轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)常用編碼器選型及調(diào)試

任朝暉

（中冶南方工程技術(shù)有限公司電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)所,湖北 武漢430023）

轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)電機(jī)和氧槍電機(jī)為實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)特性和精確定位,需在電機(jī)軸安裝增量編碼器,編碼器信號(hào)進(jìn)變頻器構(gòu)成VC 矢量閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)傾動(dòng)系統(tǒng)減速機(jī)后軸會(huì)安裝單圈絕對(duì)值編碼器用來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)爐角度,氧槍電機(jī)減速機(jī)后軸安裝多圈絕對(duì)值編碼器用來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量氧槍高度。編碼器的選型及調(diào)試是否精準(zhǔn)決定著轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能否高效順暢。

1 編碼器選型

轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)編碼器選型應(yīng)考慮以下參數(shù)：

1.1 編碼器類(lèi)型：進(jìn)變頻器構(gòu)成閉環(huán)控制的一般是增量型編碼器,測(cè)量位移距離的一般是絕對(duì)值編碼器。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)角度選擇單圈絕對(duì)值編碼器,氧槍高度因測(cè)量范圍廣選擇多圈絕對(duì)值編碼器。

1.2 輸出信號(hào)類(lèi)型：編碼器有集電極開(kāi)路輸出、電壓輸出、線驅(qū)動(dòng)輸出和推挽式輸出等形式。編碼器還有Profinet 和Profibus 等總線接口可以接入PLC 網(wǎng)絡(luò)。編碼器極性有單極性和雙極性,雙極性信號(hào)接A+A-,B+B-,雙極性采用屏蔽雙絞線,抗干擾能力和傳輸距離都優(yōu)于單極性。轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的增量式編碼器就是推挽式輸出接口且雙極性帶差分輸出信號(hào),使用的絕對(duì)值編碼器選用帶Profibus-DP 總線接口。

1.3 信號(hào)電壓等級(jí)：編碼器的電壓等級(jí)有DC24V、DC12V 和DC5V 等。轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)選用DC24V 的,因?yàn)镈C24V 抗干擾能力強(qiáng),傳輸距離遠(yuǎn),電源容易獲取。

1.4 最大輸出頻率：根據(jù)編碼器應(yīng)用場(chǎng)合和工藝需求確認(rèn)最大輸出頻率及分辨率、位數(shù)等參數(shù)。轉(zhuǎn)爐增量編碼器選擇每圈1024PR,多圈絕對(duì)值編碼器選擇8192 圈。

1.5 安裝方式、外形尺寸：考慮安裝空間、機(jī)械強(qiáng)度、外觀規(guī)格、機(jī)械壽命等要求。轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)用彈性聯(lián)軸器解決連接的偏心問(wèn)題。

2 編碼器調(diào)試

2.1 編碼器調(diào)試前準(zhǔn)備工作

編碼器調(diào)試前應(yīng)仔細(xì)檢查：編碼器機(jī)械安裝是否打滑跳齒、齒輪齒隙是否過(guò)大等,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境是否有抖動(dòng),編碼器和電機(jī)軸之間是否有松動(dòng)。檢查編碼器信號(hào)線是否過(guò)長(zhǎng),是否使用屏蔽雙絞線,按要求做好編碼器電纜屏蔽層接地。編碼器電源電纜和信號(hào)電纜分開(kāi)敷設(shè),避開(kāi)動(dòng)力電纜并采取必要抗干擾措施。核算一下編碼器最高脈沖頻率是否接近或超過(guò)了極限值,編碼器的脈沖輸出頻率大于變頻器或PLC 輸入脈沖最高頻率。檢查編碼器空閑信號(hào)線處理,AB 正交編碼器不需要Z 信號(hào),Z 信號(hào)線可棄之不用。

2.2 進(jìn)變頻器的增量編碼器調(diào)試

變頻器配置時(shí)應(yīng)選擇編碼器選項(xiàng)并激活編碼器功能,詳細(xì)設(shè)置編碼器的相關(guān)參數(shù),如編碼器類(lèi)型、電壓等級(jí)、脈沖個(gè)數(shù)、信號(hào)接口形式、編碼器極性、編碼器信號(hào)監(jiān)控是否激活等。西門(mén)子Sinamics 變頻器編碼器參數(shù)設(shè)置框圖見(jiàn)圖1 所示：

圖1 增量編碼器參數(shù)設(shè)置框圖

變頻器控制方式為VC 閉環(huán)矢量控制,編碼器才起作用。編碼器參數(shù)設(shè)置完,先將變頻器控制方式改為SLVC 無(wú)編碼器矢量控制或V/F 控制,啟動(dòng)變頻器旋轉(zhuǎn)電機(jī),檢查編碼器信號(hào)是否與電機(jī)運(yùn)行方向一致。如果編碼器反饋值和速度設(shè)定值大小相等方向相反,可修改接線改變編碼器A、B 相序或設(shè)置變頻器參數(shù)來(lái)改變編碼器A、B 相序。編碼器反饋值沒(méi)問(wèn)題,把變頻器改回VC 矢量控制進(jìn)行電機(jī)優(yōu)化。如果編碼器有問(wèn)題電機(jī)優(yōu)化是不會(huì)通過(guò)的,變頻器會(huì)報(bào)相應(yīng)的故障代碼,根據(jù)所報(bào)錯(cuò)誤代碼提示來(lái)檢查修改變頻器相應(yīng)設(shè)置。電機(jī)優(yōu)化順利完成才表示編碼器安裝正常。

在變頻器調(diào)試軟件中,如西門(mén)子變頻器調(diào)試軟件Starter,ABB 變頻調(diào)試軟件Drive Composer 中都有Trace 功能或參數(shù)曲線記錄功能,可以對(duì)變頻器及電機(jī)的各種狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行記錄,方便性能判斷及故障診斷。電機(jī)VC 矢量控制優(yōu)化辨識(shí)通過(guò)后,利用此功能來(lái)監(jiān)視速度設(shè)定值和編碼器反饋值曲線,通過(guò)不同的階躍給定,來(lái)判斷分析系統(tǒng)的靜態(tài)誤差精度,動(dòng)態(tài)特性如超調(diào)及穩(wěn)定時(shí)間等。如果速度靜態(tài)誤差精度較大,說(shuō)明編碼器安裝有些小問(wèn)題,同心度不太好或編碼器接地有問(wèn)題,需要重新仔細(xì)檢查,再次做電機(jī)空載靜動(dòng)態(tài)優(yōu)化,直至系統(tǒng)的靜態(tài)誤差精度和動(dòng)態(tài)特性都滿足指標(biāo)要求。

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾和機(jī)械振動(dòng)對(duì)編碼器都有影響,會(huì)直接影響整個(gè)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的運(yùn)行?？稍O(shè)置兩套不同參數(shù)組,一套參數(shù)組對(duì)應(yīng)編碼器參與的VC 帶編碼器矢量控制,一套參數(shù)組對(duì)應(yīng)無(wú)編碼器的SLVC 矢量控制。當(dāng)編碼器因某種原因故障時(shí),可以快速在HMI 畫(huà)面上切換變頻器參數(shù)組,暫時(shí)將變頻器控制方式更改為無(wú)編碼器矢量控制方式,進(jìn)行繼續(xù)生產(chǎn),等條件滿足再檢查更換故障編碼器。

2.3 絕對(duì)值編碼器調(diào)試

轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中,傾動(dòng)角度編碼器和氧槍高度編碼器經(jīng)Profibus-DP 總線接入PLC。PLC 硬件組態(tài)時(shí)需設(shè)置絕對(duì)值編碼器的DP 地址和DP 總線速度,絕對(duì)值編碼器端需撥碼對(duì)應(yīng)設(shè)置DP 地址,DP 總線速度根據(jù)DP 電纜長(zhǎng)度設(shè)定。絕對(duì)值編碼器在DP 總線中處于尾端,需把編碼器終端電阻撥到ON。編碼器DP地址設(shè)置完畢,需要斷電再上電才會(huì)設(shè)置有效。PLC 中硬件在線監(jiān)視看編碼器是否正確接入DP 網(wǎng)。硬件組態(tài)見(jiàn)圖2 所示。

絕對(duì)值編碼器傳入PLC 的是雙整數(shù)數(shù)值,還需要根據(jù)工藝需要進(jìn)行編碼器數(shù)值規(guī)格化。正常提升氧槍停在A 點(diǎn),測(cè)量氧槍底部至所在平臺(tái)的距離,并記錄此時(shí)編碼器的數(shù)值,然后升降氧槍停在B 點(diǎn),再測(cè)量氧槍底部至所在平臺(tái)的距離并記錄此時(shí)編碼器的數(shù)值。兩組數(shù)值帶入一次函數(shù)y=kx+b 算出參數(shù)k和b 的數(shù)值,寫(xiě)入PLC 程序進(jìn)行編碼器數(shù)值規(guī)格化。

圖2 絕對(duì)值編碼器硬件組態(tài)圖

氧槍更換鋼絲繩或更換編碼器后需要重新校準(zhǔn)編碼器,更換同型號(hào)的編碼器,新舊編碼器的k 值是相同的,只需要校準(zhǔn)計(jì)算b 值即可。打開(kāi)校準(zhǔn)畫(huà)面,輸入此時(shí)氧槍的高度值,按回車(chē)鍵并點(diǎn)擊校準(zhǔn)按鈕。編碼器校準(zhǔn)完成后,需要氧槍由上至下運(yùn)行一個(gè)全程,觀察運(yùn)行中氧槍高度是否變化連續(xù),如果編碼器數(shù)值有溢出,則需要拆掉編碼器手動(dòng)撥動(dòng)編碼器至線性的中間段,再重新安裝編碼器并跑完全程。

轉(zhuǎn)爐正常生產(chǎn)時(shí)出鋼和出渣時(shí)操作人員要緊盯轉(zhuǎn)爐角度,傾動(dòng)角度編碼器故障將會(huì)造成轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)無(wú)法正常進(jìn)行,為避免轉(zhuǎn)爐停產(chǎn)可采用雙絕對(duì)值編碼器來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)角度。兩個(gè)傾動(dòng)角度編碼器都正常工作時(shí),HMI 畫(huà)面上選擇哪個(gè)編碼器參與PLC 聯(lián)鎖控制,另一個(gè)角度編碼器數(shù)值僅畫(huà)面上顯示參考。當(dāng)某個(gè)角度編碼器有故障時(shí),可在HMI 畫(huà)面上手動(dòng)快速切換,靠另一個(gè)正常角度編碼器來(lái)測(cè)量?jī)A動(dòng)角度,繼續(xù)進(jìn)行正常轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)。同時(shí)在HMI 畫(huà)面上會(huì)顯示“某個(gè)編碼器故障”,提醒維護(hù)人員檢查更換已損壞的編碼器。

2.4 安全保護(hù)措施

氧槍高度準(zhǔn)確與否對(duì)轉(zhuǎn)爐高效正常吹煉至關(guān)重要,由于氧槍鋼絲繩有一定延展性,再加上其它各種干擾因素,運(yùn)行一段時(shí)間后即使未更換氧槍高度編碼器,氧槍高度值也會(huì)有所變化,變化值超過(guò)一定門(mén)檻值將會(huì)影響氧槍吹煉效果。每次更換氧槍時(shí)需要上升至氧槍上極限,為此可增加氧槍上極限作為氧槍高度校準(zhǔn)點(diǎn),每次氧槍到達(dá)上極限,PLC 程序捕捉到氧槍上極限的上升沿,可將此時(shí)氧槍高度值和程序中存儲(chǔ)的氧槍參考點(diǎn)高度值進(jìn)行比較,若差值大于設(shè)定的門(mén)檻值則HMI 畫(huà)面彈出報(bào)警信息,提示氧槍高度誤差過(guò)大需進(jìn)行氧槍高度校準(zhǔn)。

PLC 程序中增加編碼器超速保護(hù),當(dāng)PLC 程序計(jì)算出編碼器數(shù)值在單位時(shí)間內(nèi)超出設(shè)定的變化率門(mén)檻值時(shí),說(shuō)明傾動(dòng)或氧槍速度過(guò)快已經(jīng)失控,隨時(shí)可能會(huì)發(fā)生事故,此時(shí)程序發(fā)出緊急停車(chē)命令同時(shí)HMI 話彈出報(bào)警消息。編碼器信號(hào)丟失保護(hù),當(dāng)PLC 程序計(jì)算出編碼器數(shù)值在單位時(shí)間內(nèi)小于設(shè)定的數(shù)值門(mén)檻值時(shí),說(shuō)明傾動(dòng)或氧槍編碼器可能損壞或編碼器機(jī)械安裝松動(dòng),同樣需要緊急停車(chē)并報(bào)警。

3 編碼器故障診斷

當(dāng)增量編碼器故障時(shí)變頻器會(huì)報(bào)故障代碼,可查看手冊(cè)的故障說(shuō)明和推薦解決辦法；編碼器故障也會(huì)導(dǎo)致其它故障,如堵轉(zhuǎn)過(guò)電流燈故障。編碼器故障導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行時(shí),HMI 畫(huà)面切換變頻器參數(shù)組,將變頻器更改為SLVC 無(wú)編碼器矢量控制,暫時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)同時(shí)用此控制運(yùn)行電機(jī)進(jìn)行編碼器故障分析。

3.1 讀取編碼器的實(shí)際反饋值和速度設(shè)定值比較,如果大小相同極性相反,可能原因是編碼器接線的極性不對(duì),編碼器的A、B 相序反了。

3.2 運(yùn)行時(shí)沒(méi)有讀到編碼器的實(shí)際反饋值,則需檢查編碼器接線是否正確,編碼器參數(shù)配置是否正確,編碼器及編碼器輸入接口板是否損壞。

3.3 能夠讀到編碼器的反饋值但與設(shè)定值不符,實(shí)際速度跟隨變化則檢查編碼器每圈脈沖值設(shè)定,實(shí)際速度不跟隨變化則檢查編碼器本身故障。

3.4 編碼器反饋值波動(dòng)大但實(shí)際電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定,需按照EMC 規(guī)則檢查編碼器接線和接地,檢查編碼器機(jī)械安裝同心度,檢查是否打滑跳齒、齒輪齒隙是否過(guò)大等,結(jié)合示波器萬(wàn)用表檢查編碼器接口板。

結(jié)束語(yǔ)

山東某鋼廠300T 轉(zhuǎn)爐工程中,編碼器精心調(diào)試后煉鋼轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)和氧槍系統(tǒng)運(yùn)行高效穩(wěn)定具有較高動(dòng)態(tài)特性,轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行順暢平穩(wěn),氧槍高度定位誤差不超過(guò)正負(fù)1cm。轉(zhuǎn)爐整體運(yùn)行良好,滿足工藝生產(chǎn)需求。