袁志明

(攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司電爐煉鋼廠，四川成都 610303)

1 引言

由于受廠房跨間距離限制，攀成鋼電爐廠三流弧形連鑄機(jī)在出坯輥道與冷床之間設(shè)計(jì)了鑄坯的橫向傳輸設(shè)備——移鋼機(jī)，用于抓取順出坯輥道傳輸過來的鑄坯并將其傳送到冷床上，從而實(shí)現(xiàn)鑄坯的橫移輸送。原移鋼機(jī)的位置測量采用編碼器，本文分析了原移鋼機(jī)編碼器位置測量系統(tǒng)的缺陷及其對生產(chǎn)、設(shè)備帶來的影響，提出并成功實(shí)施了用激光測距技術(shù)對原位置測量系統(tǒng)的改造方案。

2 原移鋼機(jī)位置測量與控制

移鋼機(jī)由橫移車體和抓鋼臂兩大部件組成，均采用西門子變頻器驅(qū)動。橫移車體的速度設(shè)計(jì)有高低速:減速停車及進(jìn)退鉤用低速，移鋼過程用高速，高低速轉(zhuǎn)換由位置決定。

移鋼機(jī)橫移位置控制較為復(fù)雜，共有5個(gè)最基本的位置，如圖1所示。移鋼機(jī)橫移的位置由EB58B10－H6PR－1024增量實(shí)心軸型編碼器檢測，編碼器信號送到可編程序控制器PLC的高速脈沖采集卡，由PLC計(jì)算橫移位置。由于是增量型編碼器［1］，檢測的是相對位置，故系統(tǒng)在“4”號位安裝了接近開關(guān)進(jìn)行零位標(biāo)記。

圖1 移鋼機(jī)橫移位置示意圖

各位置定義如下:

“0”位:移鋼機(jī)停車位，抓鋼臂上升到上極限位停止。在該位的左側(cè)設(shè)置一個(gè)停車減速位。

“1”、“2”、“3”位:流鑄坯位，抓鋼臂在該位置上升抓鋼，完成抓坯動作。在每個(gè)位置的右邊設(shè)置一個(gè)抓鋼臂下降位1－T，用于抓鋼臂下降。

“4”位:冷床鑄坯接收位，用于抓鋼臂釋放鑄坯，在該位置下降到最低位置并后退一個(gè)爪位，抓鋼臂快速上升至上極限，完成一只鑄坯輸送，等待下一個(gè)任務(wù)命令。

工作流程:移鋼機(jī)準(zhǔn)確停車在某流抓鋼臂下降位，抓鋼臂下降到位，進(jìn)鉤到流鑄坯位，然后抓鋼臂上升500 mm，最后高速向4#位前進(jìn)，同時(shí)向冷床發(fā)“接鋼”命令。

3 原移鋼機(jī)位置測量系統(tǒng)缺陷及其影響

在移鋼機(jī)橫移過程中，要求每次都必須準(zhǔn)確停車，否則，就會損壞抓鋼臂、出坯輥道等設(shè)備，并可能導(dǎo)致鑄機(jī)停機(jī)。因此，移鋼機(jī)位置檢測的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性決定了該系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。

編碼器本身具有很多優(yōu)點(diǎn)，精度高、功能多、壽命長，被廣泛地應(yīng)用于各種工控場合。但是，在該移鋼機(jī)工況下使用編碼器，卻帶來如下問題，如圖2所示。

圖2 移鋼機(jī)位置測量系統(tǒng)示意圖

(1)信號干擾嚴(yán)重

編碼器安裝在移鋼機(jī)車體的電動機(jī)上，隨移鋼機(jī)橫向移動，故編碼器信號電纜與電動機(jī)動力電纜都必須通過移動電纜支架3進(jìn)行導(dǎo)。盡管進(jìn)行了分層附設(shè)，但由于電纜移動時(shí)間距方式變化，信號干擾嚴(yán)重。另外，由于人行過道的限制，電纜支架必須附設(shè)在控制室的另一側(cè)，電纜過長，脈沖信號強(qiáng)度受到極大影響，更易受到動力電的干擾［2］。

(2)系統(tǒng)無法判斷位置脈沖的丟失

在硬件設(shè)備正常(如無斷線、編碼器及采集卡無故障)，僅僅是信號受到干擾而產(chǎn)生丟失脈沖時(shí)，系統(tǒng)無法診斷，也不會中斷相關(guān)動作的執(zhí)行。此時(shí)，由于脈沖的丟失已造成了移鋼機(jī)的實(shí)際位置與測量用于控制的位置發(fā)生了偏差［3］，偏差及量的大小系統(tǒng)都不知道，只有因此造成了事故才知道。

(3)信號電纜壽命短，運(yùn)行成本較高

由于信號電纜通過冷床高溫區(qū)到控制室，長期受到高溫輻射，加上移動電纜容易折斷的因素，使得信號電纜每半年就要更換一次，信號電纜壽命短，運(yùn)行成本較高。

(4)相對位置測量帶來的不便

由于增量式編碼器測量的是相對位置信號，在故障處理過程中或停電后，移鋼機(jī)或編碼器都不能有任何移動。否則，當(dāng)故障恢復(fù)或來電工作時(shí)，編碼器測量的位置就可能與移鋼機(jī)實(shí)際位置不一致。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了接近開關(guān)8來進(jìn)行零位標(biāo)記，每次工作前，操作工都必須執(zhí)行零位校正。

(5)事故應(yīng)急處理不便

在生產(chǎn)過程中，如果僅僅因編碼器或電纜發(fā)生故障而未造成其他設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)(損壞嚴(yán)重時(shí)生產(chǎn)被迫中斷)，為保生產(chǎn)過程不被中斷，移鋼機(jī)可轉(zhuǎn)到手動方式工作。由于移鋼機(jī)在運(yùn)動，無法及時(shí)更換編碼器或處理電纜，事故應(yīng)急處理不便。

在改造前運(yùn)行的兩年時(shí)間里，因位置檢測問題導(dǎo)致的故障占移鋼機(jī)故障的98%，平均每月故障次數(shù)2次，最高一月次數(shù)達(dá)5次;由于位置不準(zhǔn)使得抓鋼臂在錯(cuò)誤位置升降而導(dǎo)致出坯輥道、輥道電動機(jī)、抓坯鉤頭、冷床等設(shè)備受到過嚴(yán)重?fù)p壞;在此情況下，熱坯不能正常輸送，直接導(dǎo)致鑄機(jī)停澆，鑄機(jī)前后的整個(gè)生產(chǎn)線都受到嚴(yán)重影響;為此，鋼廠最后不得不排專人進(jìn)行移鋼機(jī)手動操作。

移鋼機(jī)已成為制約鋼廠正常生產(chǎn)的瓶頸問題，必須進(jìn)行技術(shù)改造。

4 改造方案的選擇

用絕對值編碼器替代現(xiàn)有的增量型編碼器，可以解決增量型編碼器測量位置與實(shí)際位置分離的問題。但是，絕對型編碼器因其精度高，輸出位數(shù)較多，多采用并行輸出方式，其每一位輸出信號必須確保連接很好，故還得解決隔離問題;由于連接電纜芯數(shù)多，特別是移動電纜，由此會帶來諸多不便和降低可靠性。在目前這種布線條件下，信號干擾可能更加嚴(yán)重，維護(hù)成本更高，也不能解決故障處理的及時(shí)性問題。

激光在檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)含量十分豐富，對社會生產(chǎn)和生活的影響十分顯著［4］。激光測距是激光最早的應(yīng)用之一，其基本原理是通過測量激光在往返目標(biāo)所需時(shí)間來確定目標(biāo)距離，是一種非接觸式傳感器，具有測距精度高、一體化、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、通信簡單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。隨著激光測距傳感器成本的降低，越來越成為各行各業(yè)青睞的測距方法［5］。

SICK公司的 DME4000，DME5000系列激光距離傳感器最大量程分為50 m/70 m，130 m/150 m和220 m/300 m三種量程，精度分別可達(dá)3 mm/2 mm，5 mm/3 mm和6 mm/5 mm。信號接口包括 SSIRS422，ProfibusDP，Hiperface和 DeviceNet等。

根據(jù)移鋼機(jī)橫移距離為16 m，決定采用DME5000－112激光測距傳感器實(shí)施本次技術(shù)改造。可解決原移鋼機(jī)的上述問題:將傳感器安裝在非移動基座上，而將反光膠貼粘貼在移動車體上，可解決電纜移動和高溫區(qū)問題;采用ProfibusDP通信，遠(yuǎn)離變頻器動力電纜，抗干擾能力強(qiáng)，信號穩(wěn)定;由于傳感器及電纜都沒有安裝在車體上，即使移鋼機(jī)在位置測量出現(xiàn)故障而進(jìn)行手動操作時(shí)，也不會影響故障點(diǎn)的及時(shí)處理。

5 用DME5000－112激光距離傳感器改造現(xiàn)有系統(tǒng)

5．1 硬件安裝

(1)將激光測距傳感器安裝在靠近控制室的軌道左側(cè)，反光膠貼粘貼在移鋼機(jī)的同側(cè)端頭，高度與傳感器基本一致，如圖3所示。

(2)從控制室附設(shè)一根ProfibusDP網(wǎng)線及一根3*1.5的電源線到傳感器安裝位置。

(3)按圖3、圖4所示連接好傳感器端的ProfibusDP線和終端電阻。

圖3 ProfibusDP接線

圖4 傳感器終端電阻

(4)接上24 V電源線。檢查確認(rèn)后合上電源開關(guān)，手動將移鋼機(jī)開到距激光測距傳感器的最遠(yuǎn)端，然后調(diào)整傳感器的水平與垂直方向，使激光盡可能照射在反光膠貼的中心位置，以保證激光在移鋼機(jī)的整個(gè)運(yùn)行過程中始終照射在反光膠貼上，如圖5所示。

圖5 傳感器方向調(diào)整

5．2 軟件設(shè)置

5．2．1 Profibus Profile

傳感器有兩種 Profile，一種是 Encode Profile，另外一種是SICK Profile。

表1 Profibus Profile

在 Profibus組態(tài)時(shí)，選用 SICK Profile，Class2。該P(yáng)rofile具有以下優(yōu)點(diǎn):4byte input中包含測量值和診斷信息;4byte output中包含Preset功能和Laser ON/OFF功能;無擴(kuò)展的診斷功能。

5．2．2 控制器PLC的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

(1)安裝GSD文件，GSD文件在傳感器產(chǎn)品的CD光盤上。用西門子Step7編程軟件打開原PLC控制器的DP網(wǎng)絡(luò)配置窗口，導(dǎo)入傳感器的GSP文件。

(2)在原 profibusDP網(wǎng)絡(luò)中添加DME5000設(shè)備，DME5000的默認(rèn)profibus地址為6。根據(jù)原DP網(wǎng)絡(luò)地址安排，重新給傳感器一個(gè)新的DP地址，傳感器其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)按默認(rèn)設(shè)置。

(3)確認(rèn)后編譯保存并下載到PLC的CPU中，如圖6。因傳感器還未設(shè)置地址參數(shù)，系統(tǒng)軟件配置與硬件配置不一致，此時(shí)控制器會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)報(bào)警。

圖6 編譯、保存、下載

5．2．3 傳感器設(shè)置

給傳感器通電，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置窗口。修改傳感器上默認(rèn)的DP地址006為PLC中給定的地址［6］，設(shè)定其他部分參數(shù)并退出參數(shù)設(shè)置窗口;然后關(guān)掉電源重啟傳感器，使所有設(shè)定的參數(shù)生效，完成傳感器的參數(shù)設(shè)置，原PLC的網(wǎng)絡(luò)報(bào)警會消除;注意，如果在沒有退出參數(shù)設(shè)置狀態(tài)下對傳感器斷電，當(dāng)前設(shè)置的所有參數(shù)將會丟失。

5．2．4 數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換［7］

在PLC編程軟件中讀取傳感器的數(shù)值，進(jìn)行適當(dāng)?shù)母袷睫D(zhuǎn)換，以便于計(jì)算和控制。

5．3 位置控制

(1)傳感器測量的是位置的絕對值，依次將移鋼機(jī)手動開到設(shè)計(jì)的各個(gè)位置，分別獲取各個(gè)位置點(diǎn)的測量值。

(2)根據(jù)各位置點(diǎn)的測量值，按圖7所示的停車控制位置示意圖初步設(shè)定S、1－L、1－H等相關(guān)參數(shù)，用于移鋼機(jī)速度控制和準(zhǔn)確停車。

圖7 停車控制位置示意圖

(3)繪制位置控制邏輯圖:按圖7所示停車控制位置示意圖，繪制如圖8所示的1流抓鋼臂下降位停車控制邏輯圖［8］?？刂埔其摍C(jī)的關(guān)鍵在于判斷移鋼機(jī)啟動前所處的位置。當(dāng)1流抓鋼請求信號到來時(shí)，如果車體本身已在位，則直接執(zhí)行抓鋼鉤下降抓鋼，否則，當(dāng)車體在右側(cè)時(shí)，啟動移鋼機(jī)正向運(yùn)行，反之亦然。

(4)位置控制功能的編寫:在原PLC程序的塊文件中新建一個(gè)功能［10］，并按圖8所示的停車控制邏輯編寫程序，作為位置控制功能。該功能的輸入?yún)?shù)至少包括:A、S、1－H、1－L及實(shí)際位置信號;輸出參數(shù)有:正向高速、正向低速，反向高速、反向低速、在位。

(5)調(diào)試:調(diào)整好移鋼機(jī)的制動機(jī)構(gòu)，然后逐步選取各停車位置使移鋼機(jī)自動運(yùn)行，適當(dāng)修改S、1－H、1－L等參數(shù)值，使移鋼機(jī)準(zhǔn)確停車。

6 結(jié)論

激光測距技術(shù)在該系統(tǒng)上已穩(wěn)定運(yùn)行三年，連鑄后區(qū)的鑄坯輸送設(shè)備故障率大幅降低，解決了該廠鑄坯輸送的瓶頸問題，給整個(gè)連鑄機(jī)生產(chǎn)線的正常運(yùn)行提供了根本保證。激光測距方式精度高，線路少，信號穩(wěn)定，安裝調(diào)試簡單，在移動設(shè)備的多位置控制方面值得推廣應(yīng)用。

圖8 停車控制邏輯圖

［1］ 唐鏡軍．光電脈沖編碼器電路原理［J］．武漢理工大學(xué)，2007(9)．

［2］ 林永忠．工控系統(tǒng)干擾淺析及對策［J］．天津冶金，2005(1):32-34．

［3］ 劉百芬，張利華．信號與系統(tǒng)［M］．人民郵電出版社，2012．

［4］ 張小勇，張丕狀．?dāng)?shù)字TDC技術(shù)在相位式激光測距中的應(yīng)用研究［J］．應(yīng)用天地，2009(8)．

［5］ 周孔東．一種高精度相位激光測距方法的實(shí)現(xiàn)［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2009(11)．

［6］ 劉美?。F(xiàn)場總線的通信及其介質(zhì)訪問控制［J］．低壓電器，2007(11)．

［7］ 廖常初．S7－300/400 PLC應(yīng)用教程［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

［8］ 李開元．PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線技術(shù)在鋼管輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．鋼管，2013，42(3):67-70．

［9］ 阮毅，陳伯時(shí)．運(yùn)動控制系統(tǒng)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

［10］ 劉美?。鏖T子S7系列PLC的應(yīng)用與維護(hù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008．