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摘要：为了实现铜阳极板自动定量浇铸，提高铜模寿命，降低各项引进费用，提高后续维护维修及培训质量，特结合实际工艺，利用现有设备，借鉴国内外先进技术与经验，研究基于Profibus-DP及AB_PLC的阳极板自动定量浇铸控制系统。实验并建立模型，设计以铜模温度作为控制参数控制喷淋冷却系统和BaSO4喷涂系统，使铜模温度控制在有利于提高铜模寿命的范围。绘制基于实验、生产的浇铸曲线，建立自动定量浇铸模型，编制程序实现自动定量浇铸。
关键词：Profibus-DP；自动定量浇铸；模温
引言
为了满足电解艾萨炉对阳极板的特殊要求，即阳极板耳朵对称、板面平整光滑、厚度均匀、重量误差在要求范围之类，必须全面改变阳极板全人工手动浇铸的局面，实现铜阳极板的自动定量浇铸，并提高铜模使用寿命，同时也结合实际，降低成本和费用。国外先进铜冶炼企业早已实现了浇铸过程的自动化，近年来，国内其他各有色金属冶炼企业也在探索和引进。由于引进成本太高，我们也必须结合自身的现状，探索设计并应用属于自己的铜阳极板自动定量浇铸系统。
1.部门铜阳极板浇铸现状
1.1铜阳极板浇铸工艺
当液态铜精炼完成后，铜水溜槽流到中间包，中间包倾倒浇铸包，再由人工或机器控制浇铸包向阳极板铜模中注入形成阳极板，之后进入冷却、取板，最后送往电解。
1.2铜阳极板浇铸技术设备现状
部门铜阳极板的浇铸由人工浇铸和自动定量浇铸两种方式。
1.2.1 人工浇铸
铜水注入浇铸包后，由工人凭借工人观察和经验，手动控制注入铜模中的铜水量，制圆盘、中间包、浇铸包、冷却喷淋系统、喷涂系统、废板系统、取板系统等都是人工操作。铜水注入量、冷却水流量、BaSO4与水的混合体喷出量都是随机的，而且经常出现工人涂模前开阀门直接冷水冲铜模，对铜模损害太大，以至于铜模寿命都很低，更比低于同行业平均水平。
1.2.2 自动定量浇铸机浇铸
自动定量浇铸机有全引进进口的奥托昆普浇铸机和刚刚自主研发的自动浇铸机。奥托昆普浇铸机成本太高，所以剩余的浇铸机都引进不现实；自主研发浇铸机在电气控制方面使用太多的继电器，电缆耗费量太大，成本较高，维护、维修和培训维修人员困难，而且也没有奥托昆普那套实时监控铜模温度，并将铜模温度作为控制参数参与冷却喷淋系统和喷涂系统，铜模寿命比原装奥托昆普浇铸机上使用的铜模寿命低了很多。以上缺陷，导致此项技术在部门内部个冶炼厂推广难度较大，更不利于走向国内和国际市场。
1.3 小结
鉴于以上实际情况，研究先进自动定量浇铸机非常紧迫。
2.基于Profibus-DP及AB_PLC的阳极板定量浇铸机控制系统
基于Profibus-DP及AB_PLC的阳极板定量浇铸机控制系统，利用高速（数据传输速率9.6Kbps/s～12Mbps）、经济的设备级网络Profibus-DP，将现场分散的I/O设备间与AB可编程控制器连接，实现控制器对现场设备的控制和通讯。系统可以大大节省中间继电器和电缆用量， 能满足交直流调速系统快速响应的时间要求，极大地降低了维护维修成本，便于故障查找，更利于对维修人员的技能培训。
2.1 Profibus-DP简述
Profibus DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信。使用Profibus DP可取代24VDC或4—20mA信号传输。Profibus DP现场总线技术的存取控制方式有两种。
1、主-从式总线控制，DP主站与DP从站之间通讯遵从主-从原理。主站具有总线控制权，周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息，而总线上的DP 从站仅仅是对主站作有关应答或响应。
2、Profibus DP混合总线存取控制方式。
混合的总线存取控制机制可实现主动节点（如PLC、PC等）间通信的令牌传递程序和用于主动站（如PLC）与被动站（从PLC等）问通信的集中的主-从程序。当一个主动节点公用PLC (总线站)获得了令牌，它就行使主站功能并在总线上与其它从站进行通信。在总线上的报文交换是用节点编址的方法来组织的，每个Profibus节点有一个地址，而且此地址在整个总线上是唯一的。在一个总线内，最大可使用的站地址范围是在0到126之间，最多可有127个节点。
2.2自动定量浇铸控制系统组成
铜阳极板自动定量浇铸系统包括以下子系统：
1、圆盘控制子系统，由电机驱动圆盘进行正反转转动，把圆盘上放置的阳极板母模转到浇铸位，其转动控制分为凸轮控制和旋转编码器控制；2、自动涂膜系统，根据铜模温度，决定BaSO4水合物喷向铜模的流量大小，再由此流量值控制喷涂控制阀打开的开度的门，以保证在阳极板浇铸后起模顺利；3、自动冷却喷淋系统，当铜模注入铜水，且进入冷却装置中，上下冷却水从铜模的上下两方分别喷香未冷却的阳极板及其铜模下方，实现冷却。可编程控制器根据浇铸包中铜水温度和圆盘铜模温度的平均值，控制上下冷却支管分别打开的个数，而这一步对提高铜模的寿命至关重要；4、自动称重浇铸系统，可编程控制器按控制逻辑和浇铸曲线控制中间包、浇铸包的倾动，向铜模中注入铜水，根据设定值和实时称重数据停止浇铸，动力为液压装置驱动；5、顶板系统，将阳极板顶起脱离母模，以便捞板机取板，由液压装置驱动，并由上下限位将其位置信号传到控制系统；6、气动捞板机系统，将阳极板从母模中取走并投入冷却水槽中冷却，由10公斤气源驱动；7、阳极板收集装置，水槽、链条传动装置和阳极束举升装置；8、液压控制系统，主要控制液压泵的启停、保护。
2.3 自动定量浇铸控制系统软硬件组成
2.3.1系统硬件
ControlLogix I/O模拟输入输出模块，RIF 1769模块具有PROFIBUS总线接口Profibus DP，控制网模块1756-CNBR，CPU1756-L61，电源，触摸屏等相关器件。
2.3.2 系统软件
系统软件由以下几各部分组成：WINDOWSXP操作系统，工程师站用 RSView32 Works 1500 with RSLinx(中文版)上位监控软件，操作站触摸屏系统采用罗克韦尔部门的RSView Studio for Machine Edition上位监控软件，各设备控制站采用罗克韦尔部门的ControlLogix系列冗余PLC和编程软件RSLogix 5000 Standard.
2.4 控制系统主功能
整个控制系统由操作站、工程师站和打印机。操作站操作现场设备动作，工程师站则对现场设备参数设置以及网路配置等工作，各设备数据与生产数据由打印机打印以供管理人员决策参考。
2.4.1 系统流程图
自动定量浇铸流程图如图1
图1 自动定量浇铸流程图
2.4.2 浇铸模型
浇铸模型，也即浇铸模型，就是铜水流速随浇铸包的比例阀控制电压变化的曲线，一般表示为同一浇铸周期（即浇铸一块阳极板期间）内，比例阀控制电压随时间变化的曲线，对应一定的铜水流速随同浇铸周期内随时间变化的曲线。
在铜水由浇铸包往阳极板母模注入过程中，称重装置从浇铸包倾动瞬间开始进行动态称重，称重数据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铸过程中浇铸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，根据浇铸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铸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，继而决定了浇铸包的动作，从而达到了控制浇铸铜水流速。
2.4.3 铜模温度控制
通过长期实际生产实验，建立有利于提高铜模寿命的最佳模温控制模型。原理为，根据浇铸包铜水温度和取板后的铜模温度，找出铜模温度与浇铸包铜水温度及冷却喷淋水流量的关系，建立模型，并编制程序，最终实现铜模温度的有效控制，提高铜模寿命。
3.基于Profibus-DP及AB_PLC的阳极板定量浇铸机控制系统通信
整个控制系统通信主要是工作站、操作站与PLC之间通信以及Profibus-DP及AB_PLC之间的通信。
3.1 RIF 1769-DPS
RIF 1769模块具有PROFIBUS总线接口，模块本身支持I/O控制和报文传输，具有从站模块RIF 1769-DPS，有主站模块RIF 1769-DPM，而作为从站模块，提供GSD文件，可很方便集成到任何PROFIBUS主站网络中，模块上旋转开关设置站址，实现与主站连接。主站模块RIF 1769-DPM则赫优讯部门配置工具SyCon，实现PROFIBUS网络信息配置，配套诊断电缆，将配置信息保存至板卡Flash中。
3.2 Profibus-DP与AB可编程控制器通讯实现
通讯系统由Compact Logix L35E、RIF 1769-DPS、PROFIBUS电缆、CPU 315-2DP构成，具体硬件结构图如图2所示，Siemens CPU 315-2DP作为DP主站，总线址为2，STEP7进行PROFIBUS网络配置， RIF 1769-DPS作为 DP从站，总线址为8（址可拨码开关自行修改）；RSLogix 5000进行赫优讯RIF 1769-DPS模块加载，并编写部分程序，实现数据交换。RIF 1769，其中实现过程大体分为两部分，包括RSLogix 5000实现RIF 1769-DPS模块加载和配置，以及进行PROFIBUS组网和配置。
3.3 系统网络
整个控制系统中操作站和工程师站均由交换机通过Ethernet网络和PLC进行通信，而PLC通过Profibus-DP现场总线进行实时通信，并控制现场设备和实时监控各设备参数。系统网络图如图2。
图2 系统网络图如
4.结论
基于Profibus-DP及AB_PLC的阳极板定量浇铸机控制系统的实现，不但实现了阳极板自动定量浇铸，而且保证了阳极板质量，满足了生产工艺要求，大大减少了劳动力，降低了日常维护维修难度及成本，最重要的是极大的提高了铜模寿命，增强了分厂技术水平，为以后很好地打入国内国际市场奠定了坚实的基础。但还存在很多不足之处，如还没有能够在整个系统中实现浇铸现场实时图像监控等。
参考文献：
［1］许并社 李照明，铜冶炼工艺，化学工业出版社。
［2］邓李 编著，ControlLogix系统实用手册，机械工业出版社。
［3］罗红福 等编著, PROFIBUS-DP现场总线工程应用实例解析,中国电力出版社,2008-9-1。
关键词：Profibus-DP；自动定量浇铸；模温
引言
为了满足电解艾萨炉对阳极板的特殊要求，即阳极板耳朵对称、板面平整光滑、厚度均匀、重量误差在要求范围之类，必须全面改变阳极板全人工手动浇铸的局面，实现铜阳极板的自动定量浇铸，并提高铜模使用寿命，同时也结合实际，降低成本和费用。国外先进铜冶炼企业早已实现了浇铸过程的自动化，近年来，国内其他各有色金属冶炼企业也在探索和引进。由于引进成本太高，我们也必须结合自身的现状，探索设计并应用属于自己的铜阳极板自动定量浇铸系统。
1.部门铜阳极板浇铸现状
1.1铜阳极板浇铸工艺
当液态铜精炼完成后，铜水溜槽流到中间包，中间包倾倒浇铸包，再由人工或机器控制浇铸包向阳极板铜模中注入形成阳极板，之后进入冷却、取板，最后送往电解。
1.2铜阳极板浇铸技术设备现状
部门铜阳极板的浇铸由人工浇铸和自动定量浇铸两种方式。
1.2.1 人工浇铸
铜水注入浇铸包后，由工人凭借工人观察和经验，手动控制注入铜模中的铜水量，制圆盘、中间包、浇铸包、冷却喷淋系统、喷涂系统、废板系统、取板系统等都是人工操作。铜水注入量、冷却水流量、BaSO4与水的混合体喷出量都是随机的，而且经常出现工人涂模前开阀门直接冷水冲铜模，对铜模损害太大，以至于铜模寿命都很低，更比低于同行业平均水平。
1.2.2 自动定量浇铸机浇铸
自动定量浇铸机有全引进进口的奥托昆普浇铸机和刚刚自主研发的自动浇铸机。奥托昆普浇铸机成本太高，所以剩余的浇铸机都引进不现实；自主研发浇铸机在电气控制方面使用太多的继电器，电缆耗费量太大，成本较高，维护、维修和培训维修人员困难，而且也没有奥托昆普那套实时监控铜模温度，并将铜模温度作为控制参数参与冷却喷淋系统和喷涂系统，铜模寿命比原装奥托昆普浇铸机上使用的铜模寿命低了很多。以上缺陷，导致此项技术在部门内部个冶炼厂推广难度较大，更不利于走向国内和国际市场。
1.3 小结
鉴于以上实际情况，研究先进自动定量浇铸机非常紧迫。
2.基于Profibus-DP及AB_PLC的阳极板定量浇铸机控制系统
基于Profibus-DP及AB_PLC的阳极板定量浇铸机控制系统，利用高速（数据传输速率9.6Kbps/s～12Mbps）、经济的设备级网络Profibus-DP，将现场分散的I/O设备间与AB可编程控制器连接，实现控制器对现场设备的控制和通讯。系统可以大大节省中间继电器和电缆用量， 能满足交直流调速系统快速响应的时间要求，极大地降低了维护维修成本，便于故障查找，更利于对维修人员的技能培训。
2.1 Profibus-DP简述
Profibus DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信。使用Profibus DP可取代24VDC或4—20mA信号传输。Profibus DP现场总线技术的存取控制方式有两种。
1、主-从式总线控制，DP主站与DP从站之间通讯遵从主-从原理。主站具有总线控制权，周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息，而总线上的DP 从站仅仅是对主站作有关应答或响应。
2、Profibus DP混合总线存取控制方式。
混合的总线存取控制机制可实现主动节点（如PLC、PC等）间通信的令牌传递程序和用于主动站（如PLC）与被动站（从PLC等）问通信的集中的主-从程序。当一个主动节点公用PLC (总线站)获得了令牌，它就行使主站功能并在总线上与其它从站进行通信。在总线上的报文交换是用节点编址的方法来组织的，每个Profibus节点有一个地址，而且此地址在整个总线上是唯一的。在一个总线内，最大可使用的站地址范围是在0到126之间，最多可有127个节点。
2.2自动定量浇铸控制系统组成
铜阳极板自动定量浇铸系统包括以下子系统：
1、圆盘控制子系统，由电机驱动圆盘进行正反转转动，把圆盘上放置的阳极板母模转到浇铸位，其转动控制分为凸轮控制和旋转编码器控制；2、自动涂膜系统，根据铜模温度，决定BaSO4水合物喷向铜模的流量大小，再由此流量值控制喷涂控制阀打开的开度的门，以保证在阳极板浇铸后起模顺利；3、自动冷却喷淋系统，当铜模注入铜水，且进入冷却装置中，上下冷却水从铜模的上下两方分别喷香未冷却的阳极板及其铜模下方，实现冷却。可编程控制器根据浇铸包中铜水温度和圆盘铜模温度的平均值，控制上下冷却支管分别打开的个数，而这一步对提高铜模的寿命至关重要；4、自动称重浇铸系统，可编程控制器按控制逻辑和浇铸曲线控制中间包、浇铸包的倾动，向铜模中注入铜水，根据设定值和实时称重数据停止浇铸，动力为液压装置驱动；5、顶板系统，将阳极板顶起脱离母模，以便捞板机取板，由液压装置驱动，并由上下限位将其位置信号传到控制系统；6、气动捞板机系统，将阳极板从母模中取走并投入冷却水槽中冷却，由10公斤气源驱动；7、阳极板收集装置，水槽、链条传动装置和阳极束举升装置；8、液压控制系统，主要控制液压泵的启停、保护。
2.3 自动定量浇铸控制系统软硬件组成
2.3.1系统硬件
ControlLogix I/O模拟输入输出模块，RIF 1769模块具有PROFIBUS总线接口Profibus DP，控制网模块1756-CNBR，CPU1756-L61，电源，触摸屏等相关器件。
2.3.2 系统软件
系统软件由以下几各部分组成：WINDOWSXP操作系统，工程师站用 RSView32 Works 1500 with RSLinx(中文版)上位监控软件，操作站触摸屏系统采用罗克韦尔部门的RSView Studio for Machine Edition上位监控软件，各设备控制站采用罗克韦尔部门的ControlLogix系列冗余PLC和编程软件RSLogix 5000 Standard.
2.4 控制系统主功能
整个控制系统由操作站、工程师站和打印机。操作站操作现场设备动作，工程师站则对现场设备参数设置以及网路配置等工作，各设备数据与生产数据由打印机打印以供管理人员决策参考。
2.4.1 系统流程图
自动定量浇铸流程图如图1
图1 自动定量浇铸流程图
2.4.2 浇铸模型
浇铸模型，也即浇铸模型，就是铜水流速随浇铸包的比例阀控制电压变化的曲线，一般表示为同一浇铸周期（即浇铸一块阳极板期间）内，比例阀控制电压随时间变化的曲线，对应一定的铜水流速随同浇铸周期内随时间变化的曲线。
在铜水由浇铸包往阳极板母模注入过程中，称重装置从浇铸包倾动瞬间开始进行动态称重，称重数据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铸过程中浇铸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，根据浇铸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铸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，继而决定了浇铸包的动作，从而达到了控制浇铸铜水流速。
2.4.3 铜模温度控制
通过长期实际生产实验，建立有利于提高铜模寿命的最佳模温控制模型。原理为，根据浇铸包铜水温度和取板后的铜模温度，找出铜模温度与浇铸包铜水温度及冷却喷淋水流量的关系，建立模型，并编制程序，最终实现铜模温度的有效控制，提高铜模寿命。
3.基于Profibus-DP及AB_PLC的阳极板定量浇铸机控制系统通信
整个控制系统通信主要是工作站、操作站与PLC之间通信以及Profibus-DP及AB_PLC之间的通信。
3.1 RIF 1769-DPS
RIF 1769模块具有PROFIBUS总线接口，模块本身支持I/O控制和报文传输，具有从站模块RIF 1769-DPS，有主站模块RIF 1769-DPM，而作为从站模块，提供GSD文件，可很方便集成到任何PROFIBUS主站网络中，模块上旋转开关设置站址，实现与主站连接。主站模块RIF 1769-DPM则赫优讯部门配置工具SyCon，实现PROFIBUS网络信息配置，配套诊断电缆，将配置信息保存至板卡Flash中。
3.2 Profibus-DP与AB可编程控制器通讯实现
通讯系统由Compact Logix L35E、RIF 1769-DPS、PROFIBUS电缆、CPU 315-2DP构成，具体硬件结构图如图2所示，Siemens CPU 315-2DP作为DP主站，总线址为2，STEP7进行PROFIBUS网络配置， RIF 1769-DPS作为 DP从站，总线址为8（址可拨码开关自行修改）；RSLogix 5000进行赫优讯RIF 1769-DPS模块加载，并编写部分程序，实现数据交换。RIF 1769，其中实现过程大体分为两部分，包括RSLogix 5000实现RIF 1769-DPS模块加载和配置，以及进行PROFIBUS组网和配置。
3.3 系统网络
整个控制系统中操作站和工程师站均由交换机通过Ethernet网络和PLC进行通信，而PLC通过Profibus-DP现场总线进行实时通信，并控制现场设备和实时监控各设备参数。系统网络图如图2。
图2 系统网络图如
4.结论
基于Profibus-DP及AB_PLC的阳极板定量浇铸机控制系统的实现，不但实现了阳极板自动定量浇铸，而且保证了阳极板质量，满足了生产工艺要求，大大减少了劳动力，降低了日常维护维修难度及成本，最重要的是极大的提高了铜模寿命，增强了分厂技术水平，为以后很好地打入国内国际市场奠定了坚实的基础。但还存在很多不足之处，如还没有能够在整个系统中实现浇铸现场实时图像监控等。
参考文献：
［1］许并社 李照明，铜冶炼工艺，化学工业出版社。
［2］邓李 编著，ControlLogix系统实用手册，机械工业出版社。
［3］罗红福 等编著, PROFIBUS-DP现场总线工程应用实例解析,中国电力出版社,2008-9-1。