·設(shè)計計算·鋼包回轉(zhuǎn)臺的電氣控制優(yōu)化

梅瑾燁，劉 楨，史江華，周士凱，王曉鵬

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.印尼青山不銹鋼有限公司，福建 福安 355000)

0 前言

鋼包回轉(zhuǎn)臺是現(xiàn)代連鑄機設(shè)備中應(yīng)用最普遍的一種運載和承托鋼包進行澆注的設(shè)備，通常被設(shè)置于車間廠房的鋼水接收跨和澆注跨駐列之間。車間天車將盛滿鋼水的鋼包放到鋼包回轉(zhuǎn)臺的叉臂上，通過回轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)，使鋼包停在中間包上方，實現(xiàn)連鑄機的連續(xù)澆注生產(chǎn)。澆注完畢的空包則通過回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)再運回鋼水接收跨。由于各個廠家對鋼包回轉(zhuǎn)臺承接的鋼包滿包重量要求不同，因此在雙臂滿負(fù)荷情況下，其結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性、制造的合理性和經(jīng)濟性、設(shè)備運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性成為設(shè)計的重要問題。

多個鋼廠反饋，鋼包回轉(zhuǎn)臺在生產(chǎn)過程中，空載運轉(zhuǎn)過程良好；加載后，尤其是在雙臂同時承受最大負(fù)荷運轉(zhuǎn)時，通過運行曲線發(fā)現(xiàn)設(shè)備運轉(zhuǎn)過程有大慣性沖擊對設(shè)備造成損傷；另外當(dāng)系統(tǒng)斷電或更新硬件系統(tǒng)配置后，重新上電后鋼包回轉(zhuǎn)臺不能立即定位，需要人工復(fù)位一次后才能進行正常的自動化控制。針對此問題，根據(jù)國外某鋼廠新建不銹鋼板坯連鑄機的鋼包回轉(zhuǎn)臺的電控系統(tǒng)在現(xiàn)場發(fā)生的問題，對鋼包回轉(zhuǎn)臺電氣控制進行了優(yōu)化。

1 鋼包回轉(zhuǎn)臺控制對象

如圖1所示為連鑄機鋼包回轉(zhuǎn)臺示意圖。鋼包回轉(zhuǎn)臺采用連桿式結(jié)構(gòu)，兩側(cè)鋼包通過液壓控制可以實現(xiàn)單獨升降。鋼包回轉(zhuǎn)臺具有回轉(zhuǎn)、鋼包升降、鋼包重量稱量、鋼包加蓋等功能。鋼包回轉(zhuǎn)臺的正?；剞D(zhuǎn)采用電動機驅(qū)動，事故回轉(zhuǎn)則通過液壓馬達驅(qū)動。事故回轉(zhuǎn)馬達與主減速器之間設(shè)有液壓離合器。

圖1 鋼包回轉(zhuǎn)臺示意圖

鋼包回轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)有兩側(cè)無鋼包、單側(cè)有鋼包、兩側(cè)有鋼包三種典型載荷工況。單個滿包鋼包的重量在200 t以上，鋼包回轉(zhuǎn)臺正常工作時，兩臂都承載裝滿鋼水的鋼包時所受的載荷最重。兩臂承載不同鋼包或單臂承載鋼包時會出現(xiàn)偏載的狀況，尤其是一邊為滿包一邊為無包的工況時，鋼包回轉(zhuǎn)臺將承受最大的偏載。而且，在承接和移走鋼包時都會對鋼包回轉(zhuǎn)臺產(chǎn)生一定的沖擊。在這些狀況下，鋼包回轉(zhuǎn)臺的受力會有很大的不同，但無論載荷工況如何，都要保證鋼包回轉(zhuǎn)臺在運行過程中的旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確、起停時對機械設(shè)備的沖擊最低。

2 鋼包回轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)優(yōu)化

鋼包回轉(zhuǎn)臺用于將鋼包從煉鋼跨轉(zhuǎn)到澆注跨，其正?；剞D(zhuǎn)主要是由電動機驅(qū)動，通過人工發(fā)出旋轉(zhuǎn)指令完成自動回轉(zhuǎn)。鋼包回轉(zhuǎn)臺通用的控制方式如圖2所示，命令傳達到PLC控制系統(tǒng)，在PLC內(nèi)部生成設(shè)定好的運行曲線，鋼包回轉(zhuǎn)臺按照曲線要求進行加速、穩(wěn)速和減速控制，經(jīng)過處理的控制信號以通訊方式傳送到控制電動機運轉(zhuǎn)的變頻器內(nèi)部。其中，鋼包回轉(zhuǎn)臺的定位控制是通過設(shè)置的行程開關(guān)或編碼器來完成加減速及停車。

圖2 鋼包回轉(zhuǎn)臺控制方式

現(xiàn)場用戶反饋，鋼包回轉(zhuǎn)臺使用一段時間后，陸續(xù)暴露出了一些在設(shè)計過程中未曾考慮到的問題：

(1)運轉(zhuǎn)過程中行程開關(guān)卡死，誤動作導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)控制失控；

(2)編碼器安裝方式產(chǎn)生的誤差使得旋轉(zhuǎn)到位準(zhǔn)確性降低；

(3)每次對鋼包回轉(zhuǎn)臺PLC系統(tǒng)斷電后再次上電不能保證當(dāng)前位置的判定；

(4)旋轉(zhuǎn)過程中，低速起步時間較長，增加了鋼包中鋼水的溫降；

(5)鋼包回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)控制速度曲線與實際運行曲線貼合度較低，致使?jié)M負(fù)載定位停車慣量沖擊對設(shè)備有較大的損傷。

針對使用中出現(xiàn)的問題，在新的設(shè)備設(shè)計時，從電氣元件類型和鋼包速度控制兩個方面對鋼包回轉(zhuǎn)臺的電氣控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化。

2.1 電氣元件選型

限位和編碼器的信號采集是鋼包回轉(zhuǎn)臺速度控制和定位控制的必要因素，因此這兩種元件的可靠程度對設(shè)備的運轉(zhuǎn)可靠性有著至關(guān)重要的影響。以往的定位設(shè)計是采用一個行程開關(guān)和一個增量型編碼器的控制方式。編碼器的信號決定鋼包回轉(zhuǎn)臺的高、低速自動切換和到位停車。行程開關(guān)作為一個清零開關(guān)被使用，目的是提高控制精度，減少編碼器累計誤差帶來的停位偏差。

行程開關(guān)在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)機械故障等現(xiàn)象，致使編碼器清零之后位置有偏差或者不清零，從而在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)控制失控的狀態(tài)。因此，將原來的一個行程開關(guān)換成兩個接近開關(guān)，一個接近開關(guān)用來定位停車和清零，另外一個只用來定位停車。接近開關(guān)動作靈敏、可靠性高、動作區(qū)域可調(diào)，所以鋼包回轉(zhuǎn)臺的兩個包臂都能準(zhǔn)確的到位停車，即使在編碼器不能正常工作時也不會因為沒有停止位信號而不停車。

原有編碼器是增量型編碼器，其優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單，易于實現(xiàn)；機械平均壽命長，可達到幾萬小時以上；分辨率高，抗干擾能力較強；信號傳輸距離較長，可靠性較高。其缺點是無法直接讀出轉(zhuǎn)動軸的絕對位置信息。正是這一缺點，使得鋼包回轉(zhuǎn)臺的電控系統(tǒng)在斷電重啟后，每次都要人工干預(yù)將設(shè)備運轉(zhuǎn)到初始位置，重新清零后才能開始正常運轉(zhuǎn)。一旦操作人員或維護人員工作疏漏就會帶來潛在的生產(chǎn)不穩(wěn)定因素，對此很多現(xiàn)場都反映希望能夠改進。因此，為了解決這一現(xiàn)場操作繁瑣的問題，提高設(shè)備的自動化水平，將增量型編碼器改用絕對值編碼器。

控制系統(tǒng)使用的是西門子公司的S7-400系列PLC為主站，結(jié)合ET200M做從站的形式，從可靠性、分辨率、傳輸距離、電氣設(shè)備的接口對應(yīng)等多方面考慮，電氣參數(shù)選用串行SSI輸出方式的絕對值編碼器。串行輸出就是指通過約定，在時間上有先后的數(shù)據(jù)輸出，這種約定稱為通訊規(guī)約。由于通訊協(xié)議的限制，后接電氣設(shè)備必須有對應(yīng)的接口，故使用西門子ET200M中的SM338專用模塊實現(xiàn)信號采集。SSI接口選擇RS422模式，用兩根數(shù)據(jù)線和兩根時鐘線連接，通過接收設(shè)備向編碼器發(fā)出中斷的時鐘脈沖，絕對的位置值由編碼器與時鐘脈沖同步輸出至接收設(shè)備。接收設(shè)備發(fā)出時鐘信號，編碼器從高位(MSB)開始輸出與時鐘信號同步的串行信號。這種串行輸出方式使得現(xiàn)場的連接線少，而傳輸距離遠，有效地提高了編碼器的保護性和可靠性。

2.2 鋼包回轉(zhuǎn)臺速度控制優(yōu)化

電氣元件進行優(yōu)化后，對鋼包回轉(zhuǎn)臺的速度控制在PLC軟件和變頻器軟件上進行了程序優(yōu)化。

在沒有進行控制軟件優(yōu)化前，按照以往的設(shè)計對相關(guān)控制參數(shù)進行設(shè)置，并對電機進行了靜態(tài)和動態(tài)優(yōu)化。通過變頻器自帶控制軟件的一個Trace功能，可以捕捉到設(shè)備電機運行后的速度曲線，如圖3所示。由圖3可知，低速起動時間較長，停車減速區(qū)間太短造成速度波動后突然停車，由此反映出在旋轉(zhuǎn)定位處理上存在一定的缺陷，故先對旋轉(zhuǎn)定位精度進行了處理。

首先通過編碼器讀取回轉(zhuǎn)臺的相對位置，將讀取的位置信號轉(zhuǎn)換為0～360°的角度信號。為了正確的讀取到編碼器數(shù)值，在硬件配置時需要對模板SM338進行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置，如圖4所示。

圖3 未優(yōu)化前的鋼包回轉(zhuǎn)臺電機速度曲線

圖4 SM338功能模板的參數(shù)設(shè)置

圖5為鋼包回轉(zhuǎn)臺1#包臂旋轉(zhuǎn)定位區(qū)間。規(guī)定1#包臂在澆注位的時候旋轉(zhuǎn)角度為0°，同時清零限位也是1#包臂到位信號，那么2#包臂就在對角180°的接收位。當(dāng)回轉(zhuǎn)臺沿任意一個方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)時，都會使得1#包臂經(jīng)過清零位，故旋轉(zhuǎn)角度總是在0～360°之間。回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)角度計算如下：

圖5 鋼包回轉(zhuǎn)臺1#包臂旋轉(zhuǎn)定位區(qū)間

編碼器讀數(shù)>0時，1#包臂旋轉(zhuǎn)角度=編碼器讀數(shù)/編碼器分辨率；編碼器讀數(shù)<0時，1#包臂旋轉(zhuǎn)角度=旋轉(zhuǎn)角度-360°。

如圖5所示，規(guī)定1#臂在澆注位的兩側(cè)的10°范圍內(nèi)為減速區(qū)域，當(dāng)回轉(zhuǎn)臺包臂進入這一區(qū)域后開始減速，到位后穩(wěn)定停止，有效防止了設(shè)備大慣性高速運行的沖擊破壞。在PLC程序中，通過編碼器位置讀數(shù)轉(zhuǎn)換成的角度信號和定位行程開關(guān)的準(zhǔn)確定位功能，使得每次旋轉(zhuǎn)都是先加速到最大速度后穩(wěn)定運行至減速區(qū)間開始減速，接近停止位時停止，速度控制曲線如圖6所示。這種方式的速度曲線控制，除了對定位精度做出了保證，也對設(shè)備受到的沖擊做了相應(yīng)的緩解。從而使得，在PLC中生成的速度控制曲線滿足現(xiàn)場的控制要求。

圖6 鋼包回轉(zhuǎn)臺速度控制曲線

PLC將圖6所示的鋼包回轉(zhuǎn)臺速度控制曲線，通過通訊方式將控制命令傳達到變頻器從而驅(qū)動電動機運行。為了通過變頻器的控制使得鋼包回轉(zhuǎn)臺的實際運行曲線更加貼合控制曲線，同時設(shè)備運行更加平穩(wěn)，對變頻器的參數(shù)設(shè)置進行了調(diào)整。由于主要進行的是速度控制且編碼器的安裝位置并不在電機軸上，所以選擇了無編碼器的速度閉環(huán)控制，同時投入使用了設(shè)定速度斜坡函數(shù)發(fā)生器RFG，如圖7所示。

圖7 速度斜坡函數(shù)發(fā)生器RFG

使用RFG這一函數(shù)發(fā)生器的目的是讓速度信號的變換以斜坡的方式增加或減少，實現(xiàn)速度設(shè)定值的跟蹤，使得PLC傳送過來的速度設(shè)定值的階躍信號在變頻器內(nèi)轉(zhuǎn)化為一個連續(xù)且平滑的速度給定，減少對設(shè)備造成的沖擊。通過調(diào)整發(fā)生器內(nèi)部的參數(shù)，對設(shè)備反復(fù)測試，最終達到

理想化的控制程度。如圖8所示為優(yōu)化后鋼包回轉(zhuǎn)臺電機速度曲線，與圖3所示速度曲線相比，可以看出優(yōu)化后的電機在起動后平滑的加速到設(shè)定速度，同時增加了停車減速區(qū)間，在速度穩(wěn)定后靠精確定位來準(zhǔn)確停車，整個過程速度變化都是以一種平滑的曲線在運行。

圖8 優(yōu)化后鋼包回轉(zhuǎn)臺電機速度曲線

3 結(jié)束語

鋼包回轉(zhuǎn)臺的電氣控制優(yōu)化，從用戶的角度解決了一些存在于生產(chǎn)實際中的設(shè)計不足問題，同時也提高了設(shè)備的使用可靠性，降低了控制不當(dāng)對設(shè)備的沖擊傷害，減少了設(shè)備不能正常運轉(zhuǎn)的故障率。整個系統(tǒng)提高了工作效率，節(jié)省了人力、物力、財力，達到了預(yù)期的效果。