铅阳极板的浇铸，国内通常采用定时法控制浇铸重量，即通过控制浇铸时间达到定量的目的，由于受铅液流量、流速、氧化渣、浇铸口结渣等诸多因素的影响，定时法浇铸的计量误差较大，浇铸出的阳极板重量难以保证合格。为提高铅阳极板的成品率，采用动态失重法实现定量浇铸，在一个浇铸周期内，保持铅泵的频率不变，即保持铅液流量恒定，且在铅液无回流的条件下，使浇铸出的铅阳极板的重量合格。

PROFIBUS-DP是用于现场设备级的高速数据传输，具有传输介质简单、安装维护方便、容易进行扩展总线系统、可靠性高等优点，PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统，为系统配置提供了高度的灵活性。铅阳极板圆盘浇铸机生产线控制系统采用PROFIBUS-DP现场总线技术，由工控机、PLC等构成。

1 工艺流程 1.1 工艺流程简介

铅阳极板浇铸的工艺流程为：抽铅泵将铅液从铅锅注入储铅槽，通过变频器控制铅泵的频率，从而控制铅液的流量，并保证储铅槽中铅液的重量在规定范围内，使铅液不回流至铅锅中，采用动态失重法浇铸^[1]，控制从储铅槽浇铸至阳极板模中的铅液重量；铅阳极板冷却后通过脱模装置顺利脱模，再经平整机构完成对铅阳极板的取板和平整，最后通过铣耳机构将铅阳极板挂耳铣平，消除电解中因铅阳极板垂挂不直，容易碰极的问题。浇铸生产线时序如图 1所示。

1.2 控制要求

每次定量浇铸一块铅阳极板，可设定板重范围120~ 140 kg，且连续可调，精度要求为± 4kg，浇铸时间5~ 8 s，浇铸周期18~ 24 s，具有定时法、动态失重法浇铸两种控制方式，并能互相切换。

采用动态失重法浇铸时，对储铅槽中的铅液重量进行监控，每个浇铸周期内只调整一次铅泵频率，确保在浇铸时间内注入储铅槽中的铅液流量恒定，并使铅液不回流到铅锅。

控制系统自动完成脱模、取板、平整、铣耳、拔距等工序。

动态在线显示浇铸过程、储铅槽铅液重量、铅阳极板重量、生产报表，运行参数在线修改，及实现各种控制功能等。

2 动态失重法浇铸控制原理

动态失重法浇铸时序^[2]如图 2所示。

t_o时刻打开电磁阀进行浇铸；t₁时刻浇铸重量达到控制重量关电磁阀；t₂时刻调整铅泵频率；t₃至t_o时间内测量注入储铅槽中的铅液流量。

2.1 铅液无回流控制

浇铸完铅阳极板后，每个浇铸周期的同一时刻t₂，对铅泵的频率f进行调整。根据计量槽的控制重量W_c和计量槽料重W₁，计算重量误差E，采用PI控制确定铅泵频率。

重量误差E_(k) = W_c-W₁

铅泵频率(f_k)=(f_k-1)+K_p[E_(k)-E_(k-1)]+K_IE_(k)

2.2 铅液流量检测

由于在整个浇铸周期内一直往储铅槽中注入铅液, 需在浇铸前确保铅液流量恒定，并测出该流量，因此，在铅液流量已稳定后的t₃至t_o时间内测量铅液流量Q。

铅液流量：Q=(W₀-W₃)/(t_o-t₃)

2.3 铅阳极板重量控制

打开电磁阀进行浇铸，铅阳极板重量达到浇铸控制重量W控时关闭电磁阀。

铅阳极板重量W =W₀-W₁+Q_(t1-t0)

根据铅阳极板给定重量与实际重量的误差，采用PI控制，对下一周期的控制重量W控进行误差补偿。

3 控制系统硬件构成 3.1 PROFIBUS-DP简介

现场总线技术已成为自动化领域中重要的技术发展方向之一，PROFIBUS是一种国际性的开放式的现场总线标准，有3种系列：PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS。PROFIBUS-DP用于现场设备级的高速数据传输，中央控制器通过高速串行总线同分散的现场设备进行通信，采用RS-485传输技术，最大数据传输速率12Mbps，支持单主或多主系统，站之间采用令牌传递^[3-4]。

3.2 控制系统的网络结构

铅阳极板浇铸控制系统采用PROFIBUS-DP现场总线作为过程控制网络，控制系统网络结构^{[3, 5]}如图 3所示。

DP一类主站：采用西门子的S7-300系列PLC，主站采用CPU315-2DP，其带有一个DP通信口和一个MPI口。S7-300PLC除CPU模块外，还有电源模块PS307、DI模块SM321、DO模块SM322、AI模块SM331等。开关量输入信号主要有：铅模到位信号，链条到位信号，平板退到位信号，铣刀到位信号，以及浇铸、脱模、平板、拔距、链条、圆盘、铣耳的启停信号等；开关量输出信号主要有：浇铸阀、脱模阀、平板阀、拔距阀、铣耳阀及链条的控制信号；模拟量输入信号主要有：储铅槽中的铅液重量信号。

DP二类主站：采用工业控制计算机，提供人机接口界面，通过安装在工控机PCI插槽中的CP5611卡，将工控机连接至PROFIBUS–DP现场总线。

DP从站：二台MM440变频器分别控制圆盘、抽铅泵的启停。

4 系统软件设计方法

系统的软件设计包括在工控机中运行的系统监控软件设计和S7-300 PLC控制程序设计。

4.1 PROFIBUS-DP通信设置

建立主站系统，采用STEP7 V5.2软件，在S7-300的CPU中建立一个PROFIBUS-DP网络，设立网络地址、通信速率、通信方式、通信字节等通信参数，保存和下载到S7-300的CPU中。在主站系统下，选择PROFIBUS-DP网络，组态DP网络的从站。

4.2 系统监控界面设计

采用MCGS网络版监控组态软件，MCGS的组态环境由用户窗口、主控窗口、设备窗口、实时数据库和运行策略五部分组成，实现工艺流程操作、画面生成、动画显示、实时和历史数据处理、报表输出等功能。在工艺流程操作画面中动态显示储铅罐铅液重量，铅阳极板浇铸重量，浇铸、脱模、平板、拔距、圆盘、铣耳、链条等启停控制和在线动态显示，完成浇铸重量、浇铸周期等参数的设置，定时法浇铸、动态失重法浇铸等控制功能。铅阳极板历史数据显示，班报表、日报表、月报表显示等。若发生储铅罐中铅液重量异常，抽铅管道堵塞等故障时报警。

4.3 PLC控制程序

S7-300 PLC的控制程序采用SEP7 V5.2软件进行编写，采用结构化编程方式^[6]，将控制任务分割为“子程序”，分布在不同的组织块中，PLC的控制程序包括：循环执行的主程序块，功能块、循环中断处理组织块等。

循环中断处理组织块完成对铅阳极板浇铸重量的控制功能，实现动态失重法浇铸或定时浇铸，循环中断时间间隔为10ms。则以最短浇铸时间5 s，最大浇铸重量140kg计算，10 ms内铅阳极板浇铸重量的最大误差为0.28kg，远远小于控制要求的4kg。

脱模、平板、铣耳、拔距、链条启停、圆盘启停等控制任务在各功能块FB中实现。

5 结语

(1) 采用现场总线技术构成的铅阳极板定量浇铸系统具有良好的开放性、可扩展性，系统可靠性高。

(2) 动态失重法定量浇铸克服了定时法浇铸受工况影响，导致铅阳极板厚薄不均匀的现象，提高了产品合格率。

(3) 应用MCGS监控组态软件开发的人机交互界面直观、操作方便。