梅瑾燁，劉 楨，史江華，周士凱，王曉鵬

(1.中國(guó)重型機(jī)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(tái)是現(xiàn)代連鑄機(jī)設(shè)備中應(yīng)用最普遍的一種運(yùn)載和承托鋼包進(jìn)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(tái)的叉臂上，通過(guò)回轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)，使鋼包停在中間包上方，實(shí)現(xiàn)連鑄機(jī)的連續(xù)澆注生產(chǎn)。澆注完畢的空包則通過(guò)回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)再運(yùn)回鋼水接收跨。由于各個(gè)廠家對(duì)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)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(jì)性、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性成為設(shè)計(jì)的重要問(wèn)題。

多個(gè)鋼廠反饋，鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)在生產(chǎn)過(guò)程中，空載運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程良好；加載后，尤其是在雙臂同時(shí)承受最大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)運(yùn)行曲線發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程有大慣性沖擊對(duì)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(tái)不能立即定位，需要人工復(fù)位一次后才能進(jìn)行正常的自動(dòng)化控制。針對(duì)此問(wèn)題，根據(jù)國(guó)外某鋼廠新建不銹鋼板坯連鑄機(jī)的鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的電控系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的問(wèn)題，對(duì)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)電氣控制進(jìn)行了優(yōu)化。

1 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)控制對(duì)象

如圖1所示為連鑄機(jī)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)示意圖。鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)采用連桿式結(jié)構(gòu)，兩側(cè)鋼包通過(guò)液壓控制可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)升降。鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)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(tái)的正?；剞D(zhuǎn)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，事故回轉(zhuǎn)則通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。事故回轉(zhuǎn)馬達(dá)與主減速器之間設(shè)有液壓離合器。

圖1 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)示意圖

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)有兩側(cè)無(wú)鋼包、單側(cè)有鋼包、兩側(cè)有鋼包三種典型載荷工況。單個(gè)滿包鋼包的重量在200 t以上，鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)正常工作時(shí)，兩臂都承載裝滿鋼水的鋼包時(shí)所受的載荷最重。兩臂承載不同鋼包或單臂承載鋼包時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏載的狀況，尤其是一邊為滿包一邊為無(wú)包的工況時(shí)，鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)將承受最大的偏載。而且，在承接和移走鋼包時(shí)都會(huì)對(duì)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)生一定的沖擊。在這些狀況下，鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的受力會(huì)有很大的不同，但無(wú)論載荷工況如何，都要保證鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)在運(yùn)行過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確、起停時(shí)對(duì)機(jī)械設(shè)備的沖擊最低。

2 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)優(yōu)化

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)人工發(fā)出旋轉(zhuǎn)指令完成自動(dòng)回轉(zhuǎn)。鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)通用的控制方式如圖2所示，命令傳達(dá)到PLC控制系統(tǒng)，在PLC內(nèi)部生成設(shè)定好的運(yùn)行曲線，鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)按照曲線要求進(jìn)行加速、穩(wěn)速和減速控制，經(jīng)過(guò)處理的控制信號(hào)以通訊方式傳送到控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的變頻器內(nèi)部。其中，鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的定位控制是通過(guò)設(shè)置的行程開(kāi)關(guān)或編碼器來(lái)完成加減速及停車。

圖2 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)控制方式

現(xiàn)場(chǎng)用戶反饋，鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)使用一段時(shí)間后，陸續(xù)暴露出了一些在設(shè)計(jì)過(guò)程中未曾考慮到的問(wèn)題：

(1)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中行程開(kāi)關(guān)卡死，誤動(dòng)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(duì)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)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(guò)程中，低速起步時(shí)間較長(zhǎng)，增加了鋼包中鋼水的溫降；

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

針對(duì)使用中出現(xiàn)的問(wèn)題，在新的設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，從電氣元件類型和鋼包速度控制兩個(gè)方面對(duì)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。

2.1 電氣元件選型

限位和編碼器的信號(hào)采集是鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)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(duì)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性有著至關(guān)重要的影響。以往的定位設(shè)計(jì)是采用一個(gè)行程開(kāi)關(guān)和一個(gè)增量型編碼器的控制方式。編碼器的信號(hào)決定鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的高、低速自動(dòng)切換和到位停車。行程開(kāi)關(guān)作為一個(gè)清零開(kāi)關(guān)被使用，目的是提高控制精度，減少編碼器累計(jì)誤差帶來(lái)的停位偏差。

行程開(kāi)關(guān)在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)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(guò)程中出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)控制失控的狀態(tài)。因此，將原來(lái)的一個(gè)行程開(kāi)關(guān)換成兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)，一個(gè)接近開(kāi)關(guān)用來(lái)定位停車和清零，另外一個(gè)只用來(lái)定位停車。接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作靈敏、可靠性高、動(dòng)作區(qū)域可調(diào)，所以鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的兩個(gè)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(shí)也不會(huì)因?yàn)闆](méi)有停止位信號(hào)而不停車。

原有編碼器是增量型編碼器，其優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；機(jī)械平均壽命長(zhǎng)，可達(dá)到幾萬(wàn)小時(shí)以上；分辨率高，抗干擾能力較強(qiáng)；信號(hào)傳輸距離較長(zhǎng)，可靠性較高。其缺點(diǎn)是無(wú)法直接讀出轉(zhuǎn)動(dòng)軸的絕對(duì)位置信息。正是這一缺點(diǎn)，使得鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)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(yùn)轉(zhuǎn)到初始位置，重新清零后才能開(kāi)始正常運(yùn)轉(zhuǎn)。一旦操作人員或維護(hù)人員工作疏漏就會(huì)帶來(lái)潛在的生產(chǎn)不穩(wěn)定因素，對(duì)此很多現(xiàn)場(chǎng)都反映希望能夠改進(jìn)。因此，為了解決這一現(xiàn)場(chǎng)操作繁瑣的問(wèn)題，提高設(shè)備的自動(dòng)化水平，將增量型編碼器改用絕對(duì)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(duì)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(duì)值編碼器。串行輸出就是指通過(guò)約定，在時(shí)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(duì)應(yīng)的接口，故使用西門子ET200M中的SM338專用模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集。SSI接口選擇RS422模式，用兩根數(shù)據(jù)線和兩根時(shí)鐘線連接，通過(guò)接收設(shè)備向編碼器發(fā)出中斷的時(shí)鐘脈沖，絕對(duì)的位置值由編碼器與時(shí)鐘脈沖同步輸出至接收設(shè)備。接收設(shè)備發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)，編碼器從高位(MSB)開(kāi)始輸出與時(shí)鐘信號(hào)同步的串行信號(hào)。這種串行輸出方式使得現(xiàn)場(chǎng)的連接線少，而傳輸距離遠(yuǎn)，有效地提高了編碼器的保護(hù)性和可靠性。

2.2 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)速度控制優(yōu)化

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

在沒(méi)有進(jìn)行控制軟件優(yōu)化前，按照以往的設(shè)計(jì)對(duì)相關(guān)控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)電機(jī)進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化。通過(guò)變頻器自帶控制軟件的一個(gè)Trace功能，可以捕捉到設(shè)備電機(jī)運(yùn)行后的速度曲線，如圖3所示。由圖3可知，低速起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，停車減速區(qū)間太短造成速度波動(dòng)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(duì)旋轉(zhuǎn)定位精度進(jìn)行了處理。

首先通過(guò)編碼器讀取回轉(zhuǎn)臺(tái)的相對(duì)位置，將讀取的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～360°的角度信號(hào)。為了正確的讀取到編碼器數(shù)值，在硬件配置時(shí)需要對(duì)模板SM338進(jìn)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(tái)電機(jī)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(tái)1#包臂旋轉(zhuǎn)定位區(qū)間。規(guī)定1#包臂在澆注位的時(shí)候旋轉(zhuǎn)角度為0°，同時(shí)清零限位也是1#包臂到位信號(hào)，那么2#包臂就在對(duì)角180°的接收位。當(dāng)回轉(zhuǎn)臺(tái)沿任意一個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，都會(huì)使得1#包臂經(jīng)過(guò)清零位，故旋轉(zhuǎn)角度總是在0～360°之間?；剞D(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算如下：

圖5 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)1#包臂旋轉(zhuǎn)定位區(qū)間

編碼器讀數(shù)>0時(shí)，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(shí)，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(tái)包臂進(jìn)入這一區(qū)域后開(kāi)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(yùn)行的沖擊破壞。在PLC程序中，通過(guò)編碼器位置讀數(shù)轉(zhuǎn)換成的角度信號(hào)和定位行程開(kāi)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(yùn)行至減速區(qū)間開(kāi)始減速，接近停止位時(shí)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(duì)定位精度做出了保證，也對(duì)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(chǎng)的控制要求。

圖6 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)速度控制曲線

PLC將圖6所示的鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)速度控制曲線，通過(guò)通訊方式將控制命令傳達(dá)到變頻器從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。為了通過(guò)變頻器的控制使得鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行曲線更加貼合控制曲線，同時(shí)設(shè)備運(yùn)行更加平穩(wěn)，對(duì)變頻器的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了調(diào)整。由于主要進(jìn)行的是速度控制且編碼器的安裝位置并不在電機(jī)軸上，所以選擇了無(wú)編碼器的速度閉環(huán)控制，同時(shí)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(hào)的變換以斜坡的方式增加或減少，實(shí)現(xiàn)速度設(shè)定值的跟蹤，使得PLC傳送過(guò)來(lái)的速度設(shè)定值的階躍信號(hào)在變頻器內(nèi)轉(zhuǎn)化為一個(gè)連續(xù)且平滑的速度給定，減少對(duì)設(shè)備造成的沖擊。通過(guò)調(diào)整發(fā)生器內(nèi)部的參數(shù)，對(duì)設(shè)備反復(fù)測(cè)試，最終達(dá)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(tái)電機(jī)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(jī)在起動(dòng)后平滑的加速到設(shè)定速度，同時(shí)增加了停車減速區(qū)間，在速度穩(wěn)定后靠精確定位來(lái)準(zhǔn)確停車，整個(gè)過(guò)程速度變化都是以一種平滑的曲線在運(yùn)行。

圖8 優(yōu)化后鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)速度曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)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(shí)際中的設(shè)計(jì)不足問(wèn)題，同時(shí)也提高了設(shè)備的使用可靠性，降低了控制不當(dāng)對(duì)設(shè)備的沖擊傷害，減少了設(shè)備不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的故障率。整個(gè)系統(tǒng)提高了工作效率，節(jié)省了人力、物力、財(cái)力，達(dá)到了預(yù)期的效果。