（机械工程专业论文）电解铝气幕铸造机计算机控制系统研发.pdf

擘上 ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g d e v e l o p m e n t o ft h ec o m p u t e r i z a t i o n c o n t r o ls y s t e mf o rt h em o l t e na l u m i n u m g a sc u r t a i nc a s t i n gm a c h i n e b y l ih o n g s u t p r o f e s s o rs o n gw e i g a n g s u p e r v l s o r p r o f e s s o r8 0 n gw e l k a n g n o r t h e a s t e mu n i v e r s i t y o c t o b e r2 0 0 7 上 、 独创性声明 论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他 人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使 用过的材料。其他对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 本论文数据及结果带有保密性质，不希望未受权的人在其它地方 公开查阅或使用，否则保留法律追究的权利! 本人签名：荟虹 日 期： a 卯7 ，汶 t 口 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： _1j 工 善 东北大学硕士学位论文摘要 电解铝气幕铸造机计算机控制系统开发 摘要 电解铝气幕铸造机是中国铝业股份有限公司贵州分公司于1 9 9 9 年从加拿大 o d tt 程有限公司引进的设备。随着时代的发展，原计算机控制系统在软件和硬 件技术上已经非常落后，有待升级提高。同时原计算机控制系统还存在一些问题， 经常造成系统死机，致使其运行工况不稳定，产品合格率低，能耗高，热效率低， 工人劳动强度大，环境污染严重。 在充分了解原计算机控制系统和气幕铸造机生产工艺的基础上，提出了原计 算机控制系统不能满足生产的需要，有必要进行电解铝气幕铸造机计算机控制系 统的开发。简要介绍了项目的技术背景及国内外发展水平，指出了原计算机控制 系统在软件、硬件以及环境等方面存在的问题，从铝合金气幕铸造工艺和控制系 统与控制算法三方面介绍了国内外研究现状。针对所存在的问题，采用的解决方 法主要有：通过铸造工艺的分析，更合理地利用各种技术手段来设计铸造工艺控 制系统：通过软、硬件升级，提升计算机控制系统的技术性能：引入先进的计算机 技术，提高控制系统的稳定性、收敛性和鲁棒性。 简要介绍了气幕铸造机的系统组成，给出了计算机控制系统的需求、动作顺 序及总体设计。在系统的硬件设计方面，详细描述了立式铸机( v d c ) p l c 、模 具空气1 系统p l c 、模具空气2 系统p l c 及m m i ( 人机界面) 的硬件设计。给 出了模糊控制器、专家系统和p i d 控制器的设计及系统的控制策略。对软件开发 工具r s v i e w 3 2 、r s l i n x 、r s l o g i x5 0 0 t m 及r s l o g i xe m u l a t e5 0 0 t m 进行了简要 的介绍，并对软件开发进行了说明。本计算机控制系统具有一定的特点，通过实 际应用，取得了很好的效果。 关键词：气幕铸造机；控制系统；计算机技术 ， 皿 ， j 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t d e v e l o p m e n to f t h ec o m p u t e r i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mf o rt h e m o l t e na l u m i n u mg a sc u r t a i nc a s t i n gm a c h i n e a b s t r a c t t h eg a sc u r t a i n c a s t i n gm a c h i n ew a s c o r p o r a t i o no fc h i n al i m i t e df r o mc a n a d a f e t c h e di ng u i z h o ub r a n c ho fa l u m i n u m o d te n g i n e e r i n gl i m i t e dc o m p a n yi n19 9 9 a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea g e s ，t h eo r i g i n a lc o m p u t e r i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mh a s f a l l e nb e h i n dv e r ym u c hi ns o f t w a r ea n dh a r d w a r et e c h n i q u e a n dn e e d st ou p g r a d ea n d a d v a n c e t h eo r i g i n a lc o m p u t e r i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mh a ss o m ep r o b l e m s u s u a l l yr e s u l t s i n t h e s y s t e mh a l t e d ，t h ep r o d u c ep r o c e s si su n s t e a d y ，a n dt h ee l i g i b l er a t eo ft h e p r o d u c t i o ni sl o w , h i g he n e r g yc o n s u m p t i o n , l o wt h e r m a le f f i c i e n c y ，h e a v yi n t e n s i t yo f l a b o ra n ds e r i o u s l ye n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n f u l l yu n d e r s t o o dt h eo r i g i n a lc o m p u t e r i z a t i o nc o n t r o ls y s t e ma n dt h ep r o d u c t i o nc r a f t o ft h eg a sc u r t a i nc a s t i n gm a c h i n e ，w ep u tf o r w a r dt h a tt h e o r i g i n a lc o m p u t e r i z a t i o n c o n t r o l s y s t e mh a s h ts a t i s f i e dt h ed e m a n do ft h ep r o d u c t i o n , t h e r ei sn e c e s s i t yt o d e v e l o p m e n tt h ec o m p u t e r i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mf o rt h em o l t e na l u m i n u mg a sc u r t a i n c a s t i n gm a c h i n e s i m p l yi n t r o d u c e dt h et e c h n i q u eb a c k g r o u n da n dd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n tl e v e lo ft h ei t e m p o i n t e do u tt h a tt h eo r i g i n a lc o m p u t e d z a t i o n c o n t r o ls y s t e mh a ss o m ep r o b l e m si ns o f t w a r e ，h a r d w a r ea n de n v i r o n m e n t ，a n di n t r o d u c e d t h ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lr e s e a r c hc i r c u m s t a n c ew i t ht h ea l u m i n u ma l l o yg a sc u r t a i n c a s t i n g ，t h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h ec o n t r o lc a l c u l a t i o n a i ma tt h ee x i s t i n gp r o b l e m s w e a d o p t e dt h ef o l l o w i n gm e t h o d sp r i m a r i l y ：t h r o u g ha n a l y s et h ec a s t i n gt e c h n i c s ，d e s i g nt h e c a s t i n gc o n t r o ls y s t e ma d o p t i n gk i n d so ft e c h n i q u em o r er e a s o n a b l y ；t h r o u g hu p g r a d e dt h e s o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r e ，w es t e p e du pt h ec a p a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m ；l e a di n t ot h e a d v a n c e dc o m p u t e rt e c h n i q u e ，i n c r e a s et h es t a b i l i t y ，t h ea s t r i n g e n c ya n dt h er o b u s t n e s so f t h ec o n t r o ls y s t e m s i m p l yi n t r o d u c e dt h em a k e u po ft h eg a sc u r t a i nc a s t i n gm a c h i n e n en e e d s t h e a c t i o no r d e ra n dt h et o t a l d e s i g no ft h ec o m p u t e r i z a t i o nc o n t r o ls y s t e ma r eg i v e n d e t a i l e d l yd i s c r i b e dt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ev d cp l c ，m o u l da i rls y s t e mp l c m o u l da i r2s y s t e mp l ca n dm m i t h ed e s i g no fm i s t yc o n t r o l l e r e x p e gs y s t e ma n dp i d c o n t r o l l e ra r e 酉v e n ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h es y s t e mi sa l s og i v e n s i m p l yi n t r o d u c e dt h e s o f t w a r ed e v e l o p m e n tt o o l ：r s v i e w 3 2 ，r s l i n x ，r s l o g i x5 0 0 1ma n dr s l o g i xe m u l a t e 5 0 0 “，a n dg a v ea ne l u c i d a t i o nt ot h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t mc o m p u t e r i z a t i o nc o n t r o l s y s t e mh a ss o m ec e r t a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n di to b t a i n e d1 a r g ee f f e c ti np r a c t i c e k e yw o r d ：g a sc u l t 血c a s t i n gm a c h i n e ； c o n t r o ls y s t e m ； c o m p u t e rt e c h n i q u e i l l i ， j t ， l ， i ， 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章引言1 1 1 问题的提出1 1 2 项目的技术背景及国内外发展水平。2 1 3 存在的问题及国内外研究现状3 1 4 本文的主要内容和方法4 第2 章系统的组成原理及总体设计6 2 1 气幕铸造机简介。6 2 2 系统需求13 2 2 1p l c 控制和监视软件1 3 2 2 2m m i 控制和监视软件进程控制和监视屏2 5 2 2 3m m i 控制和监视软件进程回路控制和监视界面一2 6 2 2 4m m i 控制和监视软件其他一2 8 2 3 动作顺序3 0 2 4 系统组成3 5 第3 章系统的硬件设计与组态38 3 1 铸机p l c 3 8 3 2 模具空气系统p l c 3 8 3 3m m i ( 人机界面) 3 9 第4 章控制系统设计及控制策略4 1 4 1 控制系统设计4 1 4 2 控制策略4 2 第5 章软件设计4 4 5 1 软件开发工具4 4 5 2 软件开发说明4 6 5 2 1 一般说明4 6 5 2 2p l c 软件开发4 7 东北大学硕士学位论文 目录 5 2 3m m i 软件开发5 u 第6 章系统的特点及应用效果5 6 6 1 系统的特点5 6 6 2 应用效果。5 6 第7 章结论5 9 参考文献：6 0 致谢6 3 一v 一 ( j 东北大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 问题的提出 第l 章引言 立式气幕铸造机是中国铝业股份有限公司贵州分公司于1 9 9 9 年从加拿大o d t 工程有限公司引进的设备。它是一套自动化程度很高，技术先进的新型立式铸造机。 该铸造机采用垂直铸造的生产方式，半连续生产各种铝合金圆锭。它可铸造多达3 0 种不同规格的合金棒，其生产工艺在国内处于领先水平。 立式气幕铸造机整个系统包括：电气控制系统、冷却水系统、液压系统、压缩 空气系统、熔炉系统、除气系统及铸造平台。 通常情况下，该铸造机要求在铸造过程中铸造人员无需进行干预。当所有的初 始条件都得到满足后，操作者启动铸造机，随后d c s 系统按照设定的铸造参数自动 操作v d c ( 立式铸造机) 。d c s 控制系统自动监视铸造过程，操作人员可在触摸屏 上观看系统运行和铸造的全过程，并且可设置系统运行参数。铸造过程中遇到的问 题，通过报警系统通知操作人员，能够及时处理存在的问题。 由于立式气幕铸造机的生产工艺控制情况非常复杂，对控制系统的要求较高， 故不能采取人工操作的方式进行。原自动控制系统是建立在w i n d o w s 9 5 平台上的， 技术上已经非常落后，有待升级提高。更严重的是原自动控制系统存在一些问题， 经常造成系统死机，致使其运行工况不稳定，产品合格率低，能耗高，热效率低， 工人劳动强度大，环境污染严重。这种状况急需改变。 本课题将结合立式气幕铸造机生产工艺过程，研究基于虚拟制造技术，建立相 应的生产工艺模型。利用计算机仿真技术，有效整合现场信号，辨识生产过程工况， 同时采用专家系统，从现场历史数据库中获取控制信息，不断优化控制曲线，使得 控制系统向智能化迈进。 课题的完成对提高气幕铸造工艺自动控制水平、提高产品合格率、达到环境治 理效果将产生重要的作用。 从生产实践中得出，气幕铸造机计算机自动控制问题是非常复杂的，采用单一的 和常规的控制方法或手段，是不能很好地解决的。采用综合集成的智能控制系统是 一条行之有效的途径。通过不断总结经验，提高认识，从而使本控制系统不断得到 完善与提高。课题的整体水平将达到国际先进水平，对国内铸造系统实现自动控制 具有积极的推广应用价值。 东北大学硕士学位论文 第一章 引言 1 2 项目的技术背景及国内外发展水平 根据生产工艺的要求，本铸造系统生产必须控制第一个或最后一个铸模的铝液 温度，其值在铸造台入口的温度介于6 9 0 c 和7 0 0 c 之间，变化不能超过1 0 。由此 可见，只要是铸造就必须讨论铸造热场，无论对于何种铸件的任何铸造工艺，一经 浇注，便在铸模的几何空间内形成了一个金属液温度场，这个金属液温度场与铸件 的质点形成了原始热场。随着时间的推移，铸件通过铸模不断地散热，这个原始热 场的总体能量有一个逐渐降低的过程。由于铸件各原始内能和散热的条件不同，整 个系统内的热场自始至终处于一个变化的过程之中。而热场的发展变化方向将决定 逐渐凝固的最终结果。因此，铸造工艺设计的任务就是利用各种工艺手段调节铸造 工艺参数，在特定的散热条件下，使设定的原始热场按照工艺技术要求向铸件凝固 点发展，以获得健全、致密的铸件。为此，工艺流程控制的设计就必须围绕铸造工 艺设计的任务开展。 近年来随着计算机的不断普及，以计算机为核心的各种控制系统( 如i p c 、p l c 、 d c s 、f c s 等) 在工业现场中获得了广泛的应用。基于工业级实时数据库技术和计 算机技术，。这些控制系统能够连续实时地采集、存储描述工业生产过程中的富有价 值的生产数据( 如设备状态、产品质量、关键的温度、流量、压力和铸造速度等) ， 监控生产状况，控制生产过程的设备及装置从而有效地提高铸件质量及生产效率， 降低铸造成本。铸造过程采用微电子及计算机技术进行检测与控制是生产高质量铸 件的必备条件，也是现代铸造生产的一个重要标志。 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是近几十年来人工智能领域研究开发的计算机系统，它 是人类长期以来对人工智能科学的探索成果和实际问题求解需要相结合的必然产 物。专家系统是一种基于知识的智能系统，以求解高难度问题为特征。一般包括知识 库、数据库、推理机、知识获取机制、解释机制及用户接口等部分。 铸造生产是一个复杂的过程，产品质量受诸多影响因素的制约。而这些因素一般 是随机的、复杂的、很难用数学公式描述。在处理一些突发事件时，往往需要丰富的 知识与经验，而这些知识与经验并不是所有人都能够掌握的。一个性能优越的铸造生 产专家系统就可以处理生产中错综复杂的情况，在不确定信息的基础上得到正确的 结论，及时准确地解决问题。国外铸造专家系统的研制起始于8 0 年代，一些不同类型 的铸造专家系统先后推向市场，在实际生产中已取得较好的应用效果。 - 2 - ( 2 ) 更严重的是原自动控制系统存在一些问题，经常造成系统死机，致使其运 行工况不稳定，产品合格率低，能耗高，热效率低，工人劳动强度大，环境污染严 重。这种状况急需改变。 ( 3 ) 控制系统中的计算机经过多年运行，已超过使用寿命，一旦出现故障，将 导致该系统瘫痪，不能进行生产。 ( 4 ) 触摸屏经过多年运行，部分触摸功能已丧失，严重影响正常生产。 ( 5 ) 上位机所处现场环境粉尘、油污较严重，而现场计算机控制盘无防护装置。 ( 6 ) 现场计算机供电电源波动，易造成计算机硬盘损坏。 2 、国内外研究现状 在铸造工艺方面对目前广泛应用的低压铸造成型工艺进行了介绍h 3 。对采用 a i r s o lv e i l r 模的铝及铝合金气幕铸造的基本大批量、设备组成、工艺参数及铸锭质 量进行了介绍，分析了气幕铸造的工艺特点及影响铸锭质量的几个主要因素。利 用气幕铸造系统成功开发了6 0 6 3 、6 0 0 5 a 、6 0 8 2 铝合金等多项新产品，同时对各规 格品种产品的生产控制参数进行了修正和优化。对气幕铸造机的结晶器、结晶热帽、 模具润滑油、锯床圆锯片等主要的消耗件进行了国产化开发。 在铸造控制系统方面采用p l c 控制技术，实现了自动铸造，提高了产品合格率。 报道了适合于传统的立式连续铸锭装置、立式电磁铸造装置以及水平带式浇注装置 的铝的连续铸锭计算机控制装置。对连续铸造机计算机控制系统的控制方案、组成 原理以及速度和长度的控制方法进行了介绍，并给出了应用软件的程序框图。主程 序和数字校正程序流程图如图1 1 所示口】。针对铝合金车轮的铸造工艺要求，研究 了低压铸造的智能控制系统，实现了对给定工艺曲线的快速准确跟踪。实际应用表 明，所研究的智能控制系统具有良好的性能口1 。文献 5 简述了计算机模拟铸造的 发展现状，并介绍了计算机模拟铸造软件的开发过程及主要原理，同时分析了计算 机模拟铸造面临的问题。 在控制算法方面综合国内外对铸造凝固过程中热应力及热裂数值模拟研究的现 状，建立了适合铸造过程应力场数值模拟的模型，采用有限元软件a n s y s 实现铸件 - 3 东北大学硕士学位论文第一章引言 开始 调用初始化程序 调用键盘输入程序 调用数码显示程序 调用运行管理程序 调用标准时钟程序 开 始 磊甭磊磊磊砑i 坚兰垦兰兰竺! 竺 磊甭磊夏孬砑l 坚兰竺奎堕竺：竺! 调用数字校正程序il 墨兰兰登! ：! 竺 调用模出控制程序 x ( & ) = e r ( 6 ) - e ( 昏1 ) 调用p l 校正程序 土 r i ( 矗) 。r ( 丘) 一l ：i ( 矗) 上 子程序返回 上 结束) 图1 1 主程序和数字校正程序流程图 f i g 1 1t h e f l o wc h a r to fm a i np r o c e d u r ea n d a r i t h m e t i cf i g u r ec o r r e c tp r o c e d u r e 热应力场的模拟分析，并计算了残余应力阳】。计算机的主要任务在于按每个输入程 序来计算、操纵与监视全部主要参数，这是通过把以额定值表示的参数连续给进独 立的控制系统( 炉子倾动、浇注速度、金属状态等) 来实现的。 1 4 本文的主要内容和方法 本文第l 章首先提出原自动控制系统不能满足生产的需要，有必要进行电解铝 气幕铸造机计算机控制系统的开发。简要介绍了项目的技术背景及国内外发展水平。 指出了原自动控制系统在软件、硬件以及环境等方面存在的问题，从铝合金气幕铸 造工艺和控制系统与控制算法三方面介绍了国内外研究现状。针对所存在的问题， 采用相应的方法予以解决。第2 章给出了系统的组成原理及总体设计。第3 章详细 描述了系统的硬件设计与组态。第4 章给出了控制系统的设计及控制策略。第5 章 介绍了软件的开发工具，对软件开发进行了说明。第6 章总结了系统的特点，系统 通过实际应用，取得了很好的效果。第7 章对本项目做出了结论。 针对所存在的问题，采用了下列方法予以解决。 ( 1 ) 通过铸造工艺的分析，更合理地利用各种技术手段来设计铸造工艺控制系 统。针对影响铸造工艺的工艺参数的不断优化，使铸件的凝固过程符合工艺技术的 要求，以获得健全、致密的铸件。 ( 2 ) 通过软、硬件升级，提升自动控制系统的技术性能。 4 东北大学硕士学位论文 硬件： a 工控机( d e l l p 4 2 5 6 m 6 0 g c d 软驱 b 工业平板显示器v e r s a v i e w l5 0 0 m 盘面 c 以太网交换机1 0 0 m8 口1 台。 d 以太网卡1 0 1 0 0 m3 c o ml 台。 软件： a 系统软件w i n d o w s 2 0 0 0 p r o 英文版l 套。 b 组态软件r s v i e w 3 2w o r k5 k 谢t l lr s l i n xp r o ( 英文开发版) l 套。 c 组态软件r s v i e w 3 2w o r k5 kw i t hr s l i n xp r o ( 中文开发版) 1 套。 d 通讯软件r s l i n x2 1 1 套。 e p l c 编程软件r s l o g i x5 0 0 t m1 套。 程序调试软件r s l o g i xe m u l a t e5 0 0 1 套。 ( 3 ) 引入先进的计算机技术，提高自动控制系统的稳定性、收敛性和鲁棒性。 在工业现场数据库的基础上，基于计算机软件技术挖掘出先进的控制模式，形 成仿人智能控制规则。将计算机专家系统技术引入到工业复杂过程智能控制系统的 优化与设计中。 本系统在开发过程中本着可靠性、先进性、实用性和开放性、可扩充、可维护 性原则。根据立式铸造机生产工艺的特点，基于虚拟制造技术，建立其相关联的生 产工艺模型，并利用计算机仿真技术，有效整合现场信号，辨识生产过程工况。同 时采用专家系统，从现场历史数据库中获取控制信息，不断优化控制曲线，使得控 制系统向智能化迈进。系统根据工艺要求，利用以太网技术，采用集中管理分散控 制的方式，对铸机的各个系统按一定工艺进行数据分析，并将采集的数据进行一定 的处理，加入加工参数，产生数据代码，在计算机控制下完成整个铸造过程。 ( 4 ) 对现场计算机控制盘加装有机玻璃防护罩，控制盘柜内通入压缩空气，保 持柜内气压为正压，减少和防止粉尘的侵入，改善计算机的运行环境。 ( 5 ) 增加u p s 为计算机供电，防止电源波动造成硬盘损坏。 5 东北大学硕士学位论文 第二章系统的组成原理及总体设计 第2 章系统的组成原理及总体设计 2 1 气幕铸造机简介 气幕铸造机整个系统由以下主要部分组成： ( 1 ) 立式铸机( v d c ) 。 ( 2 ) 操作控制台。 ( 3 ) 模具空气1 系统。 ( 4 ) 模具空气2 系统。 气幕铸造机全貌图见图2 1 。 控制系统集合了以下软件和硬件项目：一个用于立式铸机的可编程序控制器 ( p l c ) s l c 5 0 5 ，一个用于模具空气1 系统的s l c 5 0 5p l c 和一个用于模具空气 2 系统的s l c 5 0 5p l c 。r o c k w e l l 软件的r s v i e w 3 2 被用作管理控制和数据获取人 机界面( s c a d a ) 。上述所有项目由以太网( t c p i p ) 网络连接。 立式铸机( v d c ) 包括一个翻转框架模具载体。翻转框架随两个模具系统( a 或b ) 之一安装，并且可生产出不同尺寸的圆锭。有两个模具站，每个都采用合金 6 0 6 3 来浇铸圆锭。模具站中的每一个模具都是一个液压缸，顶部敞开，底部有冷却 水、铸造气体和润滑油( 模具润滑) 。模具系统a 共有5 6 个模具，可铸造1 2 0 m m 、 1 5 2 m m 和1 6 5 r a m 的圆锭。模具系统b 共有4 0 个模具，可铸造1 7 8 m m 和2 0 3 m m 的 圆锭。模具系统b 也可用3 2 个模具，8 个为一组，铸造2 2 9 m m 的圆锭。 来自熔炉中的铝水经金属过滤装置从铝水溜槽流入位于结晶器翻转框架顶端的 铝水分配系统，通过铝水分配系统铝水流经热顶，进入水冷的结晶器。 铸造开始时敞开的结晶器下部由引锭头封住，引锭头位于平台的顶部。 当模具中的铝水液位达到所需高度时，平台开始下降。此时结晶器底部的铝由 间接冷却已固化，固化铝随模板下降进入铸井，且进一步由模具低部喷出的水直接 冷却。 铸造结束时，铸锭全部通过结晶器下降。整个模具翻转框架由液压驱动到达竖 直位置，以便天车搬运铸造的圆锭。 铸井由防水的加强混凝土制成，用于容纳最终直接冷却铸成品的水。铸井中的 水在铸造前被加至设定的水位。 防水的底部框架覆盖了地面上的整个铸井口，它安装在铸井的基础上，顶部与 - 6 - ， 厂房地面同高。 图2 1 气幕铸造机全貌图 f i g 2 1t h eo v e r v i e wo ft h eg a sc u r t a i nc a s t i n gm a c h i n e - 7 - 东北大学硕士学位论文第二章系统的组成原理及总体设计 模具翻转框架是模具站的支持平台。整个框架可由液压驱动到达竖直位置，以 便搬运铸造的圆锭和在模具下进行维护工作。框架利用中空的旋转轴为模具供水。 模具的供水接头位于每个翻转框架的两边。翻转框架具有定位和紧固装置以确保牢 固和精确地定位模具。整个框架表面经过特殊的油漆处理以减小腐蚀。 剪式上升型结晶器维护平台位于翻转框架轴的附近。当结晶器平台在竖直位置 时提供了安全方便的通道至结晶器平台的下方。结晶器平台在竖直位置时，操作人 员扶住安全扶手并将所有工具结晶器部件放在升降平台上。为达到结晶器的不同水 平，操作人员可走至平台上，通过安装在平台扶手上的按钮来液压驱动升高及降低 平台。剪式上升型结晶器维护平台包括以下主要部件： ( 1 ) 底部框架。 ( 2 ) 平台甲板。 ( 3 ) 单个剪式连接系列，包括支持轴承。 ( 4 ) 安全扶手。 ( 5 ) 液压动力站。 ( 6 ) 电气控制系统。 底部框架由钢制成。平台甲板由厚金属板制成。坚固的剪式连接装置将底部框 架和平台甲板连接起来。两个液压缸提供了升高降低平台的必要动力。一个液压动 力站用螺栓安装在底部框架上，提供用于驱动液压缸所需的液压动力。扶手栏杆安 装在支持平台的铸井一侧以保护操作人员走到平台边缘时的安全。手动操作门安装 在安全栏杆的每个侧面。为保证安全工作，在控制系统中包括所有的安全联锁。 平台是结晶器底部框架的支撑台( 引锭头) 。平台由厚钢板制造并加强以防止 平台在非对称负载时变形。平台底部安装有不锈钢杆以确保模具底部框架竖直位置 的精确性。平台具有模具底部框架定位和紧固装置以确保牢固和精确地定位模具底 部框架。 双向液压缸用于上升和下降平台。液压缸安装于坚固的底盘上，底盘用螺栓安 装在铸井地基上。液压缸杆顶端通过法兰用螺栓安装在平台底部。液压缸内用抗旋 转杆式引导系统，此系统可以使液压缸在最大行程时缸杆仅旋转6 ；还可使液压缸 在行程的任何点i 无论平台有任何一根还是一排圆锭缺少，总的变形( 缸杆变形+ 引 导系统间隙) 小于士2 m m 。缸杆活塞密封装置可减少摩擦，以确保在正常操作时液 压缸平稳运行。液压缸内安装有一个电子浇铸长度确认传感器，通过测量缸杆位置 提供一个模拟信号给p l c 控制系统。 - 8 东北大学硕士学位论文第二章系统的组成原理及总体设计 液压系统可在l o o p a 的压力下工作。液压站包括油箱、泵、方向控制阀、过滤 器、流量计和所有必需的操作和控制设备在内的独立单元。液压站位于铸造机附近。 平台通过无泄漏方向控制阀自动保持开始铸造位置。油流量计( 旋转位移式) 不断测量油流量并经p l c 控制系统自动定位油流量控制阀。由于平台以预定的速度 下降，在突然断电情况下，铸造状态控制系统仍可保证完成一个铸造周期。铸造长 度是通过流量计的信号测量的，此信号由p l c 转换成铸造长度，并与铸造速度一起 显示在操作者的显示屏上。如果需要，可提供一套手动操作的紧急旁路系统并安装 在操作控制台旁，使操作人员可以手动操作平台。 翻转框架通过一个方向液压控制阀操作。控制操作的止回阀确保翻转框架保持 在所选择的位置上。液压油流量保险安装在每个液压缸的联接口以防止在液压系统 的胶皮管或金属管爆裂的情况下，翻转框架以高速降落。 所有辅助设备的控制元件安装在一个共用的多用途组块上。系统配有流量和压 力测试点，以便于维修和寻找故障。 冷却水供应系统安装于地沟内，旋转接头的进口在翻转框架的轴承上。此系统 精确的保证铸造过程中的冷却水流量。系统包括以下主要部分： ( 1 ) 流量计，包括信号变送器。 ( 2 ) 流量调节阀。 ( 3 ) 系统截止阀。 ( 4 ) 结晶器框架排水阀。 ( 5 ) 联接流量计所需的配有法兰的直管。 ( 6 ) 水处理装置。 在铸造过程中，p l c 控制系统不断地用所测得的水流量数据与设定的水流量相 比较，并自动地调节流量调节阀以保持所选定的水流量。在铸造完成时，当翻转框 架转至向上的位置以便天车搬运圆锭时，结晶器框架排水阀自动打开，使翻转框架 及结晶器框架内的水流入铸井。 整个立式铸造设备和圆锭结晶器系统的操作是由可编程序控制器( p l c ) 控制的。 软件操作提供了友好的用户操作平台，使得高质量圆锭的铸造变得简单。软件包也 用于自动存储重要的铸造参数，例如： ( 1 ) 熔炉金属温度铸造速度供水流量溜槽液位铸造长度。 ( 2 ) 结晶器气流量结晶器气压结晶器润滑油流量。 ( 3 ) 铸造历史过程参数报表。 9 f i-卜li-l 东北大学硕士学位论文第二章系统的组成原理及总体设计 ( 4 ) 报警历史报表。 ( 5 ) 趋势分析。 ( 6 ) 铸造历史回顾( 通过过程参数分析圆锭质量缺陷) 。 ( 7 ) 铸造菜单存储，包括参数编辑特性。 在开始铸造时，当金属液位达到正确的高度时，操作者按下开始按钮，平台开 始下降。从铸造开始，自动铸造控制系统将根据所选择菜单自动控制铸造速度铸造 长度冷却水流量溜槽铝水液位结晶器润滑油流量结晶器空气流量。所有重要的 铸造参数，例如：金属温度、铸造速度、铸造长度、冷却水流量、溜槽铝水液位、 结晶润滑油流量、结晶器空气压力流量都不断地在操作控制面板上的终端( s c a d a 屏幕) 上显示出来。 在突然断电情况下，系统软件仍可完成一个铸造周期的工作。p l c 装置包括一 个打印机接口，以便用户可以接入打印机。控制系统将自动记录并实时打印全部控 制系统报警数据。 铸机的电气控制系统包括三个主要部分： ( 1 ) 供电控制系统柜。 ( 2 ) 操作控制面板。 ( 3 ) 设备端子箱。 立式铸造机( v d c ) 系统自动控制软件可用于自动地控制( 在铸造过程中) 所 有铸造参数，例如：铸造速度铸造长度冷却水流量铝水液位结晶器润滑油流量 结晶器空气流量。这些参数是从铸造菜单中选择的。 在铸造准备期间，操作人员在操作控制面板终端选定合适的铸造菜单以得到所 需的圆锭尺寸和金属合金，p l c 控制系统可据此选定正确的程序和控制系统。 铸造开始时，当金属液位达到正确的高度时，操作人员按下铸造开始按钮，平 台开始下降。在人工启动后，p l c 控制系统在整个铸造周期中自动调节和保持所选 铸造参数。 在自动铸造过程中，操作人员可在任何时候在终端显示屏上通过操作，取消自 动铸造。 软件包包括1 0 个用于特定产品尺寸的标准铸造菜单。铸造金属合金6 0 6 3 ，控制 系统可最多容纳1 0 0 个不同菜单以适应不同合金、不同圆锭尺寸的产品。 溜槽液位控制系统包括以下主要部分： ( 1 ) 激光液位感应器及保护管。 1 0 东北大学硕士学位论文第二章系统的组成原理及总体设计 ( 2 ) 液位感应器支撑立柱( 包括旋转臂) 。 ( 3 ) 备用安全溜槽液位监控装置。 激光液位感应器安装在一个活动的立式支撑立柱上，该立柱在炉子倾倒口的附 近，以便于监控溜槽内铝水的液位。激光液位感应器安装在手动控制的旋转臂上， 旋转臂固定在支撑立柱的顶部。为防止浇铸期间操作人员意外干扰激光液位感应杆， 有一个保护铁管安装在整个感应杆上( 从感应器镜头至溜槽顶部) 。为了安全运行， 在激光液位感应器附近安装有一个备用安全液位监控装置。备用液位监控装置的支 撑框架用螺栓固定在激光液位感应器支撑架侧面。 备用液位监控装置包括以下部分： ( 1 ) 支撑架，包括轴销托架和接近开关。 ( 2 ) 感应臂，包括耐火材料浮标和接近开关撞针。 为了精确控制液位，炉子的液压系统包括一个翻转比例控制方向阀和一个就地 操作翻转控制盘( 包括自动手动选择开关和手动翻转功能按钮) 。 操作说明： 浇铸开始时，操作人员在就地翻转控制盘上启动炉子上升按钮。当铝水从倾倒 口流出时，操作人员将控制系统在就地翻转控制盘上切换到自动控制状态。p l c 控 制系统将立即自动控制溜槽中的铝水液位。p l c 控制系统不断地将激光液位感应器 输出信号与预先设定的溜槽液位进行比较，如果实际值超出了运行误差范围，p l c 控制系统将启动炉子翻转系统以补偿设定值误差，如果实际值长时间超出运行误差 范围，p l c 控制系统则会发出报警提醒操作人员检查。为了保证溜槽液位的长期正 确，所设计的翻转控制系统可根据p l c 控制系统的要求上升和下降炉子。电控系统 具有安全联锁功能以保证设备的安全运行。 激光液位感应器因故障而不能控制铝水液位时，加料溜槽中的铝水液位高出安 全运行液位，安装在轴销杆上的耐火材料浮标将会启动安全接近开关。接近开关信 号通过p l c 控制系统防止炉子进一步上升，并发出报警提醒操作人员检查系统。 如果浇铸期间自动液位控制系统产生了误动作，操作人员可在v d c 操作盘上将 液位控制系统切换到手动状态。在液位控制系统处于手动状态时，操作人员可通过 v d c 操作盘上的按钮升高降低炉子。 铸井水位控制系统包括以下主要部分： ( 1 ) 水位控制装置，气泡管型。 ( 2 ) 浮标式开关2 个，包括支撑架和液位开关外罩。 东北大学硕士学位论文第二章系统的组成原理及总体设计 气泡管式水位控制装置安装在一个控制盘内。控制盘安装在供水地沟的侧壁上。 控制面板上包括以下几部分： ( 1 ) 差压传感器。 ( 2 ) 空气流量计。 ( 3 ) 空气准备装置，包括手动空气截流阀。 ( 4 ) 气泡管，装入铸井侧壁内。 操作说明： 该系统允许进入少量压缩空气并通过铸井内气泡管的底部敞开端逸出。安装在 控制面板上的差压传感器不断将大气压力与气泡管内的实际压力进行比较，所得的 压差向p l c 控制系统提供反馈信号以判断铸井中的实际水位。p l c 控制系统通过开 关回水流量控制阀自动控制铸井水位。 每个浮标开关可单独调节至正确液位并将下列功能信号送至p l c 控制系统： ( 1 ) 安全低水位= 取消浇铸。 ( 2 ) 安全高水位= 取消浇铸。 铸井水位控制系统将保证铸造期间的安全运行并使控制系统自动启动停止回 水泵。 对铸机操作有用的子系统包括： ( 1 ) 液压系统。用于校准平台和翻转框架。 ( 2 ) 冷却水系统。用于在铸造期间冷却模具。 ( 3 ) 工厂空气系统。用于校准供水系统截流阀、金属液位控制装置冷却和模具 空气系统。 ( 4 ) 工厂紧急供水系统。当主要冷却水系统发生故障时，由工厂紧急供水系统 提供冷却水。 ( 5 ) 模具润滑系统。 ( 6 ) 模具空气系统。 ( 7 ) 晶粒精炼杆输料装置。将晶粒精炼杆材料加到金属添加槽的熔化铝水中。 该装置由手动控制。在铸造时，设定点的添加速率由v d c 系统遥控。 ( 8 ) 熔炉。提供铝水到铸机中。一般由熔炉操作员控制，但是在铸造时由铸造 操作员控制。 ( 9 ) 溜槽金属液位控制装置。集合激光和本地熔炉控制面板。 ( 1 0 ) 铸井液位控制装置。集合水位感应器。 1 2 - i ， 东北大学硕士学位论文第二章系统的组成原理及总体设计 ( 1 1 ) 模具支持平台。在开始下一次铸造之前操作员用于维