大型生產線碼垛工藝優化的開發與應用

張 慧

（萊蕪鋼鐵集團有限公司設備檢修中心，山東萊蕪 271104）

0 引言

型鋼廠大型生產線的H450×200H500×200 等規格碼垛節奏為1100 t 左右，與連鑄小時產能1300 t 不匹配，軋鋼產能=連鑄產能×110%=1430 t，班產差330 t，3600 t 一個生產計劃要剩余1000 t，導致BB2 坯料生產組織困難，熱送熱裝率低，無法實現正常的坯料優化定尺，產量損失大、煤氣消耗高、成材率和定尺率指標低。碼垛工序成為規格生產產量的瓶頸環節。

1 現狀分析

1.1 原西馬克設計功能分析

碼垛區域的工藝過程及自動控制分別由西馬克與西門子公司完成，其技術水平在當時是世界領先的。其中工藝過程為碼垛機在成層位置下降至勵磁位置建立勵磁等待勵磁結束，碼垛機提升至平移位置碼垛機開始平移，當平移至堆垛位置開始下降，下降到位后發出消磁命令，等待放磁完成后開始提升，提升到平移位置后開始后退平移至成層位置完成一個工作循環。其中的關鍵參數：碼垛機橫移速度1.0 m/s，勵磁時間1 s，放磁時間1.5～2.5 s，碼垛橫移時間4～5 s，各位置定位響應時間0.1～0.2 s。

1.2 改造前碼垛機運行參數分析

碼垛機運行時間接近15 年，運行狀態已遠遠偏離當初設計的功能。根據碼垛機橫移機提升的相關PDA 記錄繪制改造前碼垛機一個工作循環的速度控制曲線（圖1）。

圖1 改造前碼垛機升降及橫移速度控制曲線

從圖1 可以看出，碼垛機的運行參數與初始設計存在較大的偏差。其中關鍵參數：勵磁時間3 s，橫移速度為0.3 m/s 左右，放磁時間為6 s，各位置的定位響應時間為1～1.5 s。其中在下降吸鋼過程中還多了一個等待位置耗時1.5 s 左右。

2 改造方案及實施

2.1 碼垛機橫移位移檢測手段的改造

原碼垛機橫移位移的檢測靠電機轉軸上的旋轉編碼器來進行，由于檢測精度要求較高，此種檢測方式容易將機械傳動上的間隙引入檢測值，由于機械傳動上的間隙是一個隨時變化和無法控制的量，因此會將一個不穩定的誤差累計到被檢測的位移量上，造成碼垛機橫移位置定位不準。為了能夠直接測出碼垛橫移機的實際位移量，改用激光測距儀對實際位移量進行直接檢測。

在碼垛橫移機上加裝反射擋板，將激光測距儀安裝在碼垛橫移機行程盡頭的臺架上并進行固定。這樣激光測距儀檢測的距離的變化就能直接反映碼垛橫移機位移的變化，且精度提高到1 mm 內。滿足了碼垛橫移機的定位要求。

2.2 碼垛橫移機速度控制及定位功能程序優化

目前津西碼垛機的橫移時間為9 s，而實際橫移時間需要14 s，說明碼垛橫移機的速度控制及定位功能的程序上存在問題。通過對碼垛機橫移波形的分析，發現碼垛機橫移的速度達不到給定的最大值便開始減速。減速運行時間過長。通過對定位控制程序的解讀發現造成這一現象的直接原因是定位程序中自動換算的定位減速點過于靠前，使碼垛機提前減速。

碼垛機減速點位置=碼垛終點位置-減速區間位移。碼垛減速區間位移=0.5×a×t2=0.5×a×（V/a）2=V2/2a，其中a 為定位減速度，由此可見減速點位置只與定位減速度有關，其數值設置越小減速點越靠前。經過參數對照發現定位減速度設置為0.02，明顯過小，將其修改為0.15，這樣橫移速度便能達到給定的最大速度，橫移時間大大縮短。

2.3 碼垛順控程序優化

在碼垛機下降吸鋼的過程中，原設計有一對吸鋼位有無鋼的判斷，這個判斷是在碼垛機下降停止后進行的，這樣無論下面有沒有戶鋼碼垛機下降到判斷位置都會停止等待然后再下降吸鋼，造成了不必要的浪費。通過程序修改將判斷位置改在橫移時進行判斷，取消了下降的等待時間，去除了不必要的浪費。

在碼垛機下降吸鋼過程中，在勵磁位置高度誤差＜100 mm時觸發勵磁命令，同時碼垛機繼續下降至勵磁高度，節省建立勵磁的時間。

碼垛機吸鋼完畢上升時，在高位到位誤差＜100 mm 時觸發平移命令，同時碼垛機在平移過程中繼續上升至高位，節省平移時間。

2.4 碼垛勵磁系統控制程序解讀

由于碼垛勵磁系統控制程序編制的過于復雜，在程序的解讀上存在很大的難度，但從碼垛區域的波形記錄分析，碼垛的勵磁時間及放磁時間似乎都被固化為3 s 和6 s，這明顯是不合理的。要想這一問題能得到印證和解決就必須要對碼垛勵磁系統的控制程序進行解讀。

通過對程序的解讀發現，原程序設計的勵磁時間與放磁時間都是基于計時器的時間固化。勵磁時間被固化為3 s，放磁時間被固化為DB1.DBW80 里的時間為6 s，電流的實際值沒有引入控制程序參與程序的控制。而從勵磁系統的實際工作波形來看明顯是不合理的。

2.5 新控制程序的編制

碼垛電磁系統需要的是磁力，而磁力在正常工況下只與通過吸盤中的電流大小有關系，因此碼垛勵磁系統的勵磁時間與放磁時間都應該根據電流的實際變化來進行確定。

在對碼垛工藝流程進行了充分的了解，并對原控制程序的工藝流程進行了詳細解讀的前提下，顛覆了原有的控制功能，設計新的控制程序。將勵磁電流作為被控變量引入控制程序，參與控制程序的條件判斷。在勵磁電流實際值達到給定電流的80%時，勵磁控制程序給出勵磁OK 的反饋信號，使勵磁等待時間大大縮短。根據1，2，3 區勵磁電流大小的不同，勵磁時間分別由3 s 縮短至1.2 s、1.3 s、2 s。在對電磁系統的結構進行了充分的預估分析后，對放磁過程進行了優化。對原設計的放磁過程進行拆分控制，使整個放磁時間急劇縮短。目前碼垛1 區與碼垛2區放磁時間由原來的6 s 縮短到目前的1.3 s 和1.5 s 以內，碼垛3 區由6 s 縮短到2.5 s。

同時增加勵磁擋位控制功能，以滿磁的70%為基數，每一擋增加5%的滿磁磁力進行7 擋磁力選擇，即1～7 擋磁力分別為滿磁磁力的70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%。現場操作人員可以根據產品規格選擇合適的擋位以滿足工藝要求，基本能夠做到以勵磁系統運行于最小可靠工作電流。上文所提到節省的時間都是在滿磁工作下節省的時間，如果磁力擋位下調，節省的時間會更多。

3 結語

經過對碼垛節奏優化后，碼垛一個工作循環從58 s 降低到36 s，節奏提升30%以上，經過3 個區的聯合試用，運行效果良好，碼垛的生產節奏得到了大幅提高，碼垛作為某些產品規格產能瓶頸的問題得到解決。