方愛紅,姜余發(fā)

(江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系,江西 南昌 330013)

1 引言

作為銅合金管、棒型材的重要制備方法之一,水平連鑄法廣泛應(yīng)用于中小型企業(yè)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)小斷面鑄坯。本文涉及到的設(shè)備為某公司1臺年設(shè)計產(chǎn)量2000 t管、棒坯料的水平連鑄機(jī)組,安裝完成并投入運(yùn)行半年左右的時間,基本上不能正常生產(chǎn),故障頻出,最大的問題就是經(jīng)常出現(xiàn)“拉漏”事故,即結(jié)晶器內(nèi)的銅坯在未完全凝固的情況下被拉出,然后銅液順著結(jié)晶器內(nèi)管的底部流出,進(jìn)入回水槽,形成“爆炸”效果,且無法控制,直至熔化爐、保溫爐內(nèi)的銅液降至結(jié)晶器進(jìn)口以下,每次造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)幾千至幾萬元不等,且對人員造成極大的安全隱患。

分析上述故障產(chǎn)生的原因:首先,伺服機(jī)構(gòu)性能不夠穩(wěn)定,數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動裝置不能適應(yīng)高溫環(huán)境下的頻繁正、反轉(zhuǎn)動作,無法抵御各種干擾的竄入,“拉-停-推-?！?步動作中某個環(huán)節(jié)稍有變化,都會造成“拉漏”事故;其次,冷卻水的流量、壓力失控也是發(fā)生事故的另一個重要原因。綜合分析事故現(xiàn)場工藝、設(shè)備、操作等情況,同時參考文獻(xiàn)[1],作者認(rèn)為:在“拉漏”之前,銅坯表面溫度會明顯升高,同時結(jié)晶器進(jìn)、出水溫差也會發(fā)生明顯變化,一方面,如“拉漏”是因為冷卻水流量、壓力不足或者爐內(nèi)銅液溫度過高,銅液雖充滿整個結(jié)晶器內(nèi)腔但來不及凝固,水溫差會明顯升高;另一方面,如“拉漏”是因為牽引速度太快,銅液來不及充滿結(jié)晶器的整個內(nèi)腔,冷卻接觸面太小,銅液無法散發(fā)出足夠的熱量而凝固,此時進(jìn)、出水的溫差會明顯降低。銅坯溫度、冷卻水溫差等變化靠人工觀察是無法完成的,且不可靠。因此,要避免“拉漏”事故的發(fā)生,控制系統(tǒng)必須能及時測量鑄錠溫度、冷卻水溫差的變化情況,并且做出判斷,決定是加大冷卻水量,還是改變牽引4個環(huán)節(jié)的比例,或者兩者兼而行之。

2 系統(tǒng)構(gòu)建

為確保設(shè)備能安全、正常運(yùn)行,最大限度避免發(fā)生“拉漏”事故,依據(jù)前文的工藝技術(shù)分析,本次改造在不能改變設(shè)備原整體布局的前提下,牽引機(jī)構(gòu)由交流伺服電機(jī)改為開關(guān)磁阻電機(jī);在結(jié)晶器出口處增加銅坯紅外線測溫儀,如圖1所示;在冷卻水進(jìn)、出管路上增加水溫測量儀,增加冷卻水電動流量調(diào)節(jié)閥;原數(shù)控裝置由S7-200替代,以實現(xiàn)牽引動作與冷卻水流量聯(lián)動。

圖1 水平連鑄機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of horizontal continuous casting machine

3 開關(guān)磁阻電機(jī)及其驅(qū)動裝置

水平連鑄機(jī)組牽引機(jī)構(gòu)的驅(qū)動部分經(jīng)歷了直流電機(jī)加凸輪裝置,液壓伺服電機(jī)以及交流永磁同步電機(jī)等幾個發(fā)展歷程。針對本文涉及到的設(shè)備,盡管已使用目前較為先進(jìn)的交流永磁同步電機(jī),但由于身處高溫環(huán)境且要求頻繁正、反轉(zhuǎn)(依據(jù)產(chǎn)品規(guī)格的不同,大約為5～20次/min不等),啟動電流大,機(jī)身及控制器發(fā)熱嚴(yán)重,性能參數(shù)、使用壽命等都受到影響。

鑒于上述情況,在充分了解各種電機(jī)性能及最新發(fā)展的基礎(chǔ)上,決定采用開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)及其驅(qū)動裝置替換原交流伺服系統(tǒng)。由文獻(xiàn)[2]可知,開關(guān)磁阻電機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn):

1)結(jié)構(gòu)與制造工藝簡單、堅固、成本低。轉(zhuǎn)子僅由硅鋼片疊壓而成,可工作于極高轉(zhuǎn)速;

2)電機(jī)的能量損耗主要源于定子發(fā)熱,電機(jī)易于從外表進(jìn)行冷卻,轉(zhuǎn)子無永磁體,可允許有較高的溫度;

3)轉(zhuǎn)矩方向只與相間切換順序有關(guān)而與相電流的方向無關(guān),從而可減少功率變換器的開關(guān)元件數(shù)量,降低系統(tǒng)成本;

4)由于電機(jī)繞組串聯(lián)在兩只開關(guān)元件之間,功率變換器不可能出現(xiàn)直通故障,可靠性高;

5)啟動轉(zhuǎn)矩大,低速性能好,沒有異步電機(jī)啟動時所出現(xiàn)的電流沖擊現(xiàn)象;

6)調(diào)速范圍寬,控制靈活,易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩,即有良好的速度特性;

7)在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)都具有高效率;

8)能4象限運(yùn)行,具有良好的再生制動能力。

當(dāng)然,擁有上述優(yōu)點(diǎn)的同時也存在一些不足,如存在轉(zhuǎn)矩脈動、機(jī)身振動和噪聲等問題,且這些都是由于開關(guān)磁阻電機(jī)固有的雙凸極工作機(jī)理引起的,很難克服。對本系統(tǒng)而言,第一,銅坯拉出工藝本身就要求間歇式進(jìn)行,轉(zhuǎn)矩脈動反而更利于結(jié)晶面的形成;其次,機(jī)身振動也不會傷害內(nèi)裝于結(jié)晶器中的石墨模,因為結(jié)晶器與牽引輪之間有足夠的距離進(jìn)行緩沖;最后,噪聲更不是問題,廠房內(nèi)隨便一臺拉絲機(jī)、拉拔機(jī)的噪音都更大。

本次改造選用某公司生產(chǎn)的開關(guān)磁阻電機(jī)(12/8極)及其驅(qū)動裝置,電機(jī)額定功率為3 kW,額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min;模擬給定:兩路輸入V1和V2,0～10 V信號,5種組合方式,可設(shè)定偏移和衰減;數(shù)字給定:面板、CAN、485均能夠設(shè)置;保護(hù)功能包括電機(jī)超速、散熱器過熱、過電流、過載、堵轉(zhuǎn)、電機(jī)短路、欠壓、過壓、電壓極限值等。

4 位置檢測及控制

圖2為本次改造所用開關(guān)磁阻電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。在本系統(tǒng)中,由于“拉-停-推-?！?步動作循環(huán)既要控制速度,同時還要控制位移,為此,系統(tǒng)設(shè)計充分利用轉(zhuǎn)子位置信號傳感器發(fā)出的三相位置信號,通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐?經(jīng)整形獲得方波信號,接入S7-200高速計數(shù)器輸入端,經(jīng)換算得到拉出或推入的實際位移。

圖2 開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The structure of switched reluctance motor control system

如上所述,本系統(tǒng)采用 12/8極開關(guān)磁阻電機(jī),轉(zhuǎn)子位置信號傳感器是由三相光電傳感元件(固定在定子上)和一個光電盤(與轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn))構(gòu)成。每相光電傳感元件結(jié)構(gòu)相同,分別由底座、紅外發(fā)光二極管和紅外光電三極管等3部分組成,安裝在定子圓周上且相互間隔15°。光電盤是一個與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)且均勻開有與轉(zhuǎn)子同等數(shù)目齒槽的齒槽盤。工作原理如下:發(fā)光二極管和光電三極管之間開有一個U形槽,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,光電盤的齒槽依次從光電傳感元件的U形槽中順序穿過,當(dāng)它的齒進(jìn)入槽中時便遮擋住發(fā)光二極管的光線,使光電三極管處于截止?fàn)顟B(tài),集電極輸出高電平;當(dāng)它的槽在這一位置時,發(fā)光二極管的光線則能夠照射到光電三極管,使之飽和導(dǎo)通,集電極輸出低電平。電機(jī)旋轉(zhuǎn)時,三相傳感器可以得到A,B,C三相位置方波信號,如圖3所示的S1,S2,S3,周期為45°(360/8=45),相鄰兩相相差 15°,S 波形則是對S1,S2,S3三相位置信號波形進(jìn)行異或后得到的。三相位置輸入信號的調(diào)理及異或電路采用文獻(xiàn)[3]介紹的電路,如圖4所示。

圖3 三相位置信號波形圖Fig.3 T hree phase signals to position profiles

圖4 三相位置信號輸入電路Fig.4 T hree phase signals to position input circuit

5 位移控制的軟件實現(xiàn)

根據(jù)水平連鑄機(jī)組鑄坯凝固的特點(diǎn),“拉-停-推-停”4環(huán)節(jié)的速度曲線(又稱為拉坯曲線)一般分為正弦曲線或雙折梯形曲線,前者剛啟鑄時加速度為最大值,鑄坯凝固前沿的坯殼易被拉裂;后者啟鑄加速度小,動載荷小,拉坯工作更可靠。另外,雙折梯形又分為按時間和按位移進(jìn)行直線加、減速控制。相對前者,按位移控制計算量,所需存儲空間更小。為此,本次改造使用雙折梯形且按位移進(jìn)行拉坯控制。同時,為適應(yīng)不同材質(zhì)、不同尺寸、不同形狀合金產(chǎn)品的生產(chǎn)要求,設(shè)計拉出位移X1、推入位移X2、正向拉出后的停止時間T1、反向推入后的停止時間 T2、正向速度v1、反向速度 v2、拉出加速位移 XA、推入加速位移XC、拉出減速位移XB、拉出減速位移XD等參量由工藝人員通過觸摸屏進(jìn)行設(shè)置。

圖5 拉出、推入控制子程序流程圖Fig.5 The flowchart of pull-push subroutine

為盡量滿足實時控制的要求,同時又兼顧主程序的方便設(shè)計,本系統(tǒng)采用子程序的方式實現(xiàn)拉出、推入功能,程序框圖如圖5所示。首先,進(jìn)入PLC高速計數(shù)器HSC0的轉(zhuǎn)子位移信號,經(jīng)變換、處理得到電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)實際位移X并與XA,XC,XB,XD,X1,X2進(jìn)行比較,判斷所屬升速、降速、勻速等階段;其次,依據(jù) v1,v2,XA,XC,XB,XD以及實際位移X計算當(dāng)期拉出或推入的速度;最后,判斷當(dāng)期速度計算值可否小于一個很小的設(shè)定值,以決定是否啟動定時器T1,T2,進(jìn)入正拉、反推間歇期。另外,圖5中v10,v20為電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的起始速度,F0為電機(jī)是否旋轉(zhuǎn)的標(biāo)志位,電機(jī)速度v=0時清零,定時器T1,T2定時時間到達(dá)時置位,F1為電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的標(biāo)志位,置位、清零分別由定時器T1,T2定時時間到達(dá)與否決定。

6 PLC硬件、軟件設(shè)計

作為本系統(tǒng)的控制核心,PLC的安全性、可靠性、抗干擾能力就成為重中之重,本次改造選用西門子 S7-200。硬件包括 1臺基本模塊CPU224XP(集成14/10數(shù)字量I/O點(diǎn),2/1模擬量I/O點(diǎn),可連接7個擴(kuò)展模塊,20k字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間,6個獨(dú)立的高速計數(shù)器(100 kHz)),1臺8輸入/8輸出數(shù)字量I/O擴(kuò)展模塊EM223,1臺2路模擬量輸入擴(kuò)展模塊EM231,1臺2路模擬量輸出擴(kuò)展模塊EM232以及1臺觸摸屏TP227。主要輸入開關(guān)量包括鑄坯紅外線測溫儀溫度報警信號,操作臺電機(jī)啟動、停止、緊停以及其它相關(guān)信號等;輸入模擬量包括冷卻水進(jìn)、出管路上的水溫探頭信號;輸出模擬信號包括電機(jī)驅(qū)動器控制信號和流量控制閥調(diào)節(jié)信號。

軟件方面,定時器T1,T2采用中斷方式控制拉出、推入切換,中斷服務(wù)程序主要完成標(biāo)志位F0,F1的清零或置位。鑄坯溫度經(jīng)智能測溫儀器測量并進(jìn)行極限判斷后,得到的開關(guān)量成為防“拉漏”的重要標(biāo)志,為確保安全、高效,這個開關(guān)量和冷卻管路上進(jìn)出水溫差一起設(shè)計并由主程序監(jiān)控,當(dāng)發(fā)生“拉漏”征兆時,程序首先進(jìn)行3次調(diào)整,縮減拉出速度、加大推入速度等。如仍無效,則報警且加大冷卻水流量,同時封鎖所有動作,等待處理,因為“拉漏”故障除與牽引速度、冷卻水流量等有關(guān)外,還與保溫爐溫度,銅液氣體含量以及合金工藝等多方面因素有關(guān),而且這些因素往往自動控制性不強(qiáng)。主程序結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 T he flowchart of main program

7 結(jié)論

設(shè)備經(jīng)改造并投入生產(chǎn)后,運(yùn)行平穩(wěn),數(shù)次發(fā)現(xiàn)并克服了因水泵故障、爐溫、爐內(nèi)氣體含量等條件引起的“拉漏”事故隱患。為其它相類似的設(shè)備提供借鑒、參考。在改造其它設(shè)備時,可考慮如下值得改進(jìn)的幾個方面:

1)本次技術(shù)改造的主要目的為避免水平連鑄機(jī)組生產(chǎn)過程中的“拉漏”事故隱患,而其它方面的控制考慮不是很多,例如,牽引速度對產(chǎn)品質(zhì)量的影響,如裂紋形成,結(jié)晶效果等。本次設(shè)計選用的PLC還留有足夠的功能儲備和存儲空間,如果日后能夠設(shè)計出更合理、有效的控制方案,調(diào)整程序及接口也非難事。

2)由于工藝條件中爐溫變化、冷卻水流量、壓力變化及銅液中氣體含量的大小等都存在非線性、時變的特點(diǎn),系統(tǒng)雖然進(jìn)行了位置反饋,但為快速有效地避免“拉漏”事故的發(fā)生,程序不能過于繁瑣、冗長,故未實現(xiàn)真正的誤差反饋控制,以致抵御干擾對位移影響的能力不強(qiáng),有待進(jìn)一步改進(jìn)。

3)本次改造使用了1臺功率很小的開關(guān)磁阻電機(jī),僅僅發(fā)揮了其結(jié)構(gòu)簡單,適于頻繁正、反轉(zhuǎn),啟動電流小等方面的優(yōu)勢,節(jié)能效果未能充分利用。

[1]李蒙.水平連續(xù)鑄鋼伺服驅(qū)動裝置智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2003.

[2]師勇,張曉東.開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù),2007,36(11):25-26.

[3]焦洋.基于DSP的開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].北京:北京交通大學(xué),2007.