伺服驅動器在塞棒控制系統中的應用

宮慧仲，張亮亮

（承德鋼鐵集團有限公司，河北 承德 067000）

在鋼水澆鑄工序中控制鋼水液面的穩定是實現連續澆鑄生產的前提。生產過程中結晶器內鋼水液面必須保持在相對穩定狀態，否則液面波動容易出現卷渣現象和漏鋼事故，嚴重影響鑄坯質量。液面的穩定控制通常是由控制器根據鋼水液位信息進行運算處理然后驅動伺服驅動器調節塞棒開關動作來實現的。在塞棒自動控制時，通常連鑄機的拉速為一個固定值，控制器將實際鋼水液位與設定鋼水液位進行比較，高于設定值時增加塞棒的開度，低于鋼水液位設定值時減少塞棒的開度。從而控制實際液位在設定液位位置，保證結晶器內鋼水位置恒定。

1 塞棒控制系統的組成

1.1 液位檢測系統主要由Cs-137及其儀表組成

120噸2 #連鑄機采用同位素Cs-137作為放射源，其特點是信號穩定，結構簡單，精度高且易維護。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放射源發出的γ射線，穿過鋼水的γ射線粒子數與鋼水的液面成反比例。通過傳感器將γ射線強度轉化為PLC可接收的電信號即可連續測量結晶器內的鋼水液位高度。

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

1.2 塞棒調節系統主要由伺服驅動器和電動缸組成

主要設備包括西門子300PLC一套、伺服驅動器和塞棒；伺服驅動器的作用是驅動塞棒動作，它有兩路模擬量信號，分別是接收來自PLC的塞棒位置設定值和發送給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場操作箱的開關量信號和進行塞棒位置確定的PID運算；塞棒則是執行機構，電動缸的內部電氣部分是一臺AKM43EEKMNR-00電機和一個編碼器，機械部分是一根有效行程為120mm的絲杠。

圖1 塞棒控制系統組成

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

塞棒控制主程序寫在OB1中，塞棒設定位置分為兩部分：PID調節量和塞棒標準抖動量。PID調節部分的程序寫于OB35程序塊中，運算完成后通過DB16.DBD38發送給DB13數據塊（以1流塞棒控制程序為例），再加上運算后的標準塞棒抖動量最終以±10V的電壓信號發送給伺服驅動器。具體控制框圖如圖2所示。

圖2 塞棒控制系統示意圖

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準塞棒抖動量，是按正弦曲線規律給定的微小調節量，數值固定，方向正負交替。其值為ASin2πft，這里的A和f都有限幅值。A為塞棒抖動振幅（畫面設定）；f為抖動頻率（畫面設定）；t為掃描周期累加的0-60S的變動數值。

圖3 實際簡諧振動的PDA曲線圖

3 伺服驅動器的正確使用和參數優化

伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分，已經被廣泛的應用于工業機器人、數控加工中心、定位控制等眾多控制系統當中。120噸2#連鑄機使用科爾摩根AKD-P00306伺服驅動器對電動缸進行控制，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接電機三相電源；PE接電機地線。

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

X10端子排：接編碼器。

在此需要注意的是電機三相相序必須和接線圖一致，否則會導致伺服驅動器報F503母線電容器過載故障；另外，需要確認驅動器電源電壓是220V還是380V，否則容易造成伺服驅動器損壞。

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

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晶器液位波動的情況和解決方案

（1）鋼種和溫度會對結晶器液位產生很大的影響。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，嚴格控制上鋼溫度范圍，規范標準化操作。

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

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

4.2 設備運行方面容易引起結晶器液位波動的情況和解決方案

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

（2）現場存在電磁干擾或液面自動控制系統設備接地不良現象，造成液位信號波動。解決方案：對連鑄機的首、末端電磁攪拌進行漏磁測試，接地系統采用單端接地，即電動缸電纜、中間接線盒、柜內電纜、所有屏蔽層連通并在柜內統一接地，將儀表地和保護地分離。

（3）PID參數對系統的影響也是很大的，容易導致液面不穩定。解決方案：觀察曲線的變化規律，進行PID參數的優化調整，使驅動器達到最佳輸出效果。

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

（5）塞棒執行機構磨損導致間隙變大，主軸的定位松動等機械連接問題也會引起液面的不穩定。解決方案：機械機構經常檢查，電動缸的絲杠定期加潤滑油潤滑。

5 結語

塞棒控制系統可以有效的保證連鑄結晶器的液面穩定，大大提高了連鑄機的工作效率，提升了鑄坯質量并降低了崗位操作工的勞動強度。伺服驅動器在塞棒控制系統的廣泛應用一方面提升了塞棒的響應速度和控制精度，另一方面降低了設備故障率，有效的保障了連鑄系統的穩定運行，提升了生產效率。