楊 勛

唐山鋼鐵集團有限公司微爾自動化公司

轉爐氧槍控制系統(tǒng)中編碼器的應用與關聯(lián)

楊 勛

唐山鋼鐵集團有限公司微爾自動化公司

氧槍是轉爐煉鋼的關鍵設備之一，它的控制系統(tǒng)性能關系到冶煉鋼水的質量與效率。要想保證氧槍系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行就必須有一套完善的控制體系。簡介了轉爐氧槍的控制系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)中的重要電器設備，簡述了編碼器的分類及原理，詳細說明了速度編碼器和高度編碼器在氧槍升降控制中起到的作用，并且初步構思了兩種編碼器所采集的數據共享的方法。

氧槍；編碼器；變頻器；plc

oxygen lance；encoder；inverter；plc

前言

在今天的金屬冶煉工業(yè)生產過程中煉鋼主要工藝為頂底復合吹轉爐，底吹主要介質為惰性氣體，起到均勻鋼水成分的攪拌作用。頂吹主要的介質是氧氣，它和鋼水中雜質發(fā)生氧化反應，從而達到降低雜質提高鋼水性能的目的。氧槍即是輸送氧氣的核心設備，氧槍系統(tǒng)是轉爐冶煉的核心系統(tǒng)，氧槍控制系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定性是轉爐工藝重中之重，它直接影響著轉爐煉鋼生產的安全、高效及鋼水質量。

氧槍控制系統(tǒng)主要分為橫移控制和升降控制，本文以唐山鋼鐵集團有限責任公司第一鋼軋廠150T轉爐氧槍升降控制系統(tǒng)為例，詳細介紹了編碼器在氧槍升降控制系統(tǒng)中的應用，在現(xiàn)有設備的基礎上，初步構想了速度編碼器和高度編碼器所采集數據互用方法。

1 氧槍控制系統(tǒng)簡介

唐山鋼鐵集團公司第一鋼軋廠有三座150T轉爐，每座轉爐有兩個氧槍，一用一備。在轉爐正常生產中，氧槍主要進行橫移和升降兩種動作，因此氧槍控制系統(tǒng)可分為橫移控制和升降控制。

1.1 氧槍橫移小車的控制

氧槍橫移小車的控制是2地3種控制。有兩種是在主控室的電腦畫面上由操作人員控制的，還有一種控制方式是在機旁的就地操作盤上進行操作。主控室內的兩種控制分別為自動和手動操作。以1#橫移小車換槍為例：選擇自動后，氧槍橫移小車的解鎖和移動等操作均由PLC來發(fā)出指令，當 1#橫移小車離開工作位后，2#橫移小車開始向工作位移動，1#橫移小車到達備用位后鎖緊杠鎖緊，2#橫移小車到達工作位后鎖緊杠鎖緊后，2#氧槍系統(tǒng)才可進行升降操作。當選擇手動時，1#橫移小車的解鎖、移動和2#橫移小車的移動、鎖定都是由操作人員在主控畫面上操作的。機旁操作類似手動操作，只是操作地點不同。

1.2 氧槍升降的控制

氧槍升降控制系統(tǒng)中主要設備包括氧槍搶體，鋼絲繩滾筒，凸輪控制器，高度編碼器，減速機，電動機，電機制動器，速度編碼器等。升降控制的核心就是控制電動機，也就是說控制氧槍升降的問題轉換成了控制電機的問題，而控制電機自然離不開變頻器和PLC。

氧槍變頻裝置采用矢量控制方式，每個氧槍均有一臺主提升電動機，每臺電機對應一臺變頻器，他們的控制采用二對二方式，即兩臺變頻器通過轉換開關可分別控制兩臺電動機。變頻器安裝在氧槍變頻柜內，遠程安裝在主電氣室。氧槍變頻柜內主要有斷路器、風機接觸器和主回路接觸器、兩個電抗和變頻器（帶制動電阻）。變頻斷路器主要是起過流保護作用的，風機接觸器則是用來控制冷卻風機的，氧槍接觸器控制氧槍提升電機的供電。電抗則是防止電磁干擾的以保證變頻器正常工作。變頻器是由PLC控制的，信號由PROFIBUS網絡傳到變頻器。變頻器自帶制動裝置，當需要制動時，制動單元接通制動電阻使電動機制動。氧槍的提升可靠正常電機和事故電機動作。當電源和PLC正常時，由正常電動機工作；當電源或PLC故障時，抱閘投入，由UPS電源為抱閘電機供電，使抱閘松開，再由事故電機把氧槍提升至待吹位。

圖1 氧槍升降機構簡圖

氧槍在控制畫面上需要設置7個位，分別為換槍超上限位、換槍位、等待位、開閉氧位、下超限位。其中換槍超上限位、換槍位、等待位、下超限位由凸輪控制器設定，開閉氧位由要強高度位置控制，氧槍到達這些位置時，由凸輪控制器或者高度編碼器把信號傳回PLC并在主控畫面上顯示出來。例如氧槍到達換槍上限位時，由主令控制器傳給PLC信號，程序連鎖就會阻止氧槍繼續(xù)上升，防止氧槍沖頂。

氧槍升降系統(tǒng)中有兩個非常重要的參數，一個是電機轉速，另一個就是氧槍高度，他們的檢測分別由兩個編碼器完成，測量速度的編碼器為增量型編碼器，測量高度的編碼器為絕對值型編碼器。

2 編碼器的工作原理

編碼器又稱為光電旋轉編碼器，它是通過光電轉換，將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉換成相應的電脈沖以數字量輸出，編碼器可以分為增量型編碼器和絕對型編碼器。

2.1 增量型編碼器

增量式光電編碼器的特點是每產生一個輸出脈沖信號就對應于一個增量位移，但是不能通過輸出脈沖區(qū)別出在哪個位置上的增量。它能夠產生與位移增量等值的脈沖信號，其作用是提供一種對連續(xù)位移量離散化或增量化以及位移變化（速度）的傳感方法，它是相對于某個基準點的相對位置增量，不能夠直接檢測出軸的絕對位置信息。一般來說，增量式光電編碼器輸出A、B 兩相互差90°電度角的脈沖信號（即所謂的兩組正交輸出信號），從而可方便地判斷出旋轉方向。同時還有用作參考零位的Z 相標志（指示）脈沖信號，碼盤每旋轉一周，只發(fā)出一個標志信號。

圖2 增量編碼器的器件組成及輸出信號波形

2.2 絕對值編碼器

絕對式編碼器是直接輸出數字量的傳感器，常用于電機定位也可用于測速系統(tǒng)。因其每一個角度位置都對應唯一的數字編碼而得名絕對式編碼器，如果系統(tǒng)的運動發(fā)生在電力中斷期間，新的位置在電源恢復以后也能立即確定。此外，絕對式編碼器還有可靠性高，抗干擾能力強等特點，在應用中越來越受到人們的重視。絕對編碼器光碼盤上有許多道由里至外的刻線碼道，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線……編排，這樣，在編碼器的每一個位置，通過n個光眼讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方變化的唯一的2進制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機械位置決定的，每個位置的編碼是唯一、絕對的，所以稱為絕對值編碼器。它不受停電、干擾的影響。

3 編碼器在氧氣升降控制系統(tǒng)中的應用

氧槍升降控制系統(tǒng)又可分為兩部分，一種為變頻器--電機--速度編碼器速度控制系統(tǒng)，一種是PLC--變頻器—電機--高度編碼器的位置控制系統(tǒng)。

圖3 氧槍升降控制系統(tǒng)流程圖

3.1 速度編碼器在控制中起到的作用在變頻器--電機--速度編碼器控制系統(tǒng)中，速度編碼器主要起到檢測電機實際轉速的作用。一鋼軋廠三號轉爐的氧槍系統(tǒng)所使用的速度編碼器為標準增量型編碼器，是瑞士宜科工業(yè)自動化公司所生產的，型號為EC58K12-H6PR-1024，它通過軟連接軸連接到電機的輸出軸上，電機軸每轉一圈，即輸出1024個脈沖，變頻器采集這個數值并對其進行濾波處理，當PLC發(fā)出速度設定指令后，變頻器將電機實際轉速和設定速度的偏差速度作為新的設定速度，形成了閉環(huán)控制。

3.2 高度編碼器在控制中起到的作用

高度編碼器即絕對值型編碼器，一鋼廠3#轉爐所使用的編碼器是德國TR公司所生產的，型號為CE65M，分辨率為1024，圈數為32圈，即有15位二進制格雷碼輸出，PLC接受信號后，將其轉換成二進制碼，并存儲在中間變量M中。

表1 二進制和格雷碼的轉換

鋼絲繩滾筒的直徑為d，那么鋼絲滾筒每轉一圈，氧槍高度變化為Πd/2（有一組動滑輪），編碼器和滾筒為同軸連接，所以編碼器輸出每變化一次所代表的氧槍高度變化值為Πd/2048，將任意兩點間的二進制M值相減并轉換成十進制數得到ΔM，則可測得兩點間的位移量L=ΔMΠd/2048。有了位移量L即可得以任意參照點為起點的實際高度值。

4 速度編碼器和高度編碼器之間的關系

電機和鋼絲繩滾筒是通過減速機傳動的，電機軸上的速度編碼器和鋼絲繩滾筒軸上的高度編碼器之間的轉速比值就是減速機的減速比i，i=N電機/N滾筒 =N速度編碼器/N高度編碼器，有了層關系，是否可以將兩種編碼器所采集的數據互相轉換呢？即將速度編碼器所采集的信號，轉換成氧槍高度值，將高度編碼器所采集的信號轉換成電機轉速。

圖4 速度編碼器和高度編碼器的關系示意圖

4.1 速度編碼器轉換成高度值的初步思路

速度增量型編碼器的分辨率R=1024/圈，當鋼絲繩滾筒轉動一圈時，速度編碼器所發(fā)出的脈沖為iR，因此連接在電機軸上的分辨率為R的增量編碼器近似等價于連接在滾筒軸上的分辨率為iR的增量編碼器，我們可以通過脈沖分路器，將速度編碼器的信號分離成兩路脈沖信號，一路給變頻器參與原來的控制，另一路給PLC的高速計數模板，通過記錄脈沖數值可以計算得出氧槍的位置。

4.2 高度編碼器轉換成速度值的初步思路

當氧槍動作時，我們可以將氧槍升降的線速度轉換成鋼絲繩滾筒轉動的角速度，3.2中已經求的兩點間位移量L=ΔMΠd/2048，那么V=L/Δt，

則N高度編碼器=N滾筒=2VΔt/ Πd=2L/Πd= ΔM/1024Δt，

則N速度編碼器=N電機=iN高度編碼器=iΔM/1024Δt. 因為減速機齒輪間有間隙，這種方法所檢測的電機轉速和實際轉速，誤差相對較大，傳動的過程中存在一定的延遲，所以這個數值要想參與到變頻器--電機--速度編碼器閉環(huán)控制中是有難度的。

經過初步構想，速度編碼器和高度編碼器互相檢測數值的方法理論上是可以實現(xiàn)的，因此我們可以用這種方法所計算得到的值給兩種編碼器提供一個參考值，有利于控制更加精確穩(wěn)定。但是要想用速度編碼器實現(xiàn)位置控制，用高度編碼器實現(xiàn)變頻器電機間的速度控制還是相當困難的，有待我們進一步深入研究。

5 結語

隨著鋼鐵工生產工藝的日益進步，生產節(jié)奏的不斷加快，轉爐氧槍系統(tǒng)的控制越來越重要，而參與控制的核心傳感器--編碼器更有著不可替代的作用，一旦發(fā)生故障，該氧槍系統(tǒng)就不能使用，轉爐生產也會受到影響，而轉爐下游的精煉，連鑄，軋機等工藝都要做出生產節(jié)奏的改變，無論是經濟上還是產品質量上都會給公司帶來巨大損失?？焖俚靥幚砭幋a器故障，讓故障氧槍在短時間內投入使用，盡可能的減少故障損失，是非常重要的。

[1] 樹濤，王囡囡.轉爐氧槍控制系統(tǒng)的設計應用[J].萊鋼科技，2008.6:1-3

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[3] 轉爐氧槍系統(tǒng)的自動化控制[J]. 冶金能源，2007.3:1-5

Application And Correlation Of Encoders In Control System Of Converter Oxygen Lance

Yang Xun
Tangshan Iron and Steel Co., Ltd. Weier Automation, Inc

Oxygenl ance is one of the key equipm ent of convertesr teelmakingT, he control system performanicse related to the smelting moltens teel quality and efficiencyI. n order to ensuret he safe and stable operatioon f oxygenl ance system must have a perfect controsl ystem. Brief introductioofn converter oxygenl ance control system and contr ol systemsi n the importanetl ectrical equipmenTth, e classificatioan nd principloe f encoder, A detail ed description of the speed and height of encoder encoder in oxygenl ance lifting control play a role in, And the initial idea two encoder data sharing method.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.117