王 博

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司厚板廠,廣東 湛江 524072)

寶鋼湛江鋼鐵厚板廠采用雙機(jī)架4 200 mm軋機(jī),軋機(jī)主要由機(jī)架、軋輥、傳動軸及主電動機(jī)組成,粗、精軋機(jī)各有上下輥兩臺主電動機(jī),主電動機(jī)控制系統(tǒng)采用西門子SL150全數(shù)字矢量控制大功率交—交變頻交流調(diào)速系統(tǒng)[1],可以實現(xiàn)對電動機(jī)速度的精確控制。由于生產(chǎn)需求,精軋機(jī)平均每天換輥一次,粗軋平均每周換輥一次。為了提高換輥效率,軋機(jī)每次換輥前需要將軋機(jī)的主軸停到指定位置,使扁頭套的方向與備輥的軸頭方向保持一致,因此,軋機(jī)主軸定位功能顯得尤為重要。本文結(jié)合現(xiàn)場實際應(yīng)用情況,介紹了一種通過主軸接近開關(guān)實現(xiàn)主軸定位的方法,并針對實際應(yīng)用過程中遇到的問題,提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 主軸定位原理

軋機(jī)工作輥與主軸通過扁頭套連接[2],如圖1所示。工作輥扁頭與扁頭套是插入式連接,在更換工作輥的裝輥過程中,工作輥的扁頭必須與主軸軸頭角度一致,才能將工作輥扁頭順利插入主軸軸套中。一般來說,工作輥在備輥時已經(jīng)將角度固定好,扁頭位置基本在垂直或者水平位置。因此,要實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化操作(抽輥、備輥和裝輥),每次換輥前,主軸的停機(jī)位置都應(yīng)該是同一位置,便于裝入新的工作輥。

圖1 工作輥與扁頭套示意圖Fig.1 Schematic diagram of work roll and flat head cover

軋機(jī)主電動機(jī)主軸停機(jī)位置由特定的程序控制[3],在主軸定位邏輯中,每次換輥前都要進(jìn)行主軸定位,將主軸停在特定的位置,以滿足換輥需求,具體實現(xiàn)方法如下。

主軸定位功能激活時需要滿足三個條件:一是主軸定位功能激活命令,該命令一般在換輥前由生產(chǎn)操作人員激活;二是主電動機(jī)運行速度不大于換輥時的設(shè)定速度,一般設(shè)置定位速度為額定速度的5%;三是需要檢測到主軸位置的接近開關(guān)信號。當(dāng)三者條件均滿足時,主電動機(jī)開始執(zhí)行定位功能,整個定位過程有時間的限制,超過設(shè)定時間(15 s)會導(dǎo)致系統(tǒng)定位超時報警。

主軸開始定位時,主電動機(jī)在低速爬行過程中檢測到主軸的位置接近開關(guān)信號后,系統(tǒng)會計算出當(dāng)前主軸的實際位置,并發(fā)出減速停機(jī)的命令,由速度控制器控制主電動機(jī)以一定的斜坡進(jìn)行停機(jī),停機(jī)過程中主軸旋轉(zhuǎn)一定的角度后停在換輥位置(該角度在程序中可人工修改),原理如圖2所示。在此過程中,主電動機(jī)控制系統(tǒng)會計算出主軸的實際位置和設(shè)定位置的偏差,當(dāng)偏差小于2°時,系統(tǒng)判斷主軸已經(jīng)停在設(shè)定位置,此時主電動機(jī)給定速度為零,并發(fā)出定位成功信號,定位結(jié)束。

圖2 主軸定位功能原理圖Fig.2 Principle diagram of spindle positioning function

定位過程中主軸轉(zhuǎn)過的角度可以在程序中設(shè)定,即從檢測到主軸定位接近開關(guān)信號到電動機(jī)停機(jī)時轉(zhuǎn)過的角度,該角度在第一次投入使用時需要人工調(diào)試設(shè)定,角度的調(diào)整有一定的限制,角度過小會導(dǎo)致電動機(jī)定位時速度運行不穩(wěn),角度過大會定位超時導(dǎo)致定位失敗。該角度一旦確定,除非更換主軸或者調(diào)整接近開關(guān)位置,否則一般不需要調(diào)整,即使需要調(diào)整,也是僅根據(jù)主軸實際停機(jī)位置調(diào)試出新的定位角度即可。

2 主軸定位常見問題

2.1 自動換輥主軸定位成功信號消失

在軋機(jī)自動換輥過程中,主軸定位成功信號是自動換輥的一個條件,在自動換輥過程中要保持該信號一直存在,但是在實際應(yīng)用中,在完成主軸定位后,程序進(jìn)入自動換輥模式時,主軸定位成功信號經(jīng)常丟失,導(dǎo)致不滿足自動換輥條件而不能繼續(xù)自動換輥,需要手動完成換輥,嚴(yán)重影響換輥時間。通過對主軸定位信號和電動機(jī)實際位置的監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)主軸定位信號丟失均發(fā)生在抽輥這一過程,觀察此時的電動機(jī)速度波形發(fā)現(xiàn),在抽輥過程中電動機(jī)實際速度在零位存在抖動現(xiàn)象,而電動機(jī)的給定速度和實際電流為零,現(xiàn)場檢查編碼器也無松動現(xiàn)象,經(jīng)確認(rèn)是在抽輥過程中,主軸受外力有輕微晃動的情況,影響轉(zhuǎn)子實際位置與設(shè)定位置偏差大于2°,導(dǎo)致定位完成信號消失。

2.2 主軸定位接近開關(guān)維護(hù)困難

主軸定位接近開關(guān)的作用是在換輥時檢測主軸的實際位置,根據(jù)檢測到的實際位置開始計算主軸的旋轉(zhuǎn)角度,接近開關(guān)原設(shè)計安裝在軋機(jī)側(cè)的主軸水平平衡支架上,支架的位置較高且水汽大,主軸上的潤滑油也會甩到接近開關(guān)上,會影響接近開關(guān)的使用壽命,并且每次更換主軸時都要重新焊接擋塊,維護(hù)量較大,曾多次發(fā)生在生產(chǎn)過程中主軸接近開關(guān)被撞或者被油污遮擋,導(dǎo)致信號不穩(wěn)定,不能滿足主軸定位需求。

2.3 主軸定位后停機(jī)速度不穩(wěn)

軋機(jī)主電動機(jī)在換輥前進(jìn)行主軸定位,主電機(jī)速度由爬行速度經(jīng)速度控制器控制,逐漸減小至零,完成主軸定位,但是在實際應(yīng)用過程中,電動機(jī)定位時給定速度為零時,在有運行使能的情況下還會繼續(xù)在零速位置抖動(圖3),如果抖動時間過長超過定位時間限制,會導(dǎo)致主軸定位失敗,需要重新定位,曾因此原因?qū)е露啻沃貜?fù)定位,影響換輥時間。

圖3 優(yōu)化前定位速度曲線Fig.3 Positioning velocity curve before optimization

3 主軸定位常見問題解決辦法

3.1 主軸定位成功信號消失

在抽輥過程中,主軸受外力影響產(chǎn)生的晃動,外圍設(shè)備很難做出改進(jìn),因此,可以在主電動機(jī)定位邏輯中新增一個功能,即保持主軸定位精度為小角度,在定位完成后,自動將轉(zhuǎn)子位置偏差放大一定角度,轉(zhuǎn)子軸在抽輥過程中產(chǎn)生的晃動在偏差之內(nèi),定位完成信號會一直保持,既保證了定位精度,又解決了換輥信號經(jīng)常丟失的問題,保證自動換輥順利進(jìn)行。

3.2 主軸定位接近開關(guān)維護(hù)困難

主軸接近開關(guān)容易損壞的原因在于其工作環(huán)境惡劣,安裝位置在主軸垂直平衡支架上(圖4),只有檢修期間才能進(jìn)行維護(hù),因此,在不影響正常生產(chǎn)的情況下,在軋機(jī)主電動機(jī)側(cè)新增備用的光電式接近開關(guān),將其安裝在主電動機(jī)的接手上方,電動機(jī)接手上貼有反光板,并通過備用通道將接近開關(guān)信號接到主電動機(jī)的控制系統(tǒng)。在程序中新增定位角度調(diào)整通道和主軸定位接近開關(guān)切換程序,兩組主軸定位接近開關(guān)可以在程序中進(jìn)行一鍵切換,一備一用。

圖4 原主軸接近開關(guān)Fig.4 Original spindle proximity switch

3.3 主軸定位后停機(jī)速度不穩(wěn)

軋機(jī)主電動機(jī)在正常運行時,由于沖擊性負(fù)載的原因,主電機(jī)機(jī)械特性要求較高,為了滿足軋鋼時的需求,電動機(jī)速度控制器的PI調(diào)節(jié)器的比例Kp較大,Kp值大的好處是電動機(jī)響應(yīng)速度很快,可以快速調(diào)節(jié)速度,但弊端是調(diào)速穩(wěn)定性較差,Kp過大容易導(dǎo)致速度環(huán)運行不穩(wěn)定,出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。在主軸定位過程中,速度逐漸降低至零時,由于響應(yīng)速度過快,容易產(chǎn)生抖動現(xiàn)象。

由于軋機(jī)主電動機(jī)只有在咬鋼、拋鋼時對速度響應(yīng)要求較高,在電動機(jī)換向時或停機(jī)定位過程中速度接近零時對速度響應(yīng)要求不高,因此,在程序中將主電動機(jī)速度接近零時的PI調(diào)節(jié)器的Kp適當(dāng)減小,由50%改為30%,增加速度控制器的穩(wěn)定性,結(jié)合現(xiàn)場實際應(yīng)用效果,調(diào)整后電動機(jī)速度運行更加穩(wěn)定,基本解決了停機(jī)時的抖動問題。

4 取得效果

(1) 換輥時主軸定位完成信號丟失的問題,在新增加了程序后運行穩(wěn)定,在換輥時沒有再發(fā)生過主軸定位信號消失的情況,且在抽輥、裝輥時,主軸的實際位置并不影響換輥,新增程序可以有效避免因抽輥時主軸抖動而產(chǎn)生的定位信號消失現(xiàn)象。

(2) 新增主軸接近開關(guān)(圖5)和相應(yīng)的程序以后,在1組接近開關(guān)發(fā)生故障后可以用較短的時間將備用接近開關(guān)投入使用,基本不影響正常的換輥時間,且新增加的接近開關(guān)位于電動機(jī)側(cè),工作環(huán)境較好,便于日常維護(hù)。

圖5 新增主軸接近開關(guān)Fig.5 Added spindle proximity switch

(3) 主軸定位時速度控制器的比例Kp參數(shù)優(yōu)化后,電動機(jī)在接近零速時運行更加穩(wěn)定。從定位時速度曲線可以看出,在換輥時進(jìn)行主軸定位時,給定速度為零后,電動機(jī)抖動問題基本解決(圖6),減少了換輥定位失敗的發(fā)生。

圖6 優(yōu)化后定位速度曲線Fig.6 Positioning velocity curve after optimization

5 結(jié)語

電動機(jī)主軸定位功能在每個軋鋼廠都有所應(yīng)用,雖然不直接參與主電動機(jī)軋鋼過程中的控制,但是保證主軸定位功能的穩(wěn)定運行對提升換輥速度起著很重要的作用,在這個分秒必爭的時刻,也是提升生產(chǎn)效率的一個措施。主軸定位功能是一項成熟的技術(shù),但是在實際應(yīng)用過程中,由于不同的工作環(huán)境和不同的負(fù)載,對主軸定位功能都會存在一些影響,本文結(jié)合厚板廠粗、精軋主電動機(jī)主軸定位功能的實際應(yīng)用,對其原理進(jìn)行了介紹,同時對應(yīng)用過程中遇到問題的分析和處理辦法介紹,在硬件和軟件方面逐步完善了主軸定位功能,希望通過對主軸定位功能和常見問題的介紹,可以增強設(shè)備維護(hù)人員對主電動機(jī)控制系統(tǒng)的了解。