連軋管機(jī)限動(dòng)齒條飛車保護(hù)功能的開發(fā)及應(yīng)用

張仰軍

（內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司鋼管公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 問題的提出

內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司鋼管公司（簡稱包鋼鋼管公司）Φ180 mm限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組（簡稱MPM機(jī)組）是國內(nèi)無縫鋼管生產(chǎn)線中引進(jìn)且投產(chǎn)較早的機(jī)組之一［1-8］。該機(jī)組中芯棒是由4臺(tái)直流電機(jī)通過齒輪、限動(dòng)齒條的機(jī)械耦合拖動(dòng)運(yùn)行的，限動(dòng)齒條的1個(gè)運(yùn)行周期分為預(yù)插入、插入、咬入、限動(dòng)、返回、回零位等階段［9-10］。限動(dòng)齒條各階段的速度曲線原理如圖1所示。

Φ180 mm MPM機(jī)組限動(dòng)齒條的運(yùn)行速度、位置控制采用意大利ANSALDO公司的微處理系統(tǒng)（AMS）實(shí)現(xiàn)。由于限動(dòng)齒條的運(yùn)動(dòng)過程受到連軋管機(jī)前臺(tái)密集布置的關(guān)聯(lián)設(shè)備（連軋管機(jī)、毛管擋叉、夾送輥、上線回轉(zhuǎn)臂、下線回轉(zhuǎn)臂、預(yù)穿齒條）的動(dòng)作影響，其位置、速度的控制及運(yùn)動(dòng)的邏輯連鎖保護(hù)非常重要，一旦失控，極易發(fā)生重大設(shè)備事故。

限動(dòng)齒條的位置由AMS系統(tǒng)控制，而毛管擋叉和夾送輥是由GE-9070PLC系統(tǒng)控制，正常情況下，限動(dòng)齒條運(yùn)行到設(shè)定的位置時(shí)，毛管擋叉會(huì)根據(jù)限動(dòng)齒條發(fā)來的信號(hào)自動(dòng)落下，夾送輥?zhàn)詣?dòng)起動(dòng)，將毛管喂入連軋管機(jī)，它們具有位置連鎖關(guān)系。但是在生產(chǎn)過程中，由于機(jī)械原因，操作員經(jīng)常需要手動(dòng)干預(yù)夾送輥的起動(dòng)運(yùn)行，這就可能導(dǎo)致第一架軋管機(jī)提前帶載，或因?yàn)槊軗醪娴墓收?，毛管擋叉不能在芯棒插入毛管過程及時(shí)擋住毛管，以及插入過程中毛管方向出現(xiàn)偏差等原因，均會(huì)導(dǎo)致芯棒沒有按照設(shè)定的行程完全插入毛管，從而將毛管提前推入第一架軋管機(jī)。由于毛管和芯棒之間存在摩擦力，連軋管機(jī)將毛管連同限動(dòng)齒條一起提前拽入。包鋼鋼管公司經(jīng)過多年的生產(chǎn)實(shí)踐，對原有引進(jìn)設(shè)備中齒條運(yùn)動(dòng)的各類事故進(jìn)行分析處理，增加了許多保護(hù)措施，其中連軋管機(jī)限動(dòng)齒條飛車保護(hù)功能的開發(fā)就是一種實(shí)用創(chuàng)新的例子，其針對的事故過程如上所述。此時(shí)限動(dòng)齒條拖動(dòng)著芯棒運(yùn)行在插入階段還未到咬入階段時(shí)，發(fā)生上述故障時(shí)破壞了限動(dòng)齒條在插入行程后本應(yīng)有的正常降速過程，使其速度不降反升，從而將限動(dòng)齒條拽入連軋管機(jī)中導(dǎo)致發(fā)生飛車的重大事故。

圖1 限動(dòng)齒條各階段的速度曲線原理

2 解決的方法

為避免限動(dòng)齒條在插入階段這一區(qū)間內(nèi)發(fā)生飛車事故，新開發(fā)了插入行程中的飛車保護(hù)功能。

2.1 控制系統(tǒng)及飛車保護(hù)功能介紹

限動(dòng)齒條的系統(tǒng)控制原理如圖2所示。

圖2 限動(dòng)齒條的系統(tǒng)控制原理

由圖2可知，限動(dòng)齒條的運(yùn)動(dòng)控制由AMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其通過令牌網(wǎng)接受PLC指令、外部參數(shù)設(shè)定機(jī)的數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)算后產(chǎn)生速度給定值及運(yùn)行使能信號(hào)并發(fā)給傳動(dòng)控制系統(tǒng)，控制限動(dòng)齒條電機(jī)的運(yùn)行。AMS系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為基于VME總線的VxWorks操作系統(tǒng)。

毛管擋叉等關(guān)聯(lián)設(shè)備發(fā)生故障，將導(dǎo)致毛管在插入階段（還未到咬鋼階段）就被拽入第一架軋管機(jī)中，使得第一架軋管機(jī)提前誤帶載并產(chǎn)生空軋現(xiàn)象，為此需增加保護(hù)動(dòng)作，使得限動(dòng)齒條、連軋管機(jī)進(jìn)入緊急停車程序。由于該保護(hù)是在插入階段就開始判斷第一架軋管機(jī)是否有誤帶載情況；因此，對整個(gè)生產(chǎn)就增加了運(yùn)行的可靠性，也給操作員預(yù)留了更多的反應(yīng)時(shí)間，避免重大設(shè)備事故的發(fā)生。

2.2 飛車保護(hù)功能的過程說明

當(dāng)限動(dòng)齒條進(jìn)入插入行程后，AMS系統(tǒng)持續(xù)采集第一架軋管機(jī)的電流信號(hào)值，該信號(hào)在AMS系統(tǒng)連軋管機(jī)控制程序mpm.r中與帶載信號(hào)的設(shè)定值比較，如果電流信號(hào)值大于帶載信號(hào)的設(shè)定值，經(jīng)過延時(shí)確認(rèn)并通過程序狀態(tài)步判斷齒條還不應(yīng)進(jìn)入咬鋼階段，系統(tǒng)就判定第一架軋管機(jī)已非正常帶載并發(fā)出信號(hào)，且將此信號(hào)經(jīng)總線傳輸至限動(dòng)齒條控制程序rack.r中。rack.r程序?qū)?dòng)飛車保護(hù)功能，將限動(dòng)齒條的速度給定值降為0，且將運(yùn)行命令保留一段時(shí)間，以便使速度調(diào)節(jié)器不運(yùn)行在封鎖狀態(tài)，可以繼續(xù)發(fā)揮制動(dòng)作用，直到停車為止，同時(shí)mpm.r程序?qū)⑦B軋管機(jī)的速度給定值也降為0，并控制各機(jī)架的輥縫打開，避免發(fā)生堆鋼事故。

飛車保護(hù)功能啟動(dòng)后，飛車保護(hù)功能的報(bào)警畫面將顯示報(bào)警狀態(tài)標(biāo)志信號(hào)及報(bào)警時(shí)限動(dòng)齒條的實(shí)際位置，維護(hù)人員可保存事故曲線及位置信息便于進(jìn)行事故分析，報(bào)警狀態(tài)標(biāo)志信號(hào)經(jīng)維護(hù)人員確認(rèn)可手動(dòng)清除。

連軋管機(jī)提前誤帶載時(shí)，限動(dòng)齒條在插入行程后期沒有正常的自主降速過程，而是處于失控狀態(tài)，連軋管機(jī)拽著限動(dòng)齒條向軋管機(jī)方向運(yùn)動(dòng)，使限動(dòng)齒條的速度急速上升，破壞了限動(dòng)齒條正常的咬入和限動(dòng)行程，使其最終停在32 m之外，在這個(gè)位置足以將夾送輥等設(shè)備撞壞。而正常情況下，限動(dòng)齒條結(jié)束限動(dòng)行程后的位置才不到24 m。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，當(dāng)?shù)谝患苘埞軝C(jī)誤帶載提前咬鋼時(shí)，限動(dòng)齒條距離插入行程正常結(jié)束提前了4 m左右就被動(dòng)地非正常升速了。由于飛車保護(hù)動(dòng)作后，齒條能迅速停車，產(chǎn)生較明顯的制動(dòng)電流，速度迅速降低，制動(dòng)作用明顯，齒條可以停留在20 m以內(nèi)的位置，飛車保護(hù)功能明顯縮短了事故停車距離，保護(hù)了連軋管機(jī)等重要設(shè)備。

2.3 飛車保護(hù)功能的程序?qū)崿F(xiàn)過程

飛車保護(hù)功能是在生產(chǎn)實(shí)踐中采集、分析事故曲線的基礎(chǔ)上，滿足現(xiàn)有軋鋼工藝要求的條件下開發(fā)的。開發(fā)系統(tǒng)的編輯、編譯環(huán)境為Windows操作系統(tǒng)，源程序由C語言編寫完成，編輯軟件為Crimson Editor。編譯軟件為意大利ANSALDO公司開發(fā)的工具軟件ADT MONIVX。數(shù)據(jù)采集軟件為iba PDA系統(tǒng)和ANSALDO ADT系統(tǒng)。在程序中選定并跟蹤了限動(dòng)齒條、連軋管機(jī)的相關(guān)信號(hào)：

Suicide（限動(dòng)齒條傳動(dòng)控制柜的運(yùn)行命令信號(hào)）

MetalInStand［0］（第一架軋管機(jī)的帶載信號(hào)）

CurrFbk［0］（限動(dòng)齒條的電流反饋信號(hào)）

SpeedFbk［0］（限動(dòng)齒條的速度反饋信號(hào)）

SeqComm（控制程序的當(dāng)前運(yùn)行步數(shù)）

SectionProtectionFlag（飛車保護(hù)報(bào)警狀態(tài)標(biāo)志信號(hào)）

IW_SpeeFMot［1－5］（第一架至第五架軋管機(jī)的速度反饋信號(hào)）

IW_CurrFMot［1－5］（第一架至第五架軋管機(jī)的電流反饋信號(hào)）

K1ZeroSpeed［0］（限動(dòng)齒條的零速信號(hào)）

將這些信號(hào)導(dǎo)出至跟蹤程序的組態(tài)表中，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析限動(dòng)齒條的運(yùn)行狀態(tài)。在這基礎(chǔ)上，利用基礎(chǔ)自動(dòng)化GE－9070 PLC的控制程序，模擬正常軋鋼時(shí)限動(dòng)齒條的外部條件及第一架軋管機(jī)誤帶載時(shí)連軋管機(jī)和限動(dòng)齒條的動(dòng)作情況。

帶載信號(hào)的判斷算法和觸發(fā)保護(hù)功能的算法如圖3～4所示。

圖3 帶載信號(hào)的判斷算法

圖4 觸發(fā)保護(hù)功能的算法

3 解決后的效果

在應(yīng)用連軋管機(jī)限動(dòng)齒條飛車保護(hù)功能以前，此類飛車事故每年至少發(fā)生2次，每次事故處理時(shí)間都在4 h以上，且造成抱棒、重要設(shè)備損壞等。目前，該保護(hù)功能已在包鋼鋼管公司Φ180 mm MPM機(jī)組中應(yīng)用，有效避免了因第一架軋管機(jī)誤帶載而引發(fā)的飛車事故。在包鋼鋼管公司Φ180 mm MPM機(jī)組中，對限動(dòng)齒條的運(yùn)動(dòng)過程研究及保護(hù)功能的軟件開發(fā)始終是工程技術(shù)人員應(yīng)關(guān)注的，以提高限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)生產(chǎn)效率。