阳极铜定量浇铸的流量PID 控制

张 莉 江西铜业公司材料设备公司江西贵溪 335424

【文章摘要】

国内的阳极铜定量浇铸从上个世纪90 年代逐步发展起来，其控制方式历经时间控制、重量自学习控制、到流量控制，本文阐述这三种控制方式的优缺点。

【关键词】

阳极铜；定量浇铸；PID ；流量控制

0 前言

阳极铜的定量浇铸，广泛地运用于铜冶炼厂的阳极铜生产车间。定量浇铸控制的优劣，直接影响到下到工序电解阳极机组的上机率和阴极铜的残极率。

1 定量浇铸简介

图1 定量浇铸示意图

1.1 定量浇铸的组成

如图1 所示，定量浇铸系统主要由称重平台、浇铸油缸、浇铸包三部分组成。称重平台下有称重传感器，用于检测浇铸包的重量变化。浇铸油缸行程由比例伺服阀控制。

1.2 定量浇铸的过程

当浇铸包内的铜水量到额定值时， PLC 读取称重传感器的重量G1，浇铸油缸伸出开始浇铸，结束后油缸返回，PLC 读取称重传感器的重量G2，G3=G1-G2, 就得出了阳极板的重量G3。下文以浇铸380 公斤的阳极板，来介绍三种定量浇铸控制方式。

2 时间控制的定量浇铸

2.1 时间控制的定量浇铸过程

浇铸包的整个浇铸过程大概15 秒左右，可以分为5 个浇铸阶段。第一个浇铸阶段为0-3 秒，这时浇铸包刚刚抬起铜水还没有出来，赋予伺服阀的速度V1 ；第二个浇铸阶段为3-6 秒，这时铜水刚刚出来， 赋予伺服阀的速度V2 ；第三个浇铸阶段为6-9 秒，此时铜水的流量最大，赋予伺服阀的速度V3 ；第四个阶段为9-12 秒， 浇铸后期铜水流量在减少，赋予伺服阀的速度V4 ；12 秒以后为第五个阶段，赋予伺服阀的速度V5，当阳极板的重量到设定的返回重量（假设为G0 公斤）时，浇铸油缸返回。

2.2 时间控制的定量浇铸使用情况

这种控制方式对操作人员的水平要求比较高，在浇铸过程中不断地调整V1~V5 和G06 个参数，才能较好地控制阳极板的重量，误差1 公斤以内的阳极板只能达到20%。

3 重量自学习控制的定量浇铸

3.1 重量自学习控制的定量浇铸过程

也分为5 个浇铸阶段。第一个浇铸阶段为0-3 秒，这时浇铸包刚刚抬起铜水还没有出来，赋予伺服阀的速度V1 ；第二个浇铸阶段为3 秒- 阳极板重量达到100 公斤时，赋予伺服阀的速度V2 ；第三个浇铸阶段为阳极板100 公斤-200 公斤时，赋予伺服阀的速度V3 ；第四个阶段为阳极板200-300 公斤时，赋予伺服阀的速度V4 ；300 公斤以后为第五个阶段，赋予伺服阀的速度V5，当阳极板的重量到设定的返回重量（假设为G0 公斤）时，浇铸油缸返回。浇铸结束后阳极板的返回重量做自学习G0=G0+380-G3 , 以便于下一次浇铸的准确性。

3.2 重量自学习控制的定量浇铸的使用情况

这种控制方式是国产现阶段阳极板定量浇铸使用的主流模式，误差1 公斤以内的阳极板能达到80%。这种控制方式的主要缺陷就是抗干扰能力差，当浇铸包内的铜水量发生突变时（操作人员对浇铸包进行清理和中间包出现铜水量异常时）需要浇铸三块以上的阳极板才能恢复到稳定的状况。

4 流量控制的定量浇铸

4.1 流量控制的定量浇铸过程

4.1.1 设计思路

也分为5 个浇铸阶段。第一个浇铸阶段为0-3 秒，这时浇铸包刚刚抬起铜水还没有出来，赋予伺服阀的速度V1 ；第二个浇铸阶段为3 秒- 阳极板重量达到100 公斤时，控制伺服阀的速度以达到浇铸包的铜水流量为Q1 ；第三个浇铸阶段为阳极板100 公斤-200 公斤时，控制伺服阀的速度以达到浇铸包的铜水流量为Q2 ； 第四个浇铸阶段为阳极板200 公斤-300 公斤时，控制伺服阀的速度以达到浇铸包的铜水流量为Q3 ；第五个浇铸阶段为阳极板300 公斤以后控制伺服阀的速度以达到浇铸包的铜水流量为Q4，当阳极板的重量到设定的返回重量G0 公斤时，浇铸油缸返回。

4.1.2 PID 控制原理

传统PID 控制器的原理图如图2.1 所示。它是一种线性控制器，根据系统的偏差，利用偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）的线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

图中，虚线框内即为PID 控制器，r(t) 是系统的给定量，y(t) 为系统的实际输出量，e(t) 是系统偏差量，它是等于给定量r(t) 与实际输出量y(t) 之差，即：

( 式2.1)

u(t) 为PID 控制器的输出控制量，它是偏差信号e(t) 的比例、积分和微分的线性组合，它的数学定义如式2.2 所示：

( 式2.2)

式中：KP——比例系数；

TI——积分时间常数；

TD——微分时间常数；

u(0) ——PID 控制器起始输出值。

4.1.3 利用RSLOGIX500 的PID 功能实现

图3 LOGIX500 的PID 功能块

上图是LOGIX5000 的PID 功能块。0.1 秒采样周期内各个浇铸阶段实际流量和目标流量的偏离值为Q0。第二阶段开始的比例伺服阀的控制电压是V0。

图4 LOGIX500 的PID 功能块设置

图4 是PID 的功能块的设置画面，主要调节的参数是比例增益、积分增益和微商时间。

比例增益：即成比例地反映系统的偏差信号，系统偏差一旦产生，PID 调节器立即产生与其成比例的控制作用，以减少偏差。

积分增益：用于消除稳态误差，提高系统的无差度。

微商时间：具有预见性，能预见偏差信号的变化速率，使偏差信号变化过大之前，在系统中能得到提前的修正，从而加快系统的响应速度。

合理地调整比例增益、积分增益和微商时间能使得实际的铜水流量接近设定流量。

4.2 流量控制的定量浇铸使用情况

河南豫光金铅股份有限公司采用了PID 流量控制，误差1 公斤以内的阳极板达到了95%。浇铸系统的抗干扰能力大幅提高。

5 结束语

由于PLC 的扫描周期较长，流量控制的取样周期是0.1 秒，间隔时间较长。为了更好地控制浇铸精度，引入单片机来控制浇铸包必定是日后的发展趋势。

图2 传统PID 控制系统原理框图025