中厚板连铸坯定尺长度控制优化

陈希云 周恩会

(江苏沙钢集团有限公司 江苏张家港 215625)

1 前言

江苏沙钢集团转炉炼钢厂一车间3#板坯连铸机系奥钢联设计并提供主要设备供货，板坯定尺主切设备采用上海某家公司设计制造的BG型板坯火焰切割机。该型火焰切割机采用光电编码器对切割车位置判断和铸坯长度测量，切割车同步机构使用气缸式压头压紧铸坯，使切割车在切割时与铸坯同步运行，以保证割缝垂直于铸坯纵轴线。通过手动输入或由自动化二级系统下达的定尺长度进行切割，并且根据实测长度进行在线修正,见图1。

2 存在的问题

在实际生产过程中，由于切割小车前测量辊处于切前辊道下方并与铸坯直接接触，长期受到红坯的烘烤与冷却水喷洒，设备故障率较高。同时由于测量辊的磨损导致测量长度变化及轴承卡阻打滑等原因，使得铸坯定尺长度控制精度较差(控制精度最大只能达到10mm)。

图1 火切机工作流程图

在长度控制上，由于3#连铸机产品的客户是沙钢三条中厚板生产线，其生产计划较为特殊，同一炉钢水需要多个坯料长度，很多时候，相同长度的板坯数量不超过3块，这就给生产操作带来了很大的难度，同时也给长度控制提出了更高的要求，并且分厂要求的长度目标误差控制在0～4mm，实现也存在很大难度。

3 长度控制与优化的方法及措施

将原有切割小车前测量辊弃用，改用相对较准确的扇形段编码器热坯测量值作为定尺控制源，使得长度控制更为准确，同时增设增设长度检测复核设备对产品长度跟踪形成闭环，显著提高了定尺长度命中率。

3.1 车前测量辊长度控制的原理与缺陷

3#连铸机铸坯定尺控制上采用的是双编码器计数的方式。铸坯的实际长度由测量辊编码器获取，切割小车的位置由小车编码器获取。该两处编码器均采用了E+H的500型光电脉冲编码器。PLC实时跟踪坯头位置(即经过火切机小车原位的长度)，通过与大车编码器计数值的相减运算，得出实际等待切割的铸坯长度。当待切长度大于或等于上位机给定的定尺长度时，切割机发出压头压下指令，铸机开始按指定长度进行自动切割操作。

编码器计数值由控制柜内的SIEMENS高速计数模块FM350-1采集。理论上来讲，在测量辊及压头气缸工作正常的情况下，切割所得铸坯长度应该近似或接近于定尺设定长度。

测量辊所处环境恶劣，在长期高温及高湿的不良环境下，新更换的测量辊在使用一段时间之后因磨损太大便需要进行更换；并且因为测量辊自身没有单独的润滑系统，内部磨损较为严重甚至出现设备卡转；测量辊和铸坯之间存在间或的打滑现象等，以上种种原因导致测量辊维护工作量太大，在此环境下已不适合作为测量反馈装置[1]。

3.2 铸坯长度跟踪控制设计与优化

3#连铸机共有零段、弧形段、矫直段、水平段等13个扇形段，共中弧形段、矫直段、水平段共12个扇形段装有24台拉矫电机负责板坯拉矫驱动(每个扇形段各有上下二台拉矫电机)，拉矫电机的控制方式为带编码器的矢量控制方式，每台拉矫电机尾部均装有测速编码器测量运转速度，因拉矫速度设定值是PLC控制器通过通讯统一下发给24台变频器共同执行的，因此理论上24只拉矫电机编码器测量到的实际速度是一致的，通过编码器反馈的平均速度乘于机械齿轮比可以计算出板坯连铸机的实际拉速，用实际拉速并累加，可以计算出精确的热板坯长度值。

分析奥钢联的程序可发现，3#连铸机实际拉速是通过24个拉矫编码器的共同参与计算获得。通常情况下，由最后一个扇形段即12段上驱动辊编码器的计数来获取。但以下情况除外：(1)如果此编码器值在24个编码器平均值限幅之外；(2)驱动堵转或报警；(3)编码器故障。当出现以上故障时，系统自动切除故障编码器，切换其它正常计数的编码器作为拉速跟踪用。

经过现场数据分析，3#连铸机的板坯拉速测量是非常稳定的，据此，通过扇形段编码器的测量，可以获得相对精确的热坯长度值。

3.2.1 铸坯长度跟踪优化的设计原理

板坯连铸机电控设备按分散控制的设计思想，控制系统中配置了多台PLC装置及其电气传动设备，由西门子工业以太网(SINEC H1)和现场总线PROFIBUS将S7-400、ET200分布式I/O、SIMOVERT MASTER DRIVES变频器组成全集成式的自动化控制方式[2]。

铸坯长度跟踪涉及铸流PLC、驱动PLC、火切机PLC共三个PLC系统，PLC和PLC之间通过工业以太网通讯进行数据交换见图2。

(1)铸流PLC系统所得的板坯长度跟踪值分为4组，分别为热铸流跟踪值、结束浇铸跟踪值、送引锭跟踪值以及开始浇铸跟踪值。这些跟踪值都通过以太网通讯从驱动系统PLC中获得。其中要用到的是两组跟踪值，一是热铸流跟踪值(正常浇铸时用)，另一是结束浇铸跟踪值(结束浇铸时用)。

(2)在铸流PLC系统中，PLC从铸机送引锭开始，到铸机开浇、铸机正常浇铸、铸机结束停浇等状态实时进行跟踪，构成了铸机的铸流跟踪系统。因此铸流PLC可利用铸流跟踪系统实时判断当前铸机处于什么状态，是属于正常浇铸时，还是结束浇铸时，从而判断当前铸坯长度跟踪使用的是热铸流跟踪值还是结束浇铸跟踪值。判断成功后，将当前使用的跟踪值取出来，正确取得合适的板坯长度跟踪值后，通过以太网通讯的方式传送给火焰切割机PLC控制系统。

图2 3#连铸机PLC装置工业以太网通讯网络联接图

3.2.2 操作界面重新设计

新的HMI采用了SIEMENS的WinCC编制，增了以下功能：

(1)新增画面及修改画面。在原有基础上新增跟踪源选择开关、热坯收缩系数调整画面、定尺微调画面等，并修正了部分功能，如切割块数等。

(2)报警系统。通过新的报警系统，可以查看关键设备如大车电机、枪电机变频器故障的发生时间，为故障处理提供参考依据。

(3)时间同步系统。在利用OB35中编制程序取得系统时间，并与操作操作界面之间进行时间同步，可以在操作界面上显示并设定系统时间。

通过几个月的生产使用，扇形段编码器作为火切机的板坯长度跟踪源工作稳定，使用效果好，现已弃用了测量辊编码器跟踪源，一直使用扇形段编码器跟踪源，使用效果较满意。

3.3 铸坯二次测长闭环控制系统

由于热坯长度测量属于通过编码器反馈的间接测量方式，切割误差客观存在，因而必须对铸坯的实际长度进行反馈，通过反馈再对设定长度进行修正，通过“设定(反馈(修正(反馈(再设定”的方式，使得长度控制在目标范围内。这就是增设二次测长的目的。

新增的铸坯二次测量系统采用激光测距仪直接测量法，主要三部份构成：激光测距仪、测量软件系统、PLC系统。

3.3.1 激光测距仪工作原理

激光测距仪按工作原理分为三角法、脉冲法、相位法。

三角法测量精度最高，可以达到微米级，但量程很短，通常用于测量钢板的厚度等场合。

脉冲法精度最低，一般是米级，最好的也只是分米级，但量程很大，几千米距离的场合很适用。这二种激光测距仪不适合此处板坯长度的测量。对于相位法激光测距仪精度为毫米级别，适用于中短距离的测量，对板坯长度的测量很适合。

相位法激光测距仪的工作原理是：测距仪发射的光束是连续调制的。当连续调制的光束到达被测目标，光束被测距目标反射回来，仪器接收从被测物体返回的散射激光，检测发射光和接收光在空间中传播时发生的相位差，将接收到的信号与参考信号进行比较，然后通过内置单片机处理器计算出相应相位偏移所对应的物体距离，相位法测距仪可以达到mm级测量精度，适合各种高精度测量场合，精度等级能达到二次测长系统的要求，因此二次测长系统中选用的是相位法激光测距仪[3]。

3.3.2 铸坯二次测长控制系统工作原理

(1)在推钢机推到位后，如果垛板台上有坯子，PLC发出板坯到位待测信号，同进创建事件计数器值，判断此时为手动测量还是自动测量。根据操作模式的不同，将事件计数器中不同的坯号数据传送到SLMC。

(2)沿铸坯长度方向装设的二个激光测距装置各自取得一个长度测量值，通过RS422通讯传送到上位机。上位软件取得2个长度信息后，通过以下公式进行计算出板坯长度：两个测距传感器分别获得该传感器到达钢坯的距离L1和L2，已知两个激光测距传感器的距离为L，则钢坯长度Lem=L-L1-L2，因板坯长度测量未通过机械齿轮比计算，属于直接测量法，因此测量数据较准确见图3。

图3 钢坯二次测长示意图

(3)上位软件计算出板坯长度后，经过比较与误差消除，将错误的长度摒弃。如果测量长度有效，并且来自PLC的事件ID有效，则将所测量的长度通过OPC通讯将数据传送到PLC，PLC取得坯号、长度数据与事件ID后，判断如长度有效，则将该有效长度及坯号传送至操作界面。同时，可根据所测得的长度与定尺设定长度进行比较，如果超差，则在操作界面上发出报警，提醒操作人员注意。

4 使用效果及维护建议

3#机自从利用扇形段编码器作为板坯定尺长度跟踪源后，使用效果较好，改变了以往测量辊因打滑和润滑不良不转导致故障多的问题，减少了维护人员的工作量，保障了正常生产。铸坯二次测长系统安装后，RS422全双工的通讯方式在现场的应用中多次出现了故障。由于现场电缆走向复杂，布线不尽合理，同时长度达到130多米，且线路多在噪声干扰非常严重的变频电机动力线区域，产生了强烈的干扰。后来将RS422通讯电缆通过专用桥架敷设，并将屏蔽层规范接地后，解决了干扰大导致通讯故障的问题。因激光测距仪属于高级精密仪器，不具备防水和防摔的功能，所以在使用过程中要做好以下维护工作：

①使用中特别要注意做好水的防护，不让水直接淋到激光测距仪主体上。

②经常检查仪器外观，及时清理表面的灰尘、脏污，紧固好固定螺栓。

③清洁镜面时应使用柔软的干布，严禁用硬物刻划，以免损坏光学性能。

5 结束语

使用扇形段编码器作为跟踪源来进行火焰切割机的定尺控制，辅之以SLMC激光二次板坯测长进行闭环，有效地解决了由于测量辊编码器计数不准、故障率高的问题。由于扇形段编码器跟踪是扇形段拉矫的核心，其设计保证了在正常生产中不出现故障，因而完全可以替代火焰切割机车前测量辊编码器。通过对产品长度控制的优化与改进，不但大幅减少了维护工作量，而且提高了火焰切割操作的可靠性。目前，3#机的定尺长度达标率(偏差控制0～4mm)已经提前达到了92%的攻关目标。

通过与火切机切割长度控制的优化，新的长度跟踪源作为主要使用的跟踪源，精确控制切割长度，且达到了降本增效的目的，通过铸坯二次长度测量并辅于闭环控制，可以准确获知实际板坯成品的长度，解放了红坯长度测量人员，大幅降低了人力成本。