轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)常用編碼器選型及調(diào)試

任朝暉

（中冶南方工程技術有限公司電氣自動化設計所,湖北 武漢430023）

轉(zhuǎn)爐傾動電機和氧槍電機為實現(xiàn)高動態(tài)特性和精確定位,需在電機軸安裝增量編碼器,編碼器信號進變頻器構(gòu)成VC 矢量閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時傾動系統(tǒng)減速機后軸會安裝單圈絕對值編碼器用來實時測量轉(zhuǎn)爐角度,氧槍電機減速機后軸安裝多圈絕對值編碼器用來實時測量氧槍高度。編碼器的選型及調(diào)試是否精準決定著轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能否高效順暢。

1 編碼器選型

轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)編碼器選型應考慮以下參數(shù)：

1.1 編碼器類型：進變頻器構(gòu)成閉環(huán)控制的一般是增量型編碼器,測量位移距離的一般是絕對值編碼器。轉(zhuǎn)爐傾動角度選擇單圈絕對值編碼器,氧槍高度因測量范圍廣選擇多圈絕對值編碼器。

1.2 輸出信號類型：編碼器有集電極開路輸出、電壓輸出、線驅(qū)動輸出和推挽式輸出等形式。編碼器還有Profinet 和Profibus 等總線接口可以接入PLC 網(wǎng)絡。編碼器極性有單極性和雙極性,雙極性信號接A+A-,B+B-,雙極性采用屏蔽雙絞線,抗干擾能力和傳輸距離都優(yōu)于單極性。轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的增量式編碼器就是推挽式輸出接口且雙極性帶差分輸出信號,使用的絕對值編碼器選用帶Profibus-DP 總線接口。

1.3 信號電壓等級：編碼器的電壓等級有DC24V、DC12V 和DC5V 等。轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)選用DC24V 的,因為DC24V 抗干擾能力強,傳輸距離遠,電源容易獲取。

1.4 最大輸出頻率：根據(jù)編碼器應用場合和工藝需求確認最大輸出頻率及分辨率、位數(shù)等參數(shù)。轉(zhuǎn)爐增量編碼器選擇每圈1024PR,多圈絕對值編碼器選擇8192 圈。

1.5 安裝方式、外形尺寸：考慮安裝空間、機械強度、外觀規(guī)格、機械壽命等要求。轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)用彈性聯(lián)軸器解決連接的偏心問題。

2 編碼器調(diào)試

2.1 編碼器調(diào)試前準備工作

編碼器調(diào)試前應仔細檢查：編碼器機械安裝是否打滑跳齒、齒輪齒隙是否過大等,現(xiàn)場環(huán)境是否有抖動,編碼器和電機軸之間是否有松動。檢查編碼器信號線是否過長,是否使用屏蔽雙絞線,按要求做好編碼器電纜屏蔽層接地。編碼器電源電纜和信號電纜分開敷設,避開動力電纜并采取必要抗干擾措施。核算一下編碼器最高脈沖頻率是否接近或超過了極限值,編碼器的脈沖輸出頻率大于變頻器或PLC 輸入脈沖最高頻率。檢查編碼器空閑信號線處理,AB 正交編碼器不需要Z 信號,Z 信號線可棄之不用。

2.2 進變頻器的增量編碼器調(diào)試

變頻器配置時應選擇編碼器選項并激活編碼器功能,詳細設置編碼器的相關參數(shù),如編碼器類型、電壓等級、脈沖個數(shù)、信號接口形式、編碼器極性、編碼器信號監(jiān)控是否激活等。西門子Sinamics 變頻器編碼器參數(shù)設置框圖見圖1 所示：

圖1 增量編碼器參數(shù)設置框圖

變頻器控制方式為VC 閉環(huán)矢量控制,編碼器才起作用。編碼器參數(shù)設置完,先將變頻器控制方式改為SLVC 無編碼器矢量控制或V/F 控制,啟動變頻器旋轉(zhuǎn)電機,檢查編碼器信號是否與電機運行方向一致。如果編碼器反饋值和速度設定值大小相等方向相反,可修改接線改變編碼器A、B 相序或設置變頻器參數(shù)來改變編碼器A、B 相序。編碼器反饋值沒問題,把變頻器改回VC 矢量控制進行電機優(yōu)化。如果編碼器有問題電機優(yōu)化是不會通過的,變頻器會報相應的故障代碼,根據(jù)所報錯誤代碼提示來檢查修改變頻器相應設置。電機優(yōu)化順利完成才表示編碼器安裝正常。

在變頻器調(diào)試軟件中,如西門子變頻器調(diào)試軟件Starter,ABB 變頻調(diào)試軟件Drive Composer 中都有Trace 功能或參數(shù)曲線記錄功能,可以對變頻器及電機的各種狀態(tài)參數(shù)進行記錄,方便性能判斷及故障診斷。電機VC 矢量控制優(yōu)化辨識通過后,利用此功能來監(jiān)視速度設定值和編碼器反饋值曲線,通過不同的階躍給定,來判斷分析系統(tǒng)的靜態(tài)誤差精度,動態(tài)特性如超調(diào)及穩(wěn)定時間等。如果速度靜態(tài)誤差精度較大,說明編碼器安裝有些小問題,同心度不太好或編碼器接地有問題,需要重新仔細檢查,再次做電機空載靜動態(tài)優(yōu)化,直至系統(tǒng)的靜態(tài)誤差精度和動態(tài)特性都滿足指標要求。

現(xiàn)場環(huán)境干擾和機械振動對編碼器都有影響,會直接影響整個轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的運行。可設置兩套不同參數(shù)組,一套參數(shù)組對應編碼器參與的VC 帶編碼器矢量控制,一套參數(shù)組對應無編碼器的SLVC 矢量控制。當編碼器因某種原因故障時,可以快速在HMI 畫面上切換變頻器參數(shù)組,暫時將變頻器控制方式更改為無編碼器矢量控制方式,進行繼續(xù)生產(chǎn),等條件滿足再檢查更換故障編碼器。

2.3 絕對值編碼器調(diào)試

轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中,傾動角度編碼器和氧槍高度編碼器經(jīng)Profibus-DP 總線接入PLC。PLC 硬件組態(tài)時需設置絕對值編碼器的DP 地址和DP 總線速度,絕對值編碼器端需撥碼對應設置DP 地址,DP 總線速度根據(jù)DP 電纜長度設定。絕對值編碼器在DP 總線中處于尾端,需把編碼器終端電阻撥到ON。編碼器DP地址設置完畢,需要斷電再上電才會設置有效。PLC 中硬件在線監(jiān)視看編碼器是否正確接入DP 網(wǎng)。硬件組態(tài)見圖2 所示。

絕對值編碼器傳入PLC 的是雙整數(shù)數(shù)值,還需要根據(jù)工藝需要進行編碼器數(shù)值規(guī)格化。正常提升氧槍停在A 點,測量氧槍底部至所在平臺的距離,并記錄此時編碼器的數(shù)值,然后升降氧槍停在B 點,再測量氧槍底部至所在平臺的距離并記錄此時編碼器的數(shù)值。兩組數(shù)值帶入一次函數(shù)y=kx+b 算出參數(shù)k和b 的數(shù)值,寫入PLC 程序進行編碼器數(shù)值規(guī)格化。

圖2 絕對值編碼器硬件組態(tài)圖

氧槍更換鋼絲繩或更換編碼器后需要重新校準編碼器,更換同型號的編碼器,新舊編碼器的k 值是相同的,只需要校準計算b 值即可。打開校準畫面,輸入此時氧槍的高度值,按回車鍵并點擊校準按鈕。編碼器校準完成后,需要氧槍由上至下運行一個全程,觀察運行中氧槍高度是否變化連續(xù),如果編碼器數(shù)值有溢出,則需要拆掉編碼器手動撥動編碼器至線性的中間段,再重新安裝編碼器并跑完全程。

轉(zhuǎn)爐正常生產(chǎn)時出鋼和出渣時操作人員要緊盯轉(zhuǎn)爐角度,傾動角度編碼器故障將會造成轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)無法正常進行,為避免轉(zhuǎn)爐停產(chǎn)可采用雙絕對值編碼器來計算轉(zhuǎn)爐傾動角度。兩個傾動角度編碼器都正常工作時,HMI 畫面上選擇哪個編碼器參與PLC 聯(lián)鎖控制,另一個角度編碼器數(shù)值僅畫面上顯示參考。當某個角度編碼器有故障時,可在HMI 畫面上手動快速切換,靠另一個正常角度編碼器來測量傾動角度,繼續(xù)進行正常轉(zhuǎn)爐傾動。同時在HMI 畫面上會顯示“某個編碼器故障”,提醒維護人員檢查更換已損壞的編碼器。

2.4 安全保護措施

氧槍高度準確與否對轉(zhuǎn)爐高效正常吹煉至關重要,由于氧槍鋼絲繩有一定延展性,再加上其它各種干擾因素,運行一段時間后即使未更換氧槍高度編碼器,氧槍高度值也會有所變化,變化值超過一定門檻值將會影響氧槍吹煉效果。每次更換氧槍時需要上升至氧槍上極限,為此可增加氧槍上極限作為氧槍高度校準點,每次氧槍到達上極限,PLC 程序捕捉到氧槍上極限的上升沿,可將此時氧槍高度值和程序中存儲的氧槍參考點高度值進行比較,若差值大于設定的門檻值則HMI 畫面彈出報警信息,提示氧槍高度誤差過大需進行氧槍高度校準。

PLC 程序中增加編碼器超速保護,當PLC 程序計算出編碼器數(shù)值在單位時間內(nèi)超出設定的變化率門檻值時,說明傾動或氧槍速度過快已經(jīng)失控,隨時可能會發(fā)生事故,此時程序發(fā)出緊急停車命令同時HMI 話彈出報警消息。編碼器信號丟失保護,當PLC 程序計算出編碼器數(shù)值在單位時間內(nèi)小于設定的數(shù)值門檻值時,說明傾動或氧槍編碼器可能損壞或編碼器機械安裝松動,同樣需要緊急停車并報警。

3 編碼器故障診斷

當增量編碼器故障時變頻器會報故障代碼,可查看手冊的故障說明和推薦解決辦法；編碼器故障也會導致其它故障,如堵轉(zhuǎn)過電流燈故障。編碼器故障導致系統(tǒng)無法運行時,HMI 畫面切換變頻器參數(shù)組,將變頻器更改為SLVC 無編碼器矢量控制,暫時進行生產(chǎn)同時用此控制運行電機進行編碼器故障分析。

3.1 讀取編碼器的實際反饋值和速度設定值比較,如果大小相同極性相反,可能原因是編碼器接線的極性不對,編碼器的A、B 相序反了。

3.2 運行時沒有讀到編碼器的實際反饋值,則需檢查編碼器接線是否正確,編碼器參數(shù)配置是否正確,編碼器及編碼器輸入接口板是否損壞。

3.3 能夠讀到編碼器的反饋值但與設定值不符,實際速度跟隨變化則檢查編碼器每圈脈沖值設定,實際速度不跟隨變化則檢查編碼器本身故障。

3.4 編碼器反饋值波動大但實際電機運行穩(wěn)定,需按照EMC 規(guī)則檢查編碼器接線和接地,檢查編碼器機械安裝同心度,檢查是否打滑跳齒、齒輪齒隙是否過大等,結(jié)合示波器萬用表檢查編碼器接口板。

結(jié)束語

山東某鋼廠300T 轉(zhuǎn)爐工程中,編碼器精心調(diào)試后煉鋼轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)和氧槍系統(tǒng)運行高效穩(wěn)定具有較高動態(tài)特性,轉(zhuǎn)爐傾動啟動運行順暢平穩(wěn),氧槍高度定位誤差不超過正負1cm。轉(zhuǎn)爐整體運行良好,滿足工藝生產(chǎn)需求。