中厚板連鑄坯定尺長度控制優化

陳希云 周恩會

(江蘇沙鋼集團有限公司 江蘇張家港 215625)

1 前言

江蘇沙鋼集團轉爐煉鋼廠一車間3#板坯連鑄機系奧鋼聯設計并提供主要設備供貨，板坯定尺主切設備采用上海某家公司設計制造的BG型板坯火焰切割機。該型火焰切割機采用光電編碼器對切割車位置判斷和鑄坯長度測量，切割車同步機構使用氣缸式壓頭壓緊鑄坯，使切割車在切割時與鑄坯同步運行，以保證割縫垂直于鑄坯縱軸線。通過手動輸入或由自動化二級系統下達的定尺長度進行切割，并且根據實測長度進行在線修正,見圖1。

2 存在的問題

在實際生產過程中，由于切割小車前測量輥處于切前輥道下方并與鑄坯直接接觸，長期受到紅坯的烘烤與冷卻水噴灑，設備故障率較高。同時由于測量輥的磨損導致測量長度變化及軸承卡阻打滑等原因，使得鑄坯定尺長度控制精度較差(控制精度最大只能達到10mm)。

圖1 火切機工作流程圖

在長度控制上，由于3#連鑄機產品的客戶是沙鋼三條中厚板生產線，其生產計劃較為特殊，同一爐鋼水需要多個坯料長度，很多時候，相同長度的板坯數量不超過3塊，這就給生產操作帶來了很大的難度，同時也給長度控制提出了更高的要求，并且分廠要求的長度目標誤差控制在0～4mm，實現也存在很大難度。

3 長度控制與優化的方法及措施

將原有切割小車前測量輥棄用，改用相對較準確的扇形段編碼器熱坯測量值作為定尺控制源，使得長度控制更為準確，同時增設增設長度檢測復核設備對產品長度跟蹤形成閉環，顯著提高了定尺長度命中率。

3.1 車前測量輥長度控制的原理與缺陷

3#連鑄機鑄坯定尺控制上采用的是雙編碼器計數的方式。鑄坯的實際長度由測量輥編碼器獲取，切割小車的位置由小車編碼器獲取。該兩處編碼器均采用了E+H的500型光電脈沖編碼器。PLC實時跟蹤坯頭位置(即經過火切機小車原位的長度)，通過與大車編碼器計數值的相減運算，得出實際等待切割的鑄坯長度。當待切長度大于或等于上位機給定的定尺長度時，切割機發出壓頭壓下指令，鑄機開始按指定長度進行自動切割操作。

編碼器計數值由控制柜內的SIEMENS高速計數模塊FM350-1采集。理論上來講，在測量輥及壓頭氣缸工作正常的情況下，切割所得鑄坯長度應該近似或接近于定尺設定長度。

測量輥所處環境惡劣，在長期高溫及高濕的不良環境下，新更換的測量輥在使用一段時間之后因磨損太大便需要進行更換；并且因為測量輥自身沒有單獨的潤滑系統，內部磨損較為嚴重甚至出現設備卡轉；測量輥和鑄坯之間存在間或的打滑現象等，以上種種原因導致測量輥維護工作量太大，在此環境下已不適合作為測量反饋裝置[1]。

3.2 鑄坯長度跟蹤控制設計與優化

3#連鑄機共有零段、弧形段、矯直段、水平段等13個扇形段，共中弧形段、矯直段、水平段共12個扇形段裝有24臺拉矯電機負責板坯拉矯驅動(每個扇形段各有上下二臺拉矯電機)，拉矯電機的控制方式為帶編碼器的矢量控制方式，每臺拉矯電機尾部均裝有測速編碼器測量運轉速度，因拉矯速度設定值是PLC控制器通過通訊統一下發給24臺變頻器共同執行的，因此理論上24只拉矯電機編碼器測量到的實際速度是一致的，通過編碼器反饋的平均速度乘于機械齒輪比可以計算出板坯連鑄機的實際拉速，用實際拉速并累加，可以計算出精確的熱板坯長度值。

分析奧鋼聯的程序可發現，3#連鑄機實際拉速是通過24個拉矯編碼器的共同參與計算獲得。通常情況下，由最后一個扇形段即12段上驅動輥編碼器的計數來獲取。但以下情況除外：(1)如果此編碼器值在24個編碼器平均值限幅之外；(2)驅動堵轉或報警；(3)編碼器故障。當出現以上故障時，系統自動切除故障編碼器，切換其它正常計數的編碼器作為拉速跟蹤用。

經過現場數據分析，3#連鑄機的板坯拉速測量是非常穩定的，據此，通過扇形段編碼器的測量，可以獲得相對精確的熱坯長度值。

3.2.1 鑄坯長度跟蹤優化的設計原理

板坯連鑄機電控設備按分散控制的設計思想，控制系統中配置了多臺PLC裝置及其電氣傳動設備，由西門子工業以太網(SINEC H1)和現場總線PROFIBUS將S7-400、ET200分布式I/O、SIMOVERT MASTER DRIVES變頻器組成全集成式的自動化控制方式[2]。

鑄坯長度跟蹤涉及鑄流PLC、驅動PLC、火切機PLC共三個PLC系統，PLC和PLC之間通過工業以太網通訊進行數據交換見圖2。

(1)鑄流PLC系統所得的板坯長度跟蹤值分為4組，分別為熱鑄流跟蹤值、結束澆鑄跟蹤值、送引錠跟蹤值以及開始澆鑄跟蹤值。這些跟蹤值都通過以太網通訊從驅動系統PLC中獲得。其中要用到的是兩組跟蹤值，一是熱鑄流跟蹤值(正常澆鑄時用)，另一是結束澆鑄跟蹤值(結束澆鑄時用)。

(2)在鑄流PLC系統中，PLC從鑄機送引錠開始，到鑄機開澆、鑄機正常澆鑄、鑄機結束停澆等狀態實時進行跟蹤，構成了鑄機的鑄流跟蹤系統。因此鑄流PLC可利用鑄流跟蹤系統實時判斷當前鑄機處于什么狀態，是屬于正常澆鑄時，還是結束澆鑄時，從而判斷當前鑄坯長度跟蹤使用的是熱鑄流跟蹤值還是結束澆鑄跟蹤值。判斷成功后，將當前使用的跟蹤值取出來，正確取得合適的板坯長度跟蹤值后，通過以太網通訊的方式傳送給火焰切割機PLC控制系統。

圖2 3#連鑄機PLC裝置工業以太網通訊網絡聯接圖

3.2.2 操作界面重新設計

新的HMI采用了SIEMENS的WinCC編制，增了以下功能：

(1)新增畫面及修改畫面。在原有基礎上新增跟蹤源選擇開關、熱坯收縮系數調整畫面、定尺微調畫面等，并修正了部分功能，如切割塊數等。

(2)報警系統。通過新的報警系統，可以查看關鍵設備如大車電機、槍電機變頻器故障的發生時間，為故障處理提供參考依據。

(3)時間同步系統。在利用OB35中編制程序取得系統時間，并與操作操作界面之間進行時間同步，可以在操作界面上顯示并設定系統時間。

通過幾個月的生產使用，扇形段編碼器作為火切機的板坯長度跟蹤源工作穩定，使用效果好，現已棄用了測量輥編碼器跟蹤源，一直使用扇形段編碼器跟蹤源，使用效果較滿意。

3.3 鑄坯二次測長閉環控制系統

由于熱坯長度測量屬于通過編碼器反饋的間接測量方式，切割誤差客觀存在，因而必須對鑄坯的實際長度進行反饋，通過反饋再對設定長度進行修正，通過“設定(反饋(修正(反饋(再設定”的方式，使得長度控制在目標范圍內。這就是增設二次測長的目的。

新增的鑄坯二次測量系統采用激光測距儀直接測量法，主要三部份構成：激光測距儀、測量軟件系統、PLC系統。

3.3.1 激光測距儀工作原理

激光測距儀按工作原理分為三角法、脈沖法、相位法。

三角法測量精度最高，可以達到微米級，但量程很短，通常用于測量鋼板的厚度等場合。

脈沖法精度最低，一般是米級，最好的也只是分米級，但量程很大，幾千米距離的場合很適用。這二種激光測距儀不適合此處板坯長度的測量。對于相位法激光測距儀精度為毫米級別，適用于中短距離的測量，對板坯長度的測量很適合。

相位法激光測距儀的工作原理是：測距儀發射的光束是連續調制的。當連續調制的光束到達被測目標，光束被測距目標反射回來，儀器接收從被測物體返回的散射激光，檢測發射光和接收光在空間中傳播時發生的相位差，將接收到的信號與參考信號進行比較，然后通過內置單片機處理器計算出相應相位偏移所對應的物體距離，相位法測距儀可以達到mm級測量精度，適合各種高精度測量場合，精度等級能達到二次測長系統的要求，因此二次測長系統中選用的是相位法激光測距儀[3]。

3.3.2 鑄坯二次測長控制系統工作原理

(1)在推鋼機推到位后，如果垛板臺上有坯子，PLC發出板坯到位待測信號，同進創建事件計數器值，判斷此時為手動測量還是自動測量。根據操作模式的不同，將事件計數器中不同的坯號數據傳送到SLMC。

(2)沿鑄坯長度方向裝設的二個激光測距裝置各自取得一個長度測量值，通過RS422通訊傳送到上位機。上位軟件取得2個長度信息后，通過以下公式進行計算出板坯長度：兩個測距傳感器分別獲得該傳感器到達鋼坯的距離L1和L2，已知兩個激光測距傳感器的距離為L，則鋼坯長度Lem=L-L1-L2，因板坯長度測量未通過機械齒輪比計算，屬于直接測量法，因此測量數據較準確見圖3。

圖3 鋼坯二次測長示意圖

(3)上位軟件計算出板坯長度后，經過比較與誤差消除，將錯誤的長度摒棄。如果測量長度有效，并且來自PLC的事件ID有效，則將所測量的長度通過OPC通訊將數據傳送到PLC，PLC取得坯號、長度數據與事件ID后，判斷如長度有效，則將該有效長度及坯號傳送至操作界面。同時，可根據所測得的長度與定尺設定長度進行比較，如果超差，則在操作界面上發出報警，提醒操作人員注意。

4 使用效果及維護建議

3#機自從利用扇形段編碼器作為板坯定尺長度跟蹤源后，使用效果較好，改變了以往測量輥因打滑和潤滑不良不轉導致故障多的問題，減少了維護人員的工作量，保障了正常生產。鑄坯二次測長系統安裝后，RS422全雙工的通訊方式在現場的應用中多次出現了故障。由于現場電纜走向復雜，布線不盡合理，同時長度達到130多米，且線路多在噪聲干擾非常嚴重的變頻電機動力線區域，產生了強烈的干擾。后來將RS422通訊電纜通過專用橋架敷設，并將屏蔽層規范接地后，解決了干擾大導致通訊故障的問題。因激光測距儀屬于高級精密儀器，不具備防水和防摔的功能，所以在使用過程中要做好以下維護工作：

①使用中特別要注意做好水的防護，不讓水直接淋到激光測距儀主體上。

②經常檢查儀器外觀，及時清理表面的灰塵、臟污，緊固好固定螺栓。

③清潔鏡面時應使用柔軟的干布，嚴禁用硬物刻劃，以免損壞光學性能。

5 結束語

使用扇形段編碼器作為跟蹤源來進行火焰切割機的定尺控制，輔之以SLMC激光二次板坯測長進行閉環，有效地解決了由于測量輥編碼器計數不準、故障率高的問題。由于扇形段編碼器跟蹤是扇形段拉矯的核心，其設計保證了在正常生產中不出現故障，因而完全可以替代火焰切割機車前測量輥編碼器。通過對產品長度控制的優化與改進，不但大幅減少了維護工作量，而且提高了火焰切割操作的可靠性。目前，3#機的定尺長度達標率(偏差控制0～4mm)已經提前達到了92%的攻關目標。

通過與火切機切割長度控制的優化，新的長度跟蹤源作為主要使用的跟蹤源，精確控制切割長度，且達到了降本增效的目的，通過鑄坯二次長度測量并輔于閉環控制，可以準確獲知實際板坯成品的長度，解放了紅坯長度測量人員，大幅降低了人力成本。