楊 勛

唐山鋼鐵集團(tuán)有限公司微爾自動(dòng)化公司

轉(zhuǎn)爐氧槍控制系統(tǒng)中編碼器的應(yīng)用與關(guān)聯(lián)

楊 勛

唐山鋼鐵集團(tuán)有限公司微爾自動(dòng)化公司

氧槍是轉(zhuǎn)爐煉鋼的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的控制系統(tǒng)性能關(guān)系到冶煉鋼水的質(zhì)量與效率。要想保證氧槍系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行就必須有一套完善的控制體系。簡介了轉(zhuǎn)爐氧槍的控制系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)中的重要電器設(shè)備，簡述了編碼器的分類及原理，詳細(xì)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(gòu)思了兩種編碼器所采集的數(shù)據(jù)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(chǎn)過程中煉鋼主要工藝為頂?shù)讖?fù)合吹轉(zhuǎn)爐，底吹主要介質(zhì)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(zhì)是氧氣，它和鋼水中雜質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，從而達(dá)到降低雜質(zhì)提高鋼水性能的目的。氧槍即是輸送氧氣的核心設(shè)備，氧槍系統(tǒng)是轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐工藝重中之重，它直接影響著轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)的安全、高效及鋼水質(zhì)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(tuán)有限責(zé)任公司第一鋼軋廠150T轉(zhuǎn)爐氧槍升降控制系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹了編碼器在氧槍升降控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，初步構(gòu)想了速度編碼器和高度編碼器所采集數(shù)據(jù)互用方法。

1 氧槍控制系統(tǒng)簡介

唐山鋼鐵集團(tuán)公司第一鋼軋廠有三座150T轉(zhuǎn)爐，每座轉(zhuǎn)爐有兩個(gè)氧槍，一用一備。在轉(zhuǎn)爐正常生產(chǎn)中，氧槍主要進(jìn)行橫移和升降兩種動(dòng)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(jī)旁的就地操作盤上進(jìn)行操作。主控室內(nèi)的兩種控制分別為自動(dòng)和手動(dòng)操作。以1#橫移小車換槍為例：選擇自動(dòng)后，氧槍橫移小車的解鎖和移動(dòng)等操作均由PLC來發(fā)出指令，當(dāng) 1#橫移小車離開工作位后，2#橫移小車開始向工作位移動(dòng)，1#橫移小車到達(dá)備用位后鎖緊杠鎖緊，2#橫移小車到達(dá)工作位后鎖緊杠鎖緊后，2#氧槍系統(tǒng)才可進(jìn)行升降操作。當(dāng)選擇手動(dòng)時(shí)，1#橫移小車的解鎖、移動(dòng)和2#橫移小車的移動(dòng)、鎖定都是由操作人員在主控畫面上操作的。機(jī)旁操作類似手動(dòng)操作，只是操作地點(diǎn)不同。

1.2 氧槍升降的控制

氧槍升降控制系統(tǒng)中主要設(shè)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(jī)，電動(dòng)機(jī)，電機(jī)制動(dòng)器，速度編碼器等。升降控制的核心就是控制電動(dòng)機(jī)，也就是說控制氧槍升降的問題轉(zhuǎn)換成了控制電機(jī)的問題，而控制電機(jī)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(gè)氧槍均有一臺(tái)主提升電動(dòng)機(jī)，每臺(tái)電機(jī)對(duì)應(yīng)一臺(tái)變頻器，他們的控制采用二對(duì)二方式，即兩臺(tái)變頻器通過轉(zhuǎn)換開關(guān)可分別控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)。變頻器安裝在氧槍變頻柜內(nèi)，遠(yuǎn)程安裝在主電氣室。氧槍變頻柜內(nèi)主要有斷路器、風(fēng)機(jī)接觸器和主回路接觸器、兩個(gè)電抗和變頻器（帶制動(dòng)電阻）。變頻斷路器主要是起過流保護(hù)作用的，風(fēng)機(jī)接觸器則是用來控制冷卻風(fēng)機(jī)的，氧槍接觸器控制氧槍提升電機(jī)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(hào)由PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)傳到變頻器。變頻器自帶制動(dòng)裝置，當(dāng)需要制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)單元接通制動(dòng)電阻使電動(dòng)機(jī)制動(dòng)。氧槍的提升可靠正常電機(jī)和事故電機(jī)動(dòng)作。當(dāng)電源和PLC正常時(shí)，由正常電動(dòng)機(jī)工作；當(dāng)電源或PLC故障時(shí)，抱閘投入，由UPS電源為抱閘電機(jī)供電，使抱閘松開，再由事故電機(jī)把氧槍提升至待吹位。

圖1 氧槍升降機(jī)構(gòu)簡圖

氧槍在控制畫面上需要設(shè)置7個(gè)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(shè)定，開閉氧位由要強(qiáng)高度位置控制，氧槍到達(dá)這些位置時(shí)，由凸輪控制器或者高度編碼器把信號(hào)傳回PLC并在主控畫面上顯示出來。例如氧槍到達(dá)換槍上限位時(shí)，由主令控制器傳給PLC信號(hào)，程序連鎖就會(huì)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(gè)非常重要的參數(shù)，一個(gè)是電機(jī)轉(zhuǎn)速，另一個(gè)就是氧槍高度，他們的檢測(cè)分別由兩個(gè)編碼器完成，測(cè)量速度的編碼器為增量型編碼器，測(cè)量高度的編碼器為絕對(duì)值型編碼器。

2 編碼器的工作原理

編碼器又稱為光電旋轉(zhuǎn)編碼器，它是通過光電轉(zhuǎn)換，將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出，編碼器可以分為增量型編碼器和絕對(duì)型編碼器。

2.1 增量型編碼器

增量式光電編碼器的特點(diǎn)是每產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖信號(hào)就對(duì)應(yīng)于一個(gè)增量位移，但是不能通過輸出脈沖區(qū)別出在哪個(gè)位置上的增量。它能夠產(chǎn)生與位移增量等值的脈沖信號(hào)，其作用是提供一種對(duì)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(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)位置增量，不能夠直接檢測(cè)出軸的絕對(duì)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(hào)（即所謂的兩組正交輸出信號(hào)），從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。同時(shí)還有用作參考零位的Z 相標(biāo)志（指示）脈沖信號(hào)，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，只發(fā)出一個(gè)標(biāo)志信號(hào)。

圖2 增量編碼器的器件組成及輸出信號(hào)波形

2.2 絕對(duì)值編碼器

絕對(duì)式編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，常用于電機(jī)定位也可用于測(cè)速系統(tǒng)。因其每一個(gè)角度位置都對(duì)應(yīng)唯一的數(shù)字編碼而得名絕對(duì)式編碼器，如果系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)發(fā)生在電力中斷期間，新的位置在電源恢復(fù)以后也能立即確定。此外，絕對(duì)式編碼器還有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在應(yīng)用中越來越受到人們的重視。絕對(duì)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(gè)位置，通過n個(gè)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(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對(duì)編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機(jī)械位置決定的，每個(gè)位置的編碼是唯一、絕對(duì)的，所以稱為絕對(duì)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(yīng)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(jī)--速度編碼器速度控制系統(tǒng)，一種是PLC--變頻器—電機(jī)--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(jī)--速度編碼器控制系統(tǒng)中，速度編碼器主要起到檢測(cè)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的作用。一鋼軋廠三號(hào)轉(zhuǎn)爐的氧槍系統(tǒng)所使用的速度編碼器為標(biāo)準(zhǔn)增量型編碼器，是瑞士宜科工業(yè)自動(dòng)化公司所生產(chǎn)的，型號(hào)為EC58K12-H6PR-1024，它通過軟連接軸連接到電機(jī)的輸出軸上，電機(jī)軸每轉(zhuǎn)一圈，即輸出1024個(gè)脈沖，變頻器采集這個(gè)數(shù)值并對(duì)其進(jìn)行濾波處理，當(dāng)PLC發(fā)出速度設(shè)定指令后，變頻器將電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和設(shè)定速度的偏差速度作為新的設(shè)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(duì)值型編碼器，一鋼廠3#轉(zhuǎn)爐所使用的編碼器是德國TR公司所生產(chǎn)的，型號(hào)為CE65M，分辨率為1024，圈數(shù)為32圈，即有15位二進(jìn)制格雷碼輸出，PLC接受信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼，并存儲(chǔ)在中間變量M中。

表1 二進(jìn)制和格雷碼的轉(zhuǎn)換

鋼絲繩滾筒的直徑為d，那么鋼絲滾筒每轉(zhuǎn)一圈，氧槍高度變化為Πd/2（有一組動(dòng)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(diǎn)間的二進(jìn)制M值相減并轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)得到ΔM，則可測(cè)得兩點(diǎn)間的位移量L=ΔMΠd/2048。有了位移量L即可得以任意參照點(diǎn)為起點(diǎn)的實(shí)際高度值。

4 速度編碼器和高度編碼器之間的關(guān)系

電機(jī)和鋼絲繩滾筒是通過減速機(jī)傳動(dòng)的，電機(jī)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(zhuǎn)速比值就是減速機(jī)的減速比i，i=N電機(jī)/N滾筒 =N速度編碼器/N高度編碼器，有了層關(guān)系，是否可以將兩種編碼器所采集的數(shù)據(jù)互相轉(zhuǎn)換呢？即將速度編碼器所采集的信號(hào)，轉(zhuǎn)換成氧槍高度值，將高度編碼器所采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖4 速度編碼器和高度編碼器的關(guān)系示意圖

4.1 速度編碼器轉(zhuǎn)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(dāng)鋼絲繩滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，速度編碼器所發(fā)出的脈沖為iR，因此連接在電機(jī)軸上的分辨率為R的增量編碼器近似等價(jià)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(hào)分離成兩路脈沖信號(hào)，一路給變頻器參與原來的控制，另一路給PLC的高速計(jì)數(shù)模板，通過記錄脈沖數(shù)值可以計(jì)算得出氧槍的位置。

4.2 高度編碼器轉(zhuǎn)換成速度值的初步思路

當(dāng)氧槍動(dòng)作時(shí)，我們可以將氧槍升降的線速度轉(zhuǎn)換成鋼絲繩滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，3.2中已經(jīng)求的兩點(diǎn)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(jī)=iN高度編碼器=iΔM/1024Δt. 因?yàn)闇p速機(jī)齒輪間有間隙，這種方法所檢測(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速，誤差相對(duì)較大，傳動(dòng)的過程中存在一定的延遲，所以這個(gè)數(shù)值要想?yún)⑴c到變頻器--電機(jī)--速度編碼器閉環(huán)控制中是有難度的。

經(jīng)過初步構(gòu)想，速度編碼器和高度編碼器互相檢測(cè)數(shù)值的方法理論上是可以實(shí)現(xiàn)的，因此我們可以用這種方法所計(jì)算得到的值給兩種編碼器提供一個(gè)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(shí)現(xiàn)位置控制，用高度編碼器實(shí)現(xiàn)變頻器電機(jī)間的速度控制還是相當(dāng)困難的，有待我們進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié)語

隨著鋼鐵工生產(chǎn)工藝的日益進(jìn)步，生產(chǎn)節(jié)奏的不斷加快，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐生產(chǎn)也會(huì)受到影響，而轉(zhuǎn)爐下游的精煉，連鑄，軋機(jī)等工藝都要做出生產(chǎn)節(jié)奏的改變，無論是經(jīng)濟(jì)上還是產(chǎn)品質(zhì)量上都會(huì)給公司帶來巨大損失。快速地處理編碼器故障，讓故障氧槍在短時(shí)間內(nèi)投入使用，盡可能的減少故障損失，是非常重要的。

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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