量，所以浇铸控制显得非常重要。[1]
液态铜从阳极炉出铜口流出，经流槽后流入中间包，待中间包内达到一定量的铜液时，便开始往放在电子称上的浇铸包灌注铜液，当浇铸包内的铜水达到设定重量时，中间包自动返回，并开始向另一侧的浇铸包注入铜液。待圆盘上的空模到达浇铸位置后，浇铸包开始按设定程序向铜模内浇铸铜液，当注入量达到所设定阳极板的单重时，浇铸包停止浇铸。然后圆盘转动，浇满铜液的铜模进入喷淋冷却区进行冷却，中间包和浇铸包重复上一次动作。在喷淋冷却区内，尚未凝固的阳极板得到强制冷却，铜模也得到均匀的冷却。随后，阳极板被转至预顶起位置，顶起油缸动作，阳极板被顶起。阳极板被继续转至提取机位置，阳极板被再次顶起，提取机将阳极板从圆盘内取出运到冷却水槽中进一步冷却。待水槽内的阳极板成垛累计达到设定数量后，冷却水槽内的链式运输机将整垛阳极板送到冷却水槽后端，由堆垛提升机将整垛阳极板提升起，再用叉车叉运至堆场。当模内的阳极板被提走后，空模继续转至喷涂区，喷涂装置将空模喷上一层脱模剂，然后再进入浇铸位置进行浇铸。如此循环往复作业，直至浇铸结束。
3.2设备组成
（1）一个浇铸系统：1个中间包、2个浇铸包、2台电子秤。
（2）一个圆盘系统：28个铸模、1个圆盘、1个驱动机构。
（3）提取系统：3套提取机、3个水槽。
（4）冷却系统：12个喷淋罩、24个喷淋阀。
（5）控制系统：1套PLC、2个单板计算机。
（6）上位机监控系统：1套工控机、2个触摸屏。
3.3技术参数
（1）浇铸时间               12～14秒
（2）电子秤的计量精度       ＜±1%
（3）浇铸速度                75-85吨/小时
（4）圆盘直径               16600mm
（5）圆盘重量                200吨
（6）铸模数                  28个
（7）物理规格合格率要求      98%以上
2 原控制系统的组成与存在的问题
2.1原控制系统的组成
    原控制系统由三个控制器组成，一套欧姆龙CV500系列PLC，2套摩托罗拉单板计算机。PLC控制除浇铸以外的所有部件。1套单板机控制一个浇铸包的浇铸。PLC的运行信号通过一台上位机监控，上位机软件为7.11版INTOUCH，通过串口方式通讯。上位机的电脑为普通电脑，显示器为CRT显示器，输入靠键盘和鼠标实现。每台单板计算机都与一台proface触摸屏连接，通过RS485通讯。proface触摸屏用于调整浇铸参数和显示重量信息。
2.1原控制系统存在的问题
上位机软件7.11版的INTOUCH和欧姆龙CV500淘汰产品，运行速度慢且市场难于买到备件。
上位监控的显示器12英寸CRT显示器，体积大，显示界面小，界面不清晰。
上位机电脑为九十年代生产的PC电脑，运行速度慢，发热较大，故障较高。用鼠标键盘操作，操作麻烦。
浇铸单板计算机是实现定量浇铸的控制器，是专有硬件，属于技术垄断专用设备，不对外提供控制程序。出现故障时只能向原厂方采购，请外方专家解决或整套更换，费用极高，且已经停产，不得不升级改造。
浇铸电子秤，是计量铜水重量，实现定量浇铸的装置。秤体采用单传感器，杠杆结构。结构复杂，机械精度要求高，对现场环境要求高，故障率高。信号处理装置为单块电路板。校秤依靠多次改变电路板跳线的连接方式，较秤过程复杂，时间长，劳动强度大，无法在线监控。
3 控制系统国产化改造的技术原理与方案
3.1上位机软件升级
原上位机软件为7.11版INTOUCH，选用最新版本的10.1版本INTOUCH软件。用10.1版本软件打开7.11版程序，系统将直接转换成10.1程序，转换完成后，直接可以打开和运行。
通讯方式由串口方式改为以太网通讯方式。Intouch通讯软件IOSEVER 改为DASEVER。原有标记名字典下的项目名称按照DASEVER文档要求进行修改。访问名的通讯协议改造DASEVER协议。通过路由器连接，系统组成一个以太网网络，设置好各自的IP地址，intouch便可以和PLC进行通讯。
3.2 PLC升级改造
    原系统为CV500系列PLC，将程序用CX-programmer软件直接转换成CS1系列PLC程序。由于两个系列PLC的用法存在很多不一致的地方，程序转换后，会有报警提示。根据两个系列的用法和工艺要求，将报警的程序删除，重新编写，实现原有功能。
 硬件上，CV500系列PLC型号换成CS1系列PLC CPU型号，模块选用上输入输出点数两个完全一致，这样保证接线方式不需要做大的改变，地址也不需要改动。更换全套PLC元器件。原有欧姆龙CV500系列PLC废除，采用欧姆龙最高系列的CS1系列PLC：CPU为 CS1H-67H ，输入模块为CS1W-ID261 4块,输出模块为CS1W-OD261 2块,模拟量输入模块为AD041 1块,模拟量输出模块为DA041-V1 1块。更换所有淘汰落后的元件。见表一，PLC硬件对照表。

	CPU	数字量输入模块	数字量输出模块	模拟量输入模块	模拟量输出模块	通讯模块
原硬件配置	CV500	C500-ID213	C500-OD213	无	无	无
现硬件配置	CS1H-67H	CS1W -ID261	CS1W -OD261	CS1W-DA041	CS1W-DA041	CS1W-ETN21

3.3 浇铸控制单元升级改造
由于控制浇铸系统的2台单板计算机为专用器件，存在技术保密，无法按原有模式改造升级，不得不废除。根据工艺条件，通过编写新的PLC程序，模拟原单板计算机的功能，实现浇铸系统的控制。将接入原单板计算机的连接线，改接入PLC上。通过PLC程序控制完全实现单板计算机功能。
原定量浇铸系统（电子秤、单板计算机电气控制系统、报表打印系统、上位监控操作系统及液压组件）由奥托昆普成套引进。在不考虑现场电气元件、液压组件及其它机械结构发生变化的前提下，弃用原单板计算机电气控制系统，整体逻辑打包在PLC内，电子秤应变电阻3T传感器4-20mv电压经专业电子秤仪表输出4-20mA标准信号提供给PLC。
废除2台Proface浇铸触摸屏，配置新的工控机替代触摸屏，编写Intouch程序，实现浇铸的参数设置与监控。每个浇铸单元有独立监视功能，用INTOUCH程序制作和原触摸屏完全一致的画面，监视每块阳极板的数据。
把复杂的硬件电路变成程序控制。彻底摆脱外方单板计算机的技术封锁带来的被动。编写25698条PLC控制程序，实现PLC程序对浇铸系统的动态控制。由于高温1120℃的铜水，要浇铸成重量398kg的阳极板，而且要求阳极板重量偏差不大于1%，板面平整，没有飞边毛刺。这就要求控制精度极高，系统能自动完成在各种环境下的自动调节。
浇铸速度由浇铸包油缸倾转角度来实现，浇铸包油缸的倾转又由其伺服阀电压V控制。intouch触摸屏上设置好浇铸包伺服阀电压V，PLC根据阳极板浇铸的重量，自动调整比例阀电压，当某个重量区间内，铜水流量较大时，将该重量区间的伺服阀电压适当减小。反之，铜水流量较小时，伺服阀电压适当增大。调整完后，系统每次将按照设定的曲线运行。如图一、伺服阀电压与阳极板重量变化的关系。浇铸包需要快速启动，伺服阀电压高，倾转速度较快。当铜水流出，阳极板重量增加，系统自动降低伺服阀电压，倾转速度逐步减小。阳极板增加至200Kg左右时，倾转速度稳定在一个极小的状态。直至阳极板重量达到360kg左右，浇铸包逐步返回，靠铜水余量补充剩余量38Kg，流量终止后，阳极板重量正好达到398Kg标准重量。伺服阀电压控制着铜水流量。铜水流量直接影响阳极板物理规格合格率。铜水流量必须控制在一个均衡、稳定状态，流量大容易产生飞边、毛刺，流量小，容易产生冷铜粘接。通过PLC程序的动态控制达到伺服阀自动调整流量，实现流量的均衡与稳定，保证物理规格的合格率与重量标准，是该系统最关键最核心技术。如图二，铜水流量与时间的函数关系。
 

图一、伺服阀电压与阳极板重量的关系


图二、铜水流量与时间的关系
 
3.4 浇铸电子秤的升级改造
定量浇铸装置可以将其简单划分为称量装置和浇铸装置。称量装置即电子秤。整个浇铸包的重量通过三个点作用于称上，然后通过支撑连杆传递至传感器。整个浇铸系统是由液压系统控制的[1]。
被称量的物体置于秤台上，在重力的作用下，电子秤的一个3T称重传感器应变片产生形变，使粘贴于弹性体应力梁上的电阻应变计桥路失去平衡，输出与重量数据成比例的电压信号，该信号进入称重信号处理电路板，经线性放大，由单板计算机对重量信号处理后直接在称重仪表显示重量数据并存储。该电子秤的测量精度为0.01kg。秤体采用单传感器，杠杆机构，结构复杂，国内无法生产该结构类型的电子秤。根据工艺要求自主研制一台外形尺寸和功能完全一样的电子秤。结构上采用四传感器方式，秤体重量承受在四个传感器之上，结构上相对简单。
原有称重信号处理电路板（Weight transmitter pr 1590/00）也无相关备件选用，选用国产专用电子秤仪表替代。将传感器电缆接入电子秤仪表，电子秤仪表输出标准的4-20mA。实现了信号的处理。较秤过程大大简化，在操作界面上标定好零点和满量程重量，便可完成电子秤的校验，操作过程只需5分钟，快捷、直观。
PLC接受到电子秤的模拟量信号后，经过动态计算，自动控制浇铸速度和自动控制每一块阳极板的重量，最终实现定量浇铸。
4 新旧系统硬件逻辑关系对照
原有系统的三个控制单元（1台PLC+2个浇铸单板计算机）变为一个控制单元（1台PLC）。控制程序集中在一台PLC中，完全取代了三个控制单元的模式。
监控系统由三个人机界面（1个intouch人机界面+2个proface触摸屏）变为两个人机界面（2个intouch人机界面）。硬件结构上大大简化。
复杂的多个RS232和RS485串口通讯，变为一个以太网通讯，通讯速度提高，通讯单元简化。见图二、图三。
 
 
 
 

                                                                                                                                                                  图三、原控制系统硬件逻辑关系
 
 



                                                                                                                             图四、现控制系统硬件逻辑关系
 
5 新旧系统操作方面比较
  新的控制系统虽然硬件和软件完全不一样，但完全按照原有模式，模拟研发。所有工艺操作习惯和原系统一致。操作人员无需培训便能进行生产操作。以前的键盘操作，变为触摸操作，操作较之前更加快捷。
6、改造效果
6.1新系统改造后第一次生产出铜，便能浇铸出合格阳极板。
6.2 99%的阳极板重量偏差都在+/-1Kg以内，100%阳极板重量都在+/-3Kg以内，阳极板表面平整，无飞边毛刺，物理规格合格率98.5%以上，比以前提高0.5%。
6.3硬件上的简化，故障率减低50%以上，出现故障不再依靠外方专家，任何故障都能自主快速排除，故障解决时间大大缩短。
6.4系统的升级改造，自主掌握了核心技术，摆脱了外方技术封锁，备件采购快捷，费用低，每年节约备件费用上100万元。
6.5系统的升级改造，系统浇铸速度得到提升，浇铸速度提升5吨/小时，最高达到90吨/小时。
7  结语
系统的自主研发升级改造，核心技术得以掌控。设备维护简单，故障率低，操作更简便。改造后的系统从2011年11月运行至今，一年半时间，运行稳定可靠，从未发生一起设备故障而造成停机，终止浇铸现象。M28圆盘国产化改造的成功不但打破国外公司对M28圆盘浇铸机技术垄断，节约了系统升级维护费用，同时也提升了我厂冶金设备的技术装备实力。在国内外同类产品的升级改造中，具有推广价值。
  参考文献：
[1] 黄奇志.提高圆盘浇铸机阳极铜板质量的探讨[J].有色冶炼.2002年8月第4期：42-44；
[2] 方勇.圆盘浇铸机的设计特点及其维护.铜业工程[J].2004，NO.3 29-31；