編碼器在山鋼板坯連鑄機中的設計與應用

趙甲斌

(萊蕪鋼鐵集團有限公司設備檢修中心，山東 萊蕪 271104)

0 前言

山東鋼鐵日照有限公司煉鋼制造部首建鑄坯生產(chǎn)線設計為雙機雙流板坯連鑄機，該項目于2017年12月建成熱試。整條生產(chǎn)線設計為連續(xù)彎曲連續(xù)矯直、直弧型連鑄機，斷面230 mm×1000～1950 mm,拉速范圍0.9～1.7 m/min,最大生產(chǎn)能力460萬噸。主要生產(chǎn)各類低、中和高碳鋼、合金鋼。

該生產(chǎn)線在拉矯機驅(qū)動系統(tǒng)和引錠桿卷揚系統(tǒng)均采用西門子S120變頻器進行控制，其中引錠桿驅(qū)動為電動機械式調(diào)速卷揚，長約16 m，運行速度0～5 m/min。每臺驅(qū)動電機軸端均安裝了編碼器進行測速，編碼器品牌為瑞典Leine&Linde。編碼器設計供電電壓9-30VDC、極性保護電源，分辨率為1 024 ppr。編碼器的信號通過傳輸電纜連接到單軸驅(qū)動器CU310-2DP的控制單元接口X23上，變頻器接受信號并處理后通過PROFIBUS-DP通訊線完成信號傳輸，最終信號通過傳輸給PLC后進行處理。

1 編碼器介紹

按照工作原理，編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。文中涉及到編碼器主要是作為測量、計算用增量式編碼器。

如圖1所示，增量式編碼器將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。在圖1編碼器結構圖中，漏光盤為一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，由光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號組合成A、B、-A、-B,每個正弦波相差90°相位差(相對于一個周波為360°)，將A、B信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩(wěn)定信號；每轉輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。

圖1 編碼器結構圖

由于A、B兩相相差90°，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉與反轉，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位，如圖2所示。

圖2 編碼器信號圖

2 編碼器配置與調(diào)試

通過在變頻參數(shù)設置P1300開環(huán)/閉環(huán)運行方式，可以方便的進行矢量控制的選擇，控制方式有帶編碼器的矢量控制和無編碼器的矢量控制兩種，矢量控制時的速度控制ASR是把速度指令和速度反饋信號進行差值比較，然后進行PI控制，經(jīng)過一定的濾波時間，再經(jīng)過轉矩限定，輸出轉矩電流，進入轉矩環(huán)控制。無速度編碼器的矢量控制方式的最大優(yōu)勢是不用安裝速度編碼器，但其調(diào)速性能僅能滿足要求不高的場合；而有速度編碼器的矢量控制方式雖然必須安裝速度編碼器，但其調(diào)速范圍更寬、速度控制精度更高，能滿足高精度傳動轉矩場合，并且能實現(xiàn)零轉速時150%的輸出轉矩，這是無速度編碼器的矢量制方式無法比擬的。尤其在連鑄機系統(tǒng)中適應板坯拉速的需求，必須具有足夠的低速轉矩和控制精度。有、無速度編碼器的矢量控制方式性能參數(shù)對比如表1所示。

表1 有/無速度編碼器的矢量控制比較表

2.1 硬件配置部分

現(xiàn)場用到的增量式編碼器直接與電機后軸相連接，將連桿的固定螺栓擰緊即可保證編碼器的機械精度，無需另外找正，給安裝和調(diào)試帶來很大方便。編碼器在板坯連鑄機硬件接線如圖3所示。

圖3 編碼器硬件接線

變頻器端接在S120的-X23端子上，現(xiàn)場施工應確保編碼器的信號線不要接到直流電源上或交流電流上，以免損壞輸出電路。配線時編碼器連接電纜應為屏蔽雙絞線，但實際板坯連鑄機應用中采用的編碼器為單股線纜帶屏蔽，同樣按照西門子手冊對于數(shù)字信號線屏蔽應按雙端接地。良好的屏蔽能夠切斷噪聲源對編碼器信號的干擾，保證脈沖信號不丟失。

2.2 軟件設置部分

帶編碼器的連鑄機驅(qū)動電機系統(tǒng)配置采用西門子軟件STARTER軟件來完成。在對第三方電動機數(shù)據(jù)的設置過程中，電動機的主要基本數(shù)據(jù)必須正確填寫 。配置完電動機數(shù)據(jù)后，再配置編碼器的數(shù)據(jù)，對與Siemens電動機配套的編碼器，可以通過電動機的訂貨號來確定其集成的編碼器型號，由于采用的外配編碼器，則需要對編碼器的數(shù)據(jù)進行設定。

2.3 綜合調(diào)試部分

在完成對變頻器S120調(diào)試軟件STRARTER中配置之后，然后調(diào)試帶編碼器矢量控制系統(tǒng)。首先確認編碼器反饋信號是否正常，具體為先把變頻器設置為V/F 控制模式P1300=0，讓變頻器低速運行在設定的恒定頻率下，察看r0061,編碼器檢測出的電機轉速。在編碼器信號接收正常情況下，參數(shù)r0061反饋的速度應該與給定頻率符號相同、大小相近。如果大小相差較大，可能由于編碼器每轉脈沖數(shù)設置錯誤、或編碼器信號受到干擾、或接線不良等原因?qū)е?。確認編碼器硬件系統(tǒng)無問題后，然后進行相應的閉環(huán)控制系統(tǒng)參數(shù)設置，主要參數(shù)為閉環(huán)控制參數(shù)P1300=21帶編碼器的矢量控制；轉速控制器 P增益參數(shù)P1460=8.018；轉速控制器積分時間參數(shù)P1462=96 ms。

在現(xiàn)場調(diào)試過程中初期出現(xiàn)過1#機1流引錠桿卷揚不動作，但變頻器S120未出現(xiàn)故障報警信息。在排除電氣系統(tǒng)問題后，最后確認為編碼器線路端子接錯，導致脈沖不能正確接收，從而造成反饋信號的不準確。在其它驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)試中一臺變頻器S120報F31117：信號取反出錯。通過檢查端號5，6同7，8兩組接線交叉而導致脈沖接收報錯。如圖3所示，編碼器輸出與變頻器S120相應接口對應的A-、A+與B-、B+的端號不同，要避免接錯。

在軟件STRATR中利用Trace功能可以對驅(qū)動器以及電機的各種狀態(tài)參數(shù)進行記錄，方便故障診斷以及性能判斷。通過在參數(shù)運行曲線可以判斷系統(tǒng)的動態(tài)特性，如超調(diào)、穩(wěn)定時間等等。調(diào)試中給定速度從加速過程到減速分別以每10 s變化一個速度追蹤五條曲線。如圖4所示，縱坐標分別顯示r63實際速度值、r68實際電流值、 r80轉矩實際值、 r70直流母線電壓實際值和r60速度設定值。通過圖4可以看出給定速度和實際速度基本重合。從圖5放大后的給定速度和實際速度顯示圖可以看出速度跟蹤良好，表明速度閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)響應靈敏、無超調(diào)。

圖4 STRARTER軟件中trace跟蹤圖

圖5 給定速度與實際速度曲線

3 編碼器校準

由于引錠桿卷揚系統(tǒng)采用增量式編碼器，與絕對值編碼器記住物理位置不同， 此編碼器需要輸出脈沖進行內(nèi)部計算來確定其位置，當編碼器不動或檢修停電時，依靠內(nèi)部記憶來記住位置，所以系統(tǒng)停電后，編碼器不允許有移動，當供電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有其他干擾而丟失脈沖。否則，將導致計數(shù)位置的偏移和誤差的累積，從而導致定位不準。

增加參考點可解決此問題，編碼器經(jīng)過參考點，將參考位置修正進計數(shù)設備的記憶位置?，F(xiàn)場除了安裝上、下極限位外還安裝了上位限位作為校驗位。因為機械定位才是最準確的位置控制模式，用給定指令脈沖數(shù)與反饋脈沖數(shù)的比較指令控制電機的啟動、加速和減速及制動，不可能實現(xiàn)真正意義上的精確定位控制。通過校驗位的校正進行初始點位的定位，極其方便了滿足精準位置控制的要求。

4 編碼器信號處理程序

利用現(xiàn)有的組態(tài)的硬件系統(tǒng)可以很方便的傳輸編碼器數(shù)據(jù)而無須再增加高速處理模塊。編碼器運行發(fā)出的脈沖存放在變頻器S120的參數(shù)r482中，數(shù)據(jù)的傳輸是通過DP通訊傳輸?shù)絇LC中。報文結構參數(shù)P922設置為999自由報文格式，同時再設定P2061[8]=PZD 9 + 10傳輸?shù)碾p字連接到參數(shù)r482。這樣就完成了信號也即脈沖數(shù)據(jù)的傳輸。

通過拆解變頻器r482的方法得到實時地脈沖數(shù)，r482是一個無符號32位數(shù)，其中低11位是細分，當32 位滿了自動歸零繼續(xù)累加，其余位即原始脈沖數(shù)累計值。這樣可以推算出電機轉的圈數(shù)。通過電機轉的圈數(shù)可以很容易的計算出引錠桿卷揚轉出的距離，從而確定出實際的位置高度。其中編碼器一個脈沖對應的長度為：

M=π·R/脈沖數(shù)

通過讀取的編碼器脈沖數(shù)可求得各位置數(shù)據(jù)。由于引錠桿裝置為連鑄機結晶器上裝式設計，在PLC控制程序中，需要定義各翻轉區(qū)、接受位、校驗位和極限位等位置數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)主要由編碼器送入的測量脈沖計算來完成的，通過實時的位置測量來完成引錠桿卷揚高、低速切換和準確定位。

5 編碼器維護

編碼器屬于精密測量器件，對安裝精度、運行環(huán)境和周期性維護情況都有嚴格的要求。所以編碼器軸與端輸出軸之間采用彈性軟連接，避免因軸的串動、跳動而造成編碼器軸系和碼盤的損壞。安裝中確保兩個軸心的不同軸度<0.2 mm，與軸線的偏角<1.5°。在設備日常點檢、定修時要注意檢查板彈簧相對編碼器是否松動，固定編碼器的螺釘是否松動；另外電氣方面編碼器的信號線避免接到直流電源上或交流電流上，以免損壞輸出電路?，F(xiàn)場2#機3流引錠桿卷揚編碼器實際應用中由于安裝固定不牢靠，長時間運行松動造成了編碼器故障，變頻器S120故障代碼為F07900堵轉故障，在排除機械設備卡死、電機抱閘沒打開及轉矩限幅原因之外，現(xiàn)場拆檢發(fā)現(xiàn)編碼器軸心竄動造成編碼器硬件損壞。由此可見，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由編碼器導致的故障并不一定直接報編碼器出錯，而是以其他故障形式體現(xiàn)。所以在現(xiàn)場排除編碼器故障一般可采用手動盤電機讀r61,察看能否如實反映電機的速度和轉向來簡單確認編碼器是否正常。

在連鑄機設備初期運行過程中，針對編碼器應用方面還出現(xiàn)過S120，偶報F31118轉速差值超出公差，在檢查各控制線和動力線纜布線情況符合EMC規(guī)則布線外，在不影響控制要求前提下最后采取放大了P0492每個采樣周期的最大轉速差值。另外針對編碼器運行出現(xiàn)的意外損壞或其他情況還對此設置了無編碼器運行的切換，即參數(shù)P0491=5， 編碼器故障導致無編碼器運行，繼續(xù)運行，報警，確保在編碼器意外情況下保證連鑄機的連續(xù)生產(chǎn)。

在編碼器使用時須注意周圍有無振源及干擾源，做好電氣隔離防護，遠離干擾源。在實際應用中，發(fā)現(xiàn)如果將編碼器電纜的屏蔽線接入電柜的集中接地塊，依然有被干擾的情況發(fā)生，計數(shù)無規(guī)律跳，此時需要把編碼器這類敏感傳感器的電纜屏蔽線獨立接地。現(xiàn)場環(huán)境不是防漏結構的編碼器不要濺上水、油等，必要時要加上防護罩，同時注意環(huán)境溫度、濕度是否在儀器使用要求范圍之內(nèi)，保證編碼器工作在良好的環(huán)境。

6 結論

山鋼日照分公司雙機雙流板坯連鑄機設備投產(chǎn)運行情況顯示，增量式編碼器以其精確的測量和反饋，取得了滿意的設備運行效果。一方面通過對增量式編碼器信號處理計算出的位置及時反饋給HMI；另一方面通過反饋的電機速度構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，滿足了現(xiàn)場速度控制精度要求，同時也使得控制系統(tǒng)獲得了良好的速度動態(tài)響應。