連鑄機拉速微調(diào)及其信號濾波研究與應(yīng)用

張 宇，付德祿，邢志強

（凌源鋼鐵股份有限公司優(yōu)特鋼事業(yè)部，遼寧朝陽 122500）

前言

拉速是連鑄機至關(guān)重要的一個工藝參數(shù)，拉速穩(wěn)定是鑄坯質(zhì)量的基礎(chǔ)保證，也是衡量煉鋼廠綜合管控水平的重要標(biāo)志。拉速波動會影響鑄坯質(zhì)量，使表面缺陷、內(nèi)部缺陷和形狀缺陷發(fā)生的概率增加，同時還易造成溢鋼、漏鋼、斷拉等生產(chǎn)事故，限制鑄機的產(chǎn)能發(fā)揮，使生產(chǎn)成本升高［1］。拉速波動是引起結(jié)晶器液面波動原因之一，其隨拉速的增加或降低而劇烈變化［2］。

近年來，隨著市場競爭壓力增大及優(yōu)特鋼發(fā)展的需求，凌鋼優(yōu)特鋼事業(yè)部對設(shè)備的精度提出了更高要求。拉速作為連鑄機的關(guān)鍵參數(shù)必須要求穩(wěn)定，并且可以實現(xiàn)快速精確調(diào)整，保證各流次拉速完全一致。這一要求看似簡單，實則難度很大。目前鑄機使用的拉速給定電位器雖是質(zhì)量較好的進口電位器，但是給定拉速卻總是存在問題。首先是電位器精度問題，經(jīng)常出現(xiàn)拉速微小的波動，有時還不能完全回零；其次是電磁干擾、線路虛接等問題，常導(dǎo)致拉速信號有較大跳變；此外因電位器量程有限，導(dǎo)致拉速很難精準(zhǔn)定位。

根據(jù)對以上問題的分析，設(shè)計拉速微調(diào)程序塊可以解決拉速微調(diào)及不能完全回零問題，使用PLC程序數(shù)據(jù)處理來提高拉速信號穩(wěn)定性。

1 數(shù)字濾波簡介

由于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場和科學(xué)實驗室的環(huán)境比較惡劣，干擾源較多，為了減少對采樣數(shù)據(jù)的干擾，提高系統(tǒng)的性能，一般在進行數(shù)據(jù)處理之前，先要對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波是通過一定的計算機程序處理，減少干擾信號在有用信號中所占的比重，實質(zhì)上是一種程序濾波、軟件濾波。數(shù)字濾波不需要增加硬件設(shè)備，可多通道使用一個濾波程序；各回路之間不存在阻抗匹配，可靠性好、穩(wěn)定性好；可以對低頻信號實現(xiàn)濾波，通過改寫程序可實現(xiàn)不同的濾波方法［3］。

在生產(chǎn)現(xiàn)場，操作過程的微小波動或環(huán)境中的電磁干擾等都會對輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，造成隨機誤差。在PLC 控制系統(tǒng)中，模擬量信號是經(jīng)過A∕D 采樣后轉(zhuǎn)化為數(shù)字量進行處理的，而PLC 系統(tǒng)本身沒有濾波功能［4］。因此，為了消除某些干擾信號而獲得真實的數(shù)據(jù)，就需要使用數(shù)字濾波。常用的數(shù)字濾波方法有：平均值濾波、中值濾波、限幅濾波、慣性濾波和平均滑動濾波等，這些濾波方法不需要硬件設(shè)備，只需根據(jù)預(yù)定的濾波算法編制相應(yīng)的程序即可達到目的。

2 濾波程序設(shè)計

針對拉速給定信號變化慢的特點，本設(shè)計采用限幅濾波與平均滑動濾波兩種濾波相結(jié)合的方式。限幅濾波設(shè)計成下限濾波與上限濾波兩種功能。下限濾波原理就是當(dāng)輸入變化很小的時候，輸出保持不變，下限濾波用來消除因電源、電位器等精度問題導(dǎo)致的信號微小跳變。上限濾波原理是當(dāng)輸入瞬間變化很大時，輸出保持原值一小段時間，用來消除因電磁干擾、信號線路虛接等問題導(dǎo)致的信號瞬間跳變。平均滑動濾波用來使信號變化更加平滑，且對周期性干擾有良好的抑制作用。

利用鑄機原有西門子S7 400 系列PLC，編制限幅濾波和平均滑動濾波兩個功能塊（見圖1），這兩個功能塊都可以作為通用功能塊使用，既可以單獨使用也可配合使用，可以用于其他信號濾波，還具有歸零限制功能（即當(dāng)輸入值進入歸零區(qū)域并超過歸零確認時間后，輸出變?yōu)榱悖┖洼敵鱿拗乒δ艿?，功能塊的接口包括輸入、輸出兩部分，輸入部分用于信號輸入及參數(shù)設(shè)定，輸出部分用于輸出濾波結(jié)果。

圖1 濾波及微調(diào)程序

針對電位器精確定位拉速困難的問題，設(shè)計兩種微調(diào)方法，一種是點動按鈕微調(diào)，一種是電位器自微調(diào)，總體思路基本一致：就是將拉速調(diào)節(jié)分為粗調(diào)和微調(diào)兩部分，分別進行控制，粗調(diào)用于快速調(diào)節(jié)的大幅度調(diào)整，微調(diào)用于精確調(diào)整。點動按鈕微調(diào)方式就是將微調(diào)部分用點動升降按鈕來控制，粗調(diào)仍用原電位器調(diào)節(jié)，需要增加兩個點動帶燈按鈕，用于點動升降的觸發(fā)信號，通過程序控制，每按一次按鈕相應(yīng)增加或減少0.01 m∕min 的速度設(shè)定值，用來作為微調(diào)。實際給定拉速等于電位器給定拉速加上微調(diào)兩部分，粗調(diào)時使用電位器調(diào)節(jié)，需要微調(diào)拉速時可以使用點動按鈕調(diào)節(jié)，兩者結(jié)合使用，方便快捷。電位器自微調(diào)是當(dāng)電位器調(diào)節(jié)較慢時自動進入微調(diào)模式，在微調(diào)模式時，粗調(diào)部分不變，微調(diào)部分按電位器的變化縮小一定比例緩慢變化，達到微調(diào)的目的。當(dāng)電位器調(diào)節(jié)較快時又會自動退出微調(diào)模式，即進入粗調(diào)模式，自動切換，實現(xiàn)粗調(diào)與微調(diào)并用，不需要增加任何設(shè)備，即用單個電位器實現(xiàn)了拉速的粗調(diào)與微調(diào)，因此稱為自微調(diào)方式。

3 微調(diào)程序設(shè)計

3.1 拉速濾波與微調(diào)應(yīng)用分析

為了使程序簡潔明了、易于理解及方便調(diào)用，將兩路拉速信號的濾波與微調(diào)程序塊集成在一個功能塊FB30 中，功能塊FB30 的接口包括輸入輸出兩部分，輸入部分用于信號輸入及參數(shù)設(shè)定，輸出部分用于輸出結(jié)果，其中輸入有初始化端eInitialization，設(shè)置為PLC 上電初始化信號M1.4（已定義），采樣脈沖輸入端eTimeBase，設(shè)置為0.1 s 脈沖信號M1.2（已定義），兩路拉速輸入eInSpeedReal1、eIn-SpeedReal2，分別接入兩路電位器給定拉速信號，兩路微調(diào)按鈕輸入eMinitrimUp、eMinitrimDn，設(shè)置為點動按鈕常開點輸入信號，輸出最小限制eOutMin，設(shè)置為零，輸出最大限制eOutMax，設(shè)置為電位器量程。輸出端提供兩路濾波后的拉速信號和兩路微調(diào)后的拉速信號，輸出給相應(yīng)變量，拉速濾波及微調(diào)程序詳細設(shè)置如圖2所示。

圖2 拉速濾波及微調(diào)程序

3.2 給定拉速信號濾波應(yīng)用分析

利用WINCC 將功能塊FB30的拉速輸入及濾波輸出變量進行實時顯示并做趨勢記錄，經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)調(diào)試及曲線分析，參數(shù)整定如下：限幅濾波下限值整定為0.009 m∕min，限幅濾波上限值整定為0.1（即1 m∕s 的變化率），上限濾波保持時間整定為10（即1 s），歸零精度值整定為0.009 m∕min，歸零確認時間整定為10（即1 s），平均滑動濾波主要參數(shù)設(shè)置，采樣個數(shù)設(shè)置為10，即對連續(xù)采樣的10 個數(shù)據(jù)取平均值。

下限濾波應(yīng)用分析：濾波前、后拉速對比如圖3所示，濾波之前給定拉速信號存在微小跳變，經(jīng)過下限濾波后，給定拉速信號成為一個定值，沒有任何抖動，效果顯著。

圖3 下限濾波前、后拉速對比

上限濾波應(yīng)用分析：鑄機現(xiàn)場線路錯綜復(fù)雜，到處充滿電磁輻射，因此難免會受到電磁干擾，導(dǎo)致拉速信號跳變，此外還存在線路虛接、線路接地等瞬間故障，也會導(dǎo)致拉速信號跳變，這類故障，因隨機偶然性很大，難以排查，也很難徹底解決，但是這類故障都有一個共同特點就是瞬間變化很大，然后又恢復(fù)正常，因此，可以采用限幅濾波程序過濾掉這種干擾。本文把這種限制變化率較大的濾波稱為上限濾波，濾波效果測試如圖4 所示，從圖4 中可見經(jīng)過該濾波之后，干擾信號已被過濾，正常信號實時性并未受到較大影響。

圖4 上限濾波前、后拉速對比

平均滑動濾波應(yīng)用分析：平均滑動濾波主要是對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高。在限幅濾波疊加平均滑動濾波后，使輸入拉速信號波形變化更加平穩(wěn)，如圖5 所示，拉速調(diào)節(jié)過程中，濾波后的拉速波形更加平滑，效果良好。

圖5 平均滑動濾波前、后對比

3.3 給定拉速微調(diào)應(yīng)用分析

優(yōu)特鋼事業(yè)部鑄機目前采用點動按鈕微調(diào)方式，點動按鈕微調(diào)方式的詳細設(shè)置見圖1 中微調(diào)程序功能塊?？紤]拉速回零及按鈕線路虛接等情況，微調(diào)增量不宜太大，需要受到一定限制，具體使用情況可以根據(jù)現(xiàn)場使用情況設(shè)置“微調(diào)增量限制”參數(shù)，現(xiàn)場目前使用“微調(diào)增量限制”設(shè)置為0.3。使用過程中粗調(diào)及微調(diào)相互配合使用，需要較大幅度的調(diào)節(jié)時使用電位器粗調(diào)，需要較小幅度的調(diào)節(jié)時使用點動按鈕微調(diào)，既能快速調(diào)節(jié)又能精準(zhǔn)調(diào)整，雖然微調(diào)增量有上、下限制，但是微調(diào)增量在電位器調(diào)節(jié)過程中還會自動按電位器變化量逐漸回零，以使拉速粗調(diào)后可以有較大微調(diào)范圍。

現(xiàn)場使用情況如圖6 所示，圖6 中顯示為兩條曲線，一條是電位器給定拉速（粗調(diào)），另一條是在電位器粗調(diào)加上微調(diào)后的拉速曲線，該拉速曲線是在粗調(diào)基礎(chǔ)上點動增加5 次和減少10 次以及粗調(diào)后又點動增加4次的效果。

圖6 拉速微調(diào)前、后對比

4 結(jié)束語

優(yōu)特鋼事業(yè)部連鑄機通過該應(yīng)用，拉速信號經(jīng)過濾波之后消除了因設(shè)備精度導(dǎo)致的微小跳變，以及因干擾和虛接導(dǎo)致的瞬間較大跳變，使拉速信號抗干擾能力增強，穩(wěn)定性大大提高，并且在不影響拉速快速調(diào)節(jié)的前提下實現(xiàn)了拉速精確微調(diào)功能，解決了拉鋼工精確調(diào)整拉速的難題，滿足了生產(chǎn)拉速精準(zhǔn)快速調(diào)節(jié)的要求，降低了崗位人員的操作難度和生產(chǎn)故障率，相關(guān)故障率由原來每月一次降低到每6 月一次，鑄坯質(zhì)量合格率由原來90%提高到95%，經(jīng)過幾個月的使用情況跟蹤，現(xiàn)場工人反映使用情況良好。