激光測距技術在連鑄機鑄坯橫移設備中的應用

袁志明

(攀鋼集團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在出坯輥道與冷床之間設計了鑄坯的橫向傳輸設備——移鋼機，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，從而實現鑄坯的橫移輸送。原移鋼機的位置測量采用編碼器，本文分析了原移鋼機編碼器位置測量系統的缺陷及其對生產、設備帶來的影響，提出并成功實施了用激光測距技術對原位置測量系統的改造方案。

2 原移鋼機位置測量與控制

移鋼機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動。橫移車體的速度設計有高低速:減速停車及進退鉤用低速，移鋼過程用高速，高低速轉換由位置決定。

移鋼機橫移位置控制較為復雜，共有5個最基本的位置，如圖1所示。移鋼機橫移的位置由EB58B10－H6PR－1024增量實心軸型編碼器檢測，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，故系統在“4”號位安裝了接近開關進行零位標記。

圖1 移鋼機橫移位置示意圖

各位置定義如下:

“0”位:移鋼機停車位，抓鋼臂上升到上極限位停止。在該位的左側設置一個停車減速位。

“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。在每個位置的右邊設置一個抓鋼臂下降位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，等待下一個任務命令。

工作流程:移鋼機準確停車在某流抓鋼臂下降位，抓鋼臂下降到位，進鉤到流鑄坯位，然后抓鋼臂上升500 mm，最后高速向4#位前進，同時向冷床發“接鋼”命令。

3 原移鋼機位置測量系統缺陷及其影響

在移鋼機橫移過程中，要求每次都必須準確停車，否則，就會損壞抓鋼臂、出坯輥道等設備，并可能導致鑄機停機。因此，移鋼機位置檢測的準確性和系統的穩定性決定了該系統能否正常運行。

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

圖2 移鋼機位置測量系統示意圖

(1)信號干擾嚴重

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

(2)系統無法判斷位置脈沖的丟失

在硬件設備正常(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生丟失脈沖時，系統無法診斷，也不會中斷相關動作的執行。此時，由于脈沖的丟失已造成了移鋼機的實際位置與測量用于控制的位置發生了偏差［3］，偏差及量的大小系統都不知道，只有因此造成了事故才知道。

(3)信號電纜壽命短，運行成本較高

由于信號電纜通過冷床高溫區到控制室，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，移鋼機或編碼器都不能有任何移動。否則，當故障恢復或來電工作時，編碼器測量的位置就可能與移鋼機實際位置不一致。因此，系統設計了接近開關8來進行零位標記，每次工作前，操作工都必須執行零位校正。

(5)事故應急處理不便

在生產過程中，如果僅僅因編碼器或電纜發生故障而未造成其他設備的嚴重損壞時(損壞嚴重時生產被迫中斷)，為保生產過程不被中斷，移鋼機可轉到手動方式工作。由于移鋼機在運動，無法及時更換編碼器或處理電纜，事故應急處理不便。

在改造前運行的兩年時間里，因位置檢測問題導致的故障占移鋼機故障的98%，平均每月故障次數2次，最高一月次數達5次;由于位置不準使得抓鋼臂在錯誤位置升降而導致出坯輥道、輥道電動機、抓坯鉤頭、冷床等設備受到過嚴重損壞;在此情況下，熱坯不能正常輸送，直接導致鑄機停澆，鑄機前后的整個生產線都受到嚴重影響;為此，鋼廠最后不得不排專人進行移鋼機手動操作。

移鋼機已成為制約鋼廠正常生產的瓶頸問題，必須進行技術改造。

4 改造方案的選擇

用絕對值編碼器替代現有的增量型編碼器，可以解決增量型編碼器測量位置與實際位置分離的問題。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重，維護成本更高，也不能解決故障處理的及時性問題。

激光在檢測領域中的應用十分廣泛，技術含量十分豐富，對社會生產和生活的影響十分顯著［4］。激光測距是激光最早的應用之一，其基本原理是通過測量激光在往返目標所需時間來確定目標距離，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、通信簡單、安裝方便等優點。隨著激光測距傳感器成本的降低，越來越成為各行各業青睞的測距方法［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。

根據移鋼機橫移距離為16 m，決定采用DME5000－112激光測距傳感器實施本次技術改造。可解決原移鋼機的上述問題: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問題;采用ProfibusDP通信，遠離變頻器動力電纜，抗干擾能力強，信號穩定;由于傳感器及電纜都沒有安裝在車體上，即使移鋼機在位置測量出現故障而進行手動操作時，也不會影響故障點的及時處理。

5 用DME5000－112激光距離傳感器改造現有系統

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，反光膠貼粘貼在移鋼機的同側端頭，高度與傳感器基本一致，如圖3所示。

(2)從控制室附設一根ProfibusDP網線及一根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。檢查確認后合上電源開關，手動將移鋼機開到距激光測距傳感器的最遠端，然后調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的整個運行過程中始終照射在反光膠貼上，如圖5所示。

圖5 傳感器方向調整

5．2 軟件設置

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組態時，選用 SICK Profile，Class2。該Profile具有以下優點: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;無擴展的診斷功能。

5．2．2 控制器PLC的網絡設置

(1)安裝GSD文件，GSD文件在傳感器產品的CD光盤上。用西門子Step7編程軟件打開原PLC控制器的DP網絡配置窗口，導入傳感器的GSP文件。

(2)在原 profibusDP網絡中添加DME5000設備，DME5000的默認profibus地址為6。根據原DP網絡地址安排，重新給傳感器一個新的DP地址，傳感器其他網絡參數按默認設置。

(3)確認后編譯保存并下載到PLC的CPU中，如圖6。因傳感器還未設置地址參數，系統軟件配置與硬件配置不一致，此時控制器會出現網絡報警。

圖6 編譯、保存、下載

5．2．3 傳感器設置

給傳感器通電，進入參數設置窗口。修改傳感器上默認的DP地址006為PLC中給定的地址［6］，設定其他部分參數并退出參數設置窗口;然后關掉電源重啟傳感器，使所有設定的參數生效，完成傳感器的參數設置，原PLC的網絡報警會消除;注意，如果在沒有退出參數設置狀態下對傳感器斷電，當前設置的所有參數將會丟失。

5．2．4 數據接收與轉換［7］

在PLC編程軟件中讀取傳感器的數值，進行適當的格式轉換，以便于計算和控制。

5．3 位置控制

(1)傳感器測量的是位置的絕對值，依次將移鋼機手動開到設計的各個位置，分別獲取各個位置點的測量值。

(2)根據各位置點的測量值，按圖7所示的停車控制位置示意圖初步設定S、1－L、1－H等相關參數，用于移鋼機速度控制和準確停車。

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的關鍵在于判斷移鋼機啟動前所處的位置。當1流抓鋼請求信號到來時，如果車體本身已在位，則直接執行抓鋼鉤下降抓鋼，否則，當車體在右側時，啟動移鋼機正向運行，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。該功能的輸入參數至少包括:A、S、1－H、1－L及實際位置信號;輸出參數有:正向高速、正向低速，反向高速、反向低速、在位。

(5)調試:調整好移鋼機的制動機構，然后逐步選取各停車位置使移鋼機自動運行，適當修改S、1－H、1－L等參數值，使移鋼機準確停車。

6 結論

激光測距技術在該系統上已穩定運行三年，連鑄后區的鑄坯輸送設備故障率大幅降低，解決了該廠鑄坯輸送的瓶頸問題，給整個連鑄機生產線的正常運行提供了根本保證。激光測距方式精度高，線路少，信號穩定，安裝調試簡單，在移動設備的多位置控制方面值得推廣應用。

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，2007(9)．

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

［3］ 劉百芬，張利華．信號與系統［M］．人民郵電出版社，2012．

［4］ 張小勇，張丕狀．數字TDC技術在相位式激光測距中的應用研究［J］．應用天地，2009(8)．

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［8］ 李開元．PROFIBUS－DP現場總線技術在鋼管輸送系統中的應用［J］．鋼管，2013，42(3):67-70．

［9］ 阮毅，陳伯時．運動控制系統［M］．北京:機械工業出版社，2012．

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