板坯去毛刺機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化與改造

袁 友

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

0 前言

安鋼第一煉軋廠板坯連鑄機(jī)是100 t轉(zhuǎn)爐-板坯連鑄-中板這一精品生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備。近兩年來(lái)，在保證生產(chǎn)的同時(shí)，陸續(xù)對(duì)板坯連鑄出坯系統(tǒng)進(jìn)行了改造，延長(zhǎng)了出坯線路，新增了去毛刺機(jī)系統(tǒng)。改造后，提高了熱送率和鋼板表面質(zhì)量，使精品線路更加流暢，運(yùn)行成本明顯降低，為以后類似設(shè)備的使用、改造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 設(shè)備概況

鋼坯從連鑄機(jī)拉出后要用火焰切割機(jī)進(jìn)行切割，由于火焰切割后鋼坯切口下邊粘連有一條不規(guī)則的鋼渣(簡(jiǎn)稱鋼坯毛刺)，這種氧化鋼渣的硬度較大，若帶入軋鋼機(jī)時(shí)會(huì)不規(guī)則地嵌入鋼板中，影響鋼板的表面質(zhì)量甚至產(chǎn)生廢品。為了提高成材率，各鋼鐵廠都在生產(chǎn)線上采取措施，去除鋼坯毛刺。

安鋼第一煉軋廠采用的板坯去毛刺機(jī)是德國(guó)GeGa公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一種新型高效的用于去除鋼坯切割毛刺的專用設(shè)備，設(shè)備通過光電開關(guān)定位，能全自動(dòng)地完成去毛刺工作。去毛刺機(jī)采用刮刀方式，利用鋼坯運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力去除毛刺，去毛刺率明顯優(yōu)于飛刀除毛刺法及鏟刀移動(dòng)刮毛刺法，效果十分理想，能更好地保證連鑄坯的質(zhì)量，提高成品板材質(zhì)量和成材率。

1.1 去毛刺機(jī)的主要設(shè)備構(gòu)成及工作原理

去毛刺機(jī)設(shè)備的構(gòu)成包括：主框架、去毛刺輥和機(jī)架、去毛刺刀頭及汽缸、液壓推桿和橫梁、氣動(dòng)和液壓站、廢料斗、電氣控制系統(tǒng)、檢測(cè)開關(guān)及鋼坯定位反射光柵等(如圖1所示)。

圖1 去毛刺機(jī)主要設(shè)備構(gòu)成

去毛刺機(jī)的工作原理：去毛刺機(jī)采用刮刀方式，主要利用鋼坯運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力去除毛刺。去毛刺機(jī)共設(shè)有五道光柵來(lái)檢測(cè)鋼坯的動(dòng)態(tài)位置，然后根據(jù)鋼坯當(dāng)時(shí)所處的實(shí)際位置來(lái)發(fā)出去毛刺機(jī)的動(dòng)作指令，以達(dá)到去除毛刺的目的。

首先去毛刺機(jī)第一道光柵檢測(cè)到鑄坯進(jìn)入到去毛刺工作區(qū)域→去毛刺輥抬起同時(shí)以和輸送輥道相同的線速度旋轉(zhuǎn)→鑄坯進(jìn)入頭部去毛刺位→輥道及去毛刺輥停止→去毛刺輥下降同時(shí)刀頭部定位→去毛刺輥定位好后抬起并由其輥身上帶有的鎖定銷鎖定→伸出刀頭→推桿推動(dòng)→頭部去毛刺完成→去毛刺輥旋轉(zhuǎn)清渣→重新定位鎖定→伸出刀頭→推桿反向推動(dòng)→完成尾部去毛刺→輥道運(yùn)行→鑄坯離開去毛刺機(jī)工作區(qū)域→去毛刺動(dòng)作結(jié)束。

1.2 技術(shù)參數(shù)

板坯連鑄去毛刺機(jī)的去毛刺輥旋轉(zhuǎn)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，鑄坯的橫向移動(dòng)由液壓傳動(dòng)提供推力，去毛刺輥的抬升由氣壓傳動(dòng)提供升力，去毛刺機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 去毛刺機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.3 電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)

第一煉軋廠板坯去毛刺機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由西門子產(chǎn)品構(gòu)成，采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并且預(yù)留與鑄流PLC S5 CPU進(jìn)行H1網(wǎng)通信的接口。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)位置控制、與觸摸屏數(shù)據(jù)交換、現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)量信號(hào)輸入輸出、邏輯順序自動(dòng)控制等功能。去毛刺機(jī)PLC系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、操作控制面板之間經(jīng)PROFIBUS連接起來(lái)進(jìn)行通信，電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)原理如圖2所示。

圖2 去毛刺機(jī)PLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)示意圖

由圖2中可以看出，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。S7-300的CPU315-2DP為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主站，其它節(jié)點(diǎn)均為從站，該CPU最多可以帶32個(gè)從站，所以具有良好的可擴(kuò)展性。

2 去毛刺機(jī)在生產(chǎn)運(yùn)行過程中存在的問題與分析

2.1 去毛刺輥定位不準(zhǔn)

去毛刺輥在下位時(shí)找不著位，往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)法進(jìn)行下一步的動(dòng)作，使去毛刺機(jī)根本不能正常工作。在對(duì)問題進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)的研究與分析后，發(fā)現(xiàn)去毛刺輥需要準(zhǔn)確及快速的定位，這一特點(diǎn)要求電機(jī)的速度響應(yīng)要快，響應(yīng)時(shí)間越短對(duì)電機(jī)定位控制越有利。對(duì)于去毛刺機(jī)的這種要求，傳動(dòng)裝置要能夠快速制動(dòng)，其斜坡曲線較為"陡峭"，但這樣變頻器會(huì)產(chǎn)生較高的再生能量，如果沒有外接制動(dòng)電阻來(lái)釋放能量，必將導(dǎo)致變頻器中直流回路出現(xiàn)過高的反饋電壓而跳閘。事實(shí)上在原設(shè)計(jì)中，變頻器沒有配備制動(dòng)電阻，從而致使變頻器在工作過程直流回路頻繁過壓而停機(jī)。使用中暴露出的去毛刺輥定位不準(zhǔn)問題印證了以上判斷。

2.2 變頻器經(jīng)常過電流保護(hù)而停機(jī)

板坯輥道系統(tǒng)采用接觸器控制，輥道速度無(wú)法控制調(diào)節(jié)，去毛刺輥與輸送輥道速度不匹配，當(dāng)鋼坯壓在去毛刺輥上后，由于去毛刺輥和輸送輥道轉(zhuǎn)速不同步，造成去毛刺輥電機(jī)不但要承擔(dān)幾噸重的鋼坯移動(dòng)所帶來(lái)的負(fù)載，而且還要承受輸送輥道轉(zhuǎn)速不同步而通過鋼坯傳遞來(lái)的額外力矩，大大增加了去毛刺輥電機(jī)的負(fù)荷，一旦輥道上鋼坯輸送稍有不順暢時(shí)，變頻器經(jīng)常就會(huì)過電流保護(hù)動(dòng)作，嚴(yán)重影響去毛刺的正常工作，而且也大幅縮短了去毛刺輥電機(jī)的使用壽命。

2.3 子鋼坯無(wú)法各自分開去毛刺

板坯二切車的定尺切割，母坯要被切成三塊子坯，子坯在輸送往去毛刺區(qū)域時(shí)，子坯與子坯之間幾乎沒有間隔，相互之間緊挨著一塊進(jìn)入去毛刺區(qū)域，依靠去毛刺機(jī)本身的定位光柵根本無(wú)法將子坯一一分開，而去毛刺機(jī)需要逐塊去毛刺才能正常工作，所以，將子坯互相分離開來(lái)成為正常去毛刺的前提。

2.4 光柵控制信號(hào)無(wú)法正確傳送

去毛刺機(jī)的光柵整體固定在去毛刺機(jī)主框架上，采用的是紅外線反射光柵，PLC通過接收反射信號(hào)進(jìn)行邏輯順序控制。去毛刺機(jī)工作時(shí)框架振動(dòng)很大，光柵的發(fā)射光束和反射端晃動(dòng)也很大，光柵接收端根本無(wú)法正確接收反射信號(hào)，系統(tǒng)邏輯順序運(yùn)算無(wú)法正常進(jìn)行。同時(shí)，由于光柵距離炙熱的鋼坯只有大約70 cm，鋼坯的熱輻射經(jīng)常使光柵器件由于溫度太高而損壞，這些因素都大大增加了控制信號(hào)傳送的不穩(wěn)定性。而且設(shè)備維護(hù)人員需經(jīng)常在距近千攝氏度高溫的鋼坯不到1 m處維護(hù)光柵，工作環(huán)境極其惡劣，而且不安全。

2.5 難以滿足鑄坯全定尺去毛刺的需要

2.5.1 鋼坯定位困難

板坯輥道間距750 mm，第一煉軋廠板坯定尺范圍從1.6 m ～6 m，生產(chǎn)中需要經(jīng)常性改變定尺長(zhǎng)度，有時(shí)一個(gè)班就要改變幾次。板坯尺寸變化范圍寬，尺寸變化頻率快，要求去毛刺機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)于尺寸為1.6 m的板坯在到達(dá)去毛刺刀頭時(shí)，坯子下面只有一根輥?zhàn)又?，因?yàn)楦軛U作用，鋼坯就會(huì)栽頭，幾乎無(wú)法使用。在其他不同定尺的鋼坯去毛刺時(shí)，也會(huì)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)去毛刺機(jī)撥爪"壓坯"或"脫坯"的現(xiàn)象。經(jīng)過觀察和分析，發(fā)現(xiàn)因?yàn)楦鞣N定尺長(zhǎng)度的鋼坯重量不同，同樣的輸送速度其慣量大小也有差別。又因?yàn)樵绦蛟O(shè)計(jì)中在去鋼坯毛刺時(shí)，鋼坯的停止位置是靠調(diào)節(jié)去毛刺機(jī)輸送輥道組的停止時(shí)間，讓坯子依靠其慣性滑停下來(lái)，鋼坯的停止位置很不精確，由于慣量不同，坯子頭部或尾部行走到去毛刺機(jī)刀頭位置停止時(shí)，有時(shí)坯子走過了，有時(shí)坯子還走不到位就停了。

為了解決這個(gè)問題，就必須改變?cè)瓉?lái)的停坯方式，修改PLC的控制程序，由原來(lái)的坯子依靠慣性自由停坯改為坯子定位強(qiáng)制停坯。為此設(shè)計(jì)了讓撥爪先于鋼坯到達(dá)刀頭位置前運(yùn)行至下位，來(lái)充當(dāng)某些鋼坯可能走過刀頭區(qū)域的擋臂，又利用刀頭區(qū)的檢測(cè)光柵來(lái)控制去毛刺機(jī)輸送輥道組的停止時(shí)間，只有當(dāng)坯頭到位時(shí)才發(fā)出去毛刺機(jī)輸送輥道組停止的命令，避免某些鋼坯可能走不到位就停下來(lái)。

2.5.2 去毛刺控制系統(tǒng)運(yùn)行周期過長(zhǎng)、工作效率低

去毛刺輥傳動(dòng)電機(jī)工作頻繁，在一個(gè)去毛刺周期內(nèi)，電機(jī)啟動(dòng)/停止達(dá)到8次，嚴(yán)重影響了電機(jī)的使用壽命，且加大了電耗、延長(zhǎng)了去毛刺的周期時(shí)間。

去毛刺控制系統(tǒng)周期過長(zhǎng)，工作效率低，對(duì)生產(chǎn)的影響表現(xiàn)在，當(dāng)板坯大包剛澆完一半時(shí)，毛刺機(jī)工作就不能跟上澆注節(jié)奏，輥道上積滿了待去毛刺的鋼坯，二切車切割模式被迫只能從三切分改為二切分，無(wú)法切割生產(chǎn)需要的定尺。

鑒于去毛刺機(jī)在使用中出現(xiàn)的上述問題，需要對(duì)它進(jìn)行大幅度的改造和優(yōu)化，否則根本無(wú)法正常使用，也無(wú)法發(fā)揮其應(yīng)有的潛力和效益。

3 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化

3.1 增加變頻器制動(dòng)電阻

分析M440變頻器及所帶負(fù)載可以看出，M440功率為22 kW，而現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)輥電機(jī)為18 kW，但因?yàn)轵?qū)動(dòng)輥比較粗大、沉重，制動(dòng)時(shí)要克服很大的慣量，考慮到運(yùn)行要平穩(wěn)可靠、輥的慣性較大這些因素，在選擇相匹配的制動(dòng)電阻時(shí)，適當(dāng)增加了制動(dòng)電阻的功率，選擇了25 kW的制動(dòng)電阻。還調(diào)整了變頻器參數(shù)P1132設(shè)置，使斜坡函數(shù)發(fā)生器所決定的起始和停止圓弧更加平滑。通過這些措施，使去毛刺輥在下位時(shí)找不著位、往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)、直流母線反饋電壓過高報(bào)警等問題得到了徹底解決，在以后的生產(chǎn)觀察中，幾乎再?zèng)]有發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)過類似問題。

3.2 速度控制和負(fù)載優(yōu)化

為保持去毛刺輥與輥道速度匹配，反復(fù)測(cè)試調(diào)節(jié)PLC程序中對(duì)去毛刺輥?zhàn)冾l器的速度給定值，在速度控制塊FC50中，把DB20.DBW22速度控制字由3500調(diào)整為3200，使去毛刺輥和輸送輥道轉(zhuǎn)速最大限度保持一致，減少了鋼坯壓在去毛刺輥上后，由于去毛刺輥和輸送輥道轉(zhuǎn)速不同步而給去毛刺輥電機(jī)帶來(lái)的額外負(fù)荷，通過反復(fù)試驗(yàn)對(duì)比，調(diào)節(jié)后去毛刺輥電機(jī)負(fù)荷從15 A降為8 A，電流降低了46%，消除了變頻器頻繁過電流跳電的因素，延長(zhǎng)了去毛刺輥電機(jī)壽命，效果顯著。

3.3 新增子坯分離光柵

針對(duì)子坯無(wú)法分開的問題，經(jīng)過分析，需要提前檢測(cè)子坯到來(lái)的時(shí)間，在三塊子坯還沒有到達(dá)去毛刺區(qū)域時(shí)，通過控制輸送輥道電機(jī)停止時(shí)間，實(shí)現(xiàn)提前將子坯各自分開。在去毛刺區(qū)域前2.5 m處增加了一對(duì)對(duì)射子坯分離光柵，用來(lái)檢測(cè)二切后首塊子坯到達(dá)的時(shí)間，當(dāng)分離光柵及時(shí)檢測(cè)到第一塊鋼坯到達(dá)的信號(hào)時(shí)，通過調(diào)整PLC程序來(lái)控制輸送輥道停止時(shí)間，將首塊鋼坯和第二塊鋼坯分別停在去毛刺機(jī)輥道組和鑄機(jī)輸送輥道組上，當(dāng)啟動(dòng)去毛刺程序時(shí)，只能首塊鋼坯進(jìn)入去毛刺區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)將二切車切好的鑄坯一一分離開來(lái)，為下一步逐塊鋼坯去毛刺作好準(zhǔn)備。經(jīng)過改造增設(shè)子坯分離光柵后，達(dá)到了很好的子坯分離效果。

3.4 去毛刺光柵移位改造

將光柵從主框架上移下，新增加固定光柵的單獨(dú)框架，與去毛刺機(jī)主框架徹底進(jìn)行分離，并增加了光柵壓空冷卻吹掃裝置。經(jīng)過改進(jìn)，有效避免了框架震動(dòng)對(duì)電氣控制信號(hào)穩(wěn)定性的影響，提高了系統(tǒng)工作的可靠性，降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度和維護(hù)時(shí)間，保證了去毛刺機(jī)工作的效率。

3.5 PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)程序優(yōu)化

改變?nèi)ッ虣C(jī)的工作控制過程。原設(shè)計(jì)去毛刺輥動(dòng)作順序?yàn)椋喝ッ虣C(jī)光柵檢測(cè)到鑄坯，去毛刺輥抬起，以輥道速度旋轉(zhuǎn)，鑄坯進(jìn)入頭部去毛刺位，輥道及去毛刺輥停止，去毛刺輥下降同時(shí)頭部定位，去毛刺輥定位好后抬起，伸出刀頭，推桿推動(dòng)，頭部去毛刺完成，去毛刺輥旋轉(zhuǎn)清渣，重新定位，伸出刀頭，推桿反向推動(dòng)，完成尾部去毛刺，輥道運(yùn)行，鑄坯離開去毛刺機(jī)，去毛刺動(dòng)作結(jié)束。

改造優(yōu)化后的去毛刺控制順序?yàn)椋和ㄟ^分離光柵將鑄坯分離，分離出的鑄坯進(jìn)入去毛刺區(qū)，去毛刺光柵檢測(cè)到鑄坯，推桿進(jìn)入頭部去毛刺位，同時(shí)去毛刺輥頭部定位，鑄坯至去毛刺位，去毛刺輥抬起，刀頭伸出，推桿推動(dòng)，頭部毛刺去除，去毛刺輥下降，輥道反轉(zhuǎn)同時(shí)推桿進(jìn)入尾部去毛刺位，鑄坯至去尾部毛刺位，去毛刺輥抬起，刀頭伸出，推桿推動(dòng)，輥道啟動(dòng)，鑄坯移出去毛刺機(jī)，鑄坯去毛刺過程結(jié)束。

通過對(duì)去毛刺機(jī)撥爪提前運(yùn)行到下位和增加刀頭處光柵檢測(cè)鋼坯到位功能的PLC程序的修改和優(yōu)化，在隨后的生產(chǎn)實(shí)踐中，幾乎再?zèng)]有出現(xiàn)過鋼坯走過和走不到位的現(xiàn)象，徹底解決了一直困擾去毛刺機(jī)不能全定尺工作的難題，為生產(chǎn)的順行創(chuàng)造了良好的設(shè)備條件。

經(jīng)過對(duì)原PLC程序整個(gè)去毛刺邏輯過程的大幅度改造后，刀頭清渣次數(shù)和時(shí)間都減少了1/2，并且減少了由于清渣后重新進(jìn)行刀頭定位、毛刺輥升降動(dòng)作等消耗的時(shí)間，同時(shí)也提高了定位的成功率。整個(gè)去毛刺過程由原來(lái)的120 s縮短至70 s，大大提高了去毛機(jī)的使用效率和使用效果，滿足了生產(chǎn)的需要。

4 改進(jìn)效果

1)板坯去毛刺機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)和變頻器傳動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)，取得了極其明顯的效果，延長(zhǎng)了昂貴的進(jìn)口去毛刺輥電機(jī)的使用壽命，節(jié)約了大量的備件成本。去毛刺機(jī)設(shè)備得以重新正常工作，故障率大幅度減少，故障時(shí)間從原來(lái)每千噸鋼30 min減少到每千噸鋼小于1 min。

2)去毛刺的工作周期從原來(lái)的120 s縮短為70 s，去毛刺效率提高了42%以上。

3)大幅度降低了光柵由于震動(dòng)和高溫造成的損壞，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也大幅度降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了安全環(huán)境，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)去毛刺機(jī)控制系統(tǒng)的全面改造和優(yōu)化，解決了原設(shè)計(jì)的不足，使得系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，效率提高，環(huán)境改善，設(shè)備消耗費(fèi)用大幅度降低。保證了公司轉(zhuǎn)爐-板坯-中板精品線路的生產(chǎn)需要，為集團(tuán)公司創(chuàng)效解困做出了貢獻(xiàn)，對(duì)同類型設(shè)備的改進(jìn)具有一定借鑒意義。

［1］ 周業(yè)華.鞍鋼新軋冷軋2#生產(chǎn)線連鑄酸洗機(jī)組工藝段自動(dòng)控制系統(tǒng).冶金自動(dòng)化，2004，4(6)：40-43.

［2］ 王永華，宋寅卯.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社，2003：7(3)：130-141.