伺服驅(qū)動器在塞棒控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

宮慧仲，張亮亮

（承德鋼鐵集團(tuán)有限公司，河北 承德 067000）

在鋼水澆鑄工序中控制鋼水液面的穩(wěn)定是實現(xiàn)連續(xù)澆鑄生產(chǎn)的前提。生產(chǎn)過程中結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面必須保持在相對穩(wěn)定狀態(tài)，否則液面波動容易出現(xiàn)卷渣現(xiàn)象和漏鋼事故，嚴(yán)重影響鑄坯質(zhì)量。液面的穩(wěn)定控制通常是由控制器根據(jù)鋼水液位信息進(jìn)行運算處理然后驅(qū)動伺服驅(qū)動器調(diào)節(jié)塞棒開關(guān)動作來實現(xiàn)的。在塞棒自動控制時，通常連鑄機(jī)的拉速為一個固定值，控制器將實際鋼水液位與設(shè)定鋼水液位進(jìn)行比較，高于設(shè)定值時增加塞棒的開度，低于鋼水液位設(shè)定值時減少塞棒的開度。從而控制實際液位在設(shè)定液位位置，保證結(jié)晶器內(nèi)鋼水位置恒定。

1 塞棒控制系統(tǒng)的組成

1.1 液位檢測系統(tǒng)主要由Cs-137及其儀表組成

120噸2 #連鑄機(jī)采用同位素Cs-137作為放射源，其特點是信號穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，精度高且易維護(hù)。其工作原理是通過帶閃爍體的高靈敏度傳感器來接收Cs-137放射源發(fā)出的γ射線，穿過鋼水的γ射線粒子數(shù)與鋼水的液面成反比例。通過傳感器將γ射線強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為PLC可接收的電信號即可連續(xù)測量結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液位高度。

海能SC3000儀表的作用就是檢測現(xiàn)場實際液面，它共有4路模擬量通道，分別是接收來自西門子300PLC的設(shè)定液位和拉速反饋信號，發(fā)送給PLC的液位實際值和拉速設(shè)定值，這4路模擬量信號都是4-20mA電流信號。

1.2 塞棒調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動器和電動缸組成

主要設(shè)備包括西門子300PLC一套、伺服驅(qū)動器和塞棒；伺服驅(qū)動器的作用是驅(qū)動塞棒動作，它有兩路模擬量信號，分別是接收來自PLC的塞棒位置設(shè)定值和發(fā)送給PLC的塞棒位置實際值，都是±10V電壓信號；這里西門子300PLC的作用主要是接收現(xiàn)場操作箱的開關(guān)量信號和進(jìn)行塞棒位置確定的PID運算；塞棒則是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動缸的內(nèi)部電氣部分是一臺AKM43EEKMNR-00電機(jī)和一個編碼器，機(jī)械部分是一根有效行程為120mm的絲杠。

圖1 塞棒控制系統(tǒng)組成

2 塞棒動作的控制方式

2.1 塞棒位置的PID控制，用于主要的模型輸出

塞棒控制主程序?qū)懺贠B1中，塞棒設(shè)定位置分為兩部分：PID調(diào)節(jié)量和塞棒標(biāo)準(zhǔn)抖動量。PID調(diào)節(jié)部分的程序?qū)懹贠B35程序塊中，運算完成后通過DB16.DBD38發(fā)送給DB13數(shù)據(jù)塊（以1流塞棒控制程序為例），再加上運算后的標(biāo)準(zhǔn)塞棒抖動量最終以±10V的電壓信號發(fā)送給伺服驅(qū)動器。具體控制框圖如圖2所示。

圖2 塞棒控制系統(tǒng)示意圖

2.2 簡諧振動模型，用于附加的模型輸出

簡諧振動模型的輸出值為標(biāo)準(zhǔn)塞棒抖動量，是按正弦曲線規(guī)律給定的微小調(diào)節(jié)量，數(shù)值固定，方向正負(fù)交替。其值為ASin2πft，這里的A和f都有限幅值。A為塞棒抖動振幅（畫面設(shè)定）；f為抖動頻率（畫面設(shè)定）；t為掃描周期累加的0-60S的變動數(shù)值。

圖3 實際簡諧振動的PDA曲線圖

3 伺服驅(qū)動器的正確使用和參數(shù)優(yōu)化

伺服驅(qū)動器是現(xiàn)代運動控制的重要組成部分，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控加工中心、定位控制等眾多控制系統(tǒng)當(dāng)中。120噸2#連鑄機(jī)使用科爾摩根AKD-P00306伺服驅(qū)動器對電動缸進(jìn)行控制，其接線方式為：

X1端子排：24V電源。

X3端子排：RB-和RB+接制動電阻；L1和L2接220V電源。

X2端子排：UVW接電機(jī)三相電源；PE接電機(jī)地線。

X8端子排：1、2通道為驅(qū)動器故障輸出；3、4通道為驅(qū)動器使能信號，7、8通道為塞棒實際位置反饋；9、10通道為塞棒設(shè)定位置給定。

X10端子排：接編碼器。

在此需要注意的是電機(jī)三相相序必須和接線圖一致，否則會導(dǎo)致伺服驅(qū)動器報F503母線電容器過載故障；另外，需要確認(rèn)驅(qū)動器電源電壓是220V還是380V，否則容易造成伺服驅(qū)動器損壞。

在連接正常的情況下，進(jìn)行伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置，整體的控制框圖如圖4所示，伺服驅(qū)動器接收300PLC的給定模擬量信號來控制電動缸動作，伺服驅(qū)動器動作的前提條件為控制對象必須設(shè)置正確，這里包括單位子菜單中對象機(jī)構(gòu)類型需選擇為導(dǎo)螺桿，位置單位設(shè)置為mm，引線長度為5mm等單位參數(shù)而且選擇驅(qū)動電機(jī)AKM43E-EKMNR-00必須型號對應(yīng)才能正常驅(qū)動電動缸。各個子菜單中的控制參數(shù)如比例增益、積分增益、加速度等需要根據(jù)電動缸實際運動情況來進(jìn)行調(diào)節(jié)，反復(fù)試驗才能得到所需的合理參數(shù)。

圖4 伺服控制器控制方框圖

4 常見問題和解決方案

4.1 工藝操作方面容易引起結(jié)晶器液位波動的情況和解決方案

（1）鋼種和溫度會對結(jié)晶器液位產(chǎn)生很大的影響。不同的鋼水種類對液位控制影響程度是不同的，溫度高鋼水流動性好，拉速低，液位好控制；鋼水溫度低，鑄機(jī)拉速高，鋼水流動性差，液位不好控制。解決方案：控制每一種鋼的工藝要求范圍，嚴(yán)格控制上鋼溫度范圍，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化操作。

（2）調(diào)整拉速也會影響到塞棒液位控制，直接造成液面發(fā)生變化。解決方案：循序漸進(jìn)微調(diào)整拉速，不要在液面穩(wěn)定情況下一次大幅度的調(diào)整鑄機(jī)拉速，通常需要每次調(diào)0.1m/min～0.2m/min來微調(diào)。

（3）鋼水純凈度不好雜質(zhì)多，在澆鋼過程中會造成水口渣物堵塞，造成鋼水流動性變差，從而引起結(jié)晶器液位波動。解決方案：從源頭（轉(zhuǎn)爐）來分級管控，提高鋼水質(zhì)量。

4.2 設(shè)備運行方面容易引起結(jié)晶器液位波動的情況和解決方案

（1）檢測信號的標(biāo)定對塞棒控制系統(tǒng)有很大影響，極易影響系統(tǒng)控制精度，造成結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面波動。解決方案：一方面在換斷面時做高、低標(biāo)定和線性化，另一方面在使用中如更換結(jié)晶器、放射源、接收器等及時做高、低位標(biāo)定，在標(biāo)定過程中認(rèn)真標(biāo)定刻度線，避免出現(xiàn)人為錯誤。

（2）現(xiàn)場存在電磁干擾或液面自動控制系統(tǒng)設(shè)備接地不良現(xiàn)象，造成液位信號波動。解決方案：對連鑄機(jī)的首、末端電磁攪拌進(jìn)行漏磁測試，接地系統(tǒng)采用單端接地，即電動缸電纜、中間接線盒、柜內(nèi)電纜、所有屏蔽層連通并在柜內(nèi)統(tǒng)一接地，將儀表地和保護(hù)地分離。

（3）PID參數(shù)對系統(tǒng)的影響也是很大的，容易導(dǎo)致液面不穩(wěn)定。解決方案：觀察曲線的變化規(guī)律，進(jìn)行PID參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，使驅(qū)動器達(dá)到最佳輸出效果。

（4）結(jié)晶器偏振，會造成液面波動大，嚴(yán)重可導(dǎo)致漏鋼。解決方案：用振動測試儀檢測，確保振動在合理范圍內(nèi)。

（5）塞棒執(zhí)行機(jī)構(gòu)磨損導(dǎo)致間隙變大，主軸的定位松動等機(jī)械連接問題也會引起液面的不穩(wěn)定。解決方案：機(jī)械機(jī)構(gòu)經(jīng)常檢查，電動缸的絲杠定期加潤滑油潤滑。

5 結(jié)語

塞棒控制系統(tǒng)可以有效的保證連鑄結(jié)晶器的液面穩(wěn)定，大大提高了連鑄機(jī)的工作效率，提升了鑄坯質(zhì)量并降低了崗位操作工的勞動強(qiáng)度。伺服驅(qū)動器在塞棒控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用一方面提升了塞棒的響應(yīng)速度和控制精度，另一方面降低了設(shè)備故障率，有效的保障了連鑄系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提升了生產(chǎn)效率。