基于SRM的连续铸坯机组技术改造

2010-06-26方爱红姜余发

电气传动 2010年8期

方爱红,姜余发

(江西交通职业技术学院机电系,江西南昌 330013)

1 引言

作为铜合金管、棒型材的重要制备方法之一,水平连铸法广泛应用于中小型企业生产优质小断面铸坯。本文涉及到的设备为某公司1台年设计产量2000 t管、棒坯料的水平连铸机组,安装完成并投入运行半年左右的时间,基本上不能正常生产,故障频出,最大的问题就是经常出现“拉漏”事故,即结晶器内的铜坯在未完全凝固的情况下被拉出,然后铜液顺着结晶器内管的底部流出,进入回水槽,形成“爆炸”效果,且无法控制,直至熔化炉、保温炉内的铜液降至结晶器进口以下,每次造成的直接经济损失达几千至几万元不等,且对人员造成极大的安全隐患。

分析上述故障产生的原因:首先,伺服机构性能不够稳定,数控系统、驱动装置不能适应高温环境下的频繁正、反转动作,无法抵御各种干扰的窜入,“拉-停-推-停”4步动作中某个环节稍有变化,都会造成“拉漏”事故;其次,冷却水的流量、压力失控也是发生事故的另一个重要原因。综合分析事故现场工艺、设备、操作等情况,同时参考文献[1],作者认为:在“拉漏”之前,铜坯表面温度会明显升高,同时结晶器进、出水温差也会发生明显变化,一方面,如“拉漏”是因为冷却水流量、压力不足或者炉内铜液温度过高,铜液虽充满整个结晶器内腔但来不及凝固,水温差会明显升高;另一方面,如“拉漏”是因为牵引速度太快,铜液来不及充满结晶器的整个内腔,冷却接触面太小,铜液无法散发出足够的热量而凝固,此时进、出水的温差会明显降低。铜坯温度、冷却水温差等变化靠人工观察是无法完成的,且不可靠。因此,要避免“拉漏”事故的发生,控制系统必须能及时测量铸锭温度、冷却水温差的变化情况,并且做出判断,决定是加大冷却水量,还是改变牵引4个环节的比例,或者两者兼而行之。

2 系统构建

为确保设备能安全、正常运行,最大限度避免发生“拉漏”事故,依据前文的工艺技术分析,本次改造在不能改变设备原整体布局的前提下,牵引机构由交流伺服电机改为开关磁阻电机;在结晶器出口处增加铜坯红外线测温仪,如图1所示;在冷却水进、出管路上增加水温测量仪,增加冷却水电动流量调节阀;原数控装置由S7-200替代,以实现牵引动作与冷却水流量联动。

图1 水平连铸机组结构示意图Fig.1 The structure of horizontal continuous casting machine

3 开关磁阻电机及其驱动装置

水平连铸机组牵引机构的驱动部分经历了直流电机加凸轮装置,液压伺服电机以及交流永磁同步电机等几个发展历程。针对本文涉及到的设备,尽管已使用目前较为先进的交流永磁同步电机,但由于身处高温环境且要求频繁正、反转(依据产品规格的不同,大约为5～20次/min不等),启动电流大,机身及控制器发热严重,性能参数、使用寿命等都受到影响。

鉴于上述情况,在充分了解各种电机性能及最新发展的基础上,决定采用开关磁阻电机(SRM)及其驱动装置替换原交流伺服系统。由文献[2]可知,开关磁阻电机具有如下优点:

1)结构与制造工艺简单、坚固、成本低。转子仅由硅钢片叠压而成,可工作于极高转速;

2)电机的能量损耗主要源于定子发热,电机易于从外表进行冷却,转子无永磁体,可允许有较高的温度;

3)转矩方向只与相间切换顺序有关而与相电流的方向无关,从而可减少功率变换器的开关元件数量,降低系统成本;

4)由于电机绕组串联在两只开关元件之间,功率变换器不可能出现直通故障,可靠性高;

5)启动转矩大,低速性能好,没有异步电机启动时所出现的电流冲击现象;

6)调速范围宽,控制灵活,易于实现各种特殊要求的转矩,即有良好的速度特性;

7)在宽广的转速和功率范围内都具有高效率;

8)能4象限运行,具有良好的再生制动能力。

当然,拥有上述优点的同时也存在一些不足,如存在转矩脉动、机身振动和噪声等问题,且这些都是由于开关磁阻电机固有的双凸极工作机理引起的,很难克服。对本系统而言,第一,铜坯拉出工艺本身就要求间歇式进行,转矩脉动反而更利于结晶面的形成;其次,机身振动也不会伤害内装于结晶器中的石墨模,因为结晶器与牵引轮之间有足够的距离进行缓冲;最后,噪声更不是问题,厂房内随便一台拉丝机、拉拔机的噪音都更大。

本次改造选用某公司生产的开关磁阻电机(12/8极)及其驱动装置,电机额定功率为3 kW,额定转速为1500 r/min;模拟给定:两路输入V1和V2,0～10 V信号,5种组合方式,可设定偏移和衰减;数字给定:面板、CAN、485均能够设置;保护功能包括电机超速、散热器过热、过电流、过载、堵转、电机短路、欠压、过压、电压极限值等。

4 位置检测及控制

图2为本次改造所用开关磁阻电机及其驱动系统的结构框图。在本系统中,由于“拉-停-推-停”4步动作循环既要控制速度,同时还要控制位移,为此,系统设计充分利用转子位置信号传感器发出的三相位置信号,通过适当的外接电路,经整形获得方波信号,接入S7-200高速计数器输入端,经换算得到拉出或推入的实际位移。

图2 开关磁阻电机控制系统结构框图Fig.2 The structure of switched reluctance motor control system

如上所述,本系统采用 12/8极开关磁阻电机,转子位置信号传感器是由三相光电传感元件(固定在定子上)和一个光电盘(与转子同轴旋转)构成。每相光电传感元件结构相同,分别由底座、红外发光二极管和红外光电三极管等3部分组成,安装在定子圆周上且相互间隔15°。光电盘是一个与转子同步旋转且均匀开有与转子同等数目齿槽的齿槽盘。工作原理如下:发光二极管和光电三极管之间开有一个U形槽,转子旋转时,光电盘的齿槽依次从光电传感元件的U形槽中顺序穿过,当它的齿进入槽中时便遮挡住发光二极管的光线,使光电三极管处于截止状态,集电极输出高电平;当它的槽在这一位置时,发光二极管的光线则能够照射到光电三极管,使之饱和导通,集电极输出低电平。电机旋转时,三相传感器可以得到A,B,C三相位置方波信号,如图3所示的S1,S2,S3,周期为45°(360/8=45),相邻两相相差 15°,S 波形则是对S1,S2,S3三相位置信号波形进行异或后得到的。三相位置输入信号的调理及异或电路采用文献[3]介绍的电路,如图4所示。

图3 三相位置信号波形图Fig.3 T hree phase signals to position profiles

图4 三相位置信号输入电路Fig.4 T hree phase signals to position input circuit

5 位移控制的软件实现

根据水平连铸机组铸坯凝固的特点,“拉-停-推-停”4环节的速度曲线(又称为拉坯曲线)一般分为正弦曲线或双折梯形曲线,前者刚启铸时加速度为最大值,铸坯凝固前沿的坯壳易被拉裂;后者启铸加速度小,动载荷小,拉坯工作更可靠。另外,双折梯形又分为按时间和按位移进行直线加、减速控制。相对前者,按位移控制计算量,所需存储空间更小。为此,本次改造使用双折梯形且按位移进行拉坯控制。同时,为适应不同材质、不同尺寸、不同形状合金产品的生产要求,设计拉出位移X1、推入位移X2、正向拉出后的停止时间T1、反向推入后的停止时间 T2、正向速度v1、反向速度 v2、拉出加速位移 XA、推入加速位移XC、拉出减速位移XB、拉出减速位移XD等参量由工艺人员通过触摸屏进行设置。

图5 拉出、推入控制子程序流程图Fig.5 The flowchart of pull-push subroutine

为尽量满足实时控制的要求,同时又兼顾主程序的方便设计,本系统采用子程序的方式实现拉出、推入功能,程序框图如图5所示。首先,进入PLC高速计数器HSC0的转子位移信号,经变换、处理得到电机的正转、反转实际位移X并与XA,XC,XB,XD,X1,X2进行比较,判断所属升速、降速、匀速等阶段;其次,依据 v1,v2,XA,XC,XB,XD以及实际位移X计算当期拉出或推入的速度;最后,判断当期速度计算值可否小于一个很小的设定值,以决定是否启动定时器T1,T2,进入正拉、反推间歇期。另外,图5中v10,v20为电机正、反转的起始速度,F0为电机是否旋转的标志位,电机速度v=0时清零,定时器T1,T2定时时间到达时置位,F1为电机正、反转的标志位,置位、清零分别由定时器T1,T2定时时间到达与否决定。

6 PLC硬件、软件设计

作为本系统的控制核心,PLC的安全性、可靠性、抗干扰能力就成为重中之重,本次改造选用西门子 S7-200。硬件包括 1台基本模块CPU224XP(集成14/10数字量I/O点,2/1模拟量I/O点,可连接7个扩展模块,20k字节程序和数据存储空间,6个独立的高速计数器(100 kHz)),1台8输入/8输出数字量I/O扩展模块EM223,1台2路模拟量输入扩展模块EM231,1台2路模拟量输出扩展模块EM232以及1台触摸屏TP227。主要输入开关量包括铸坯红外线测温仪温度报警信号,操作台电机启动、停止、紧停以及其它相关信号等;输入模拟量包括冷却水进、出管路上的水温探头信号;输出模拟信号包括电机驱动器控制信号和流量控制阀调节信号。

软件方面,定时器T1,T2采用中断方式控制拉出、推入切换,中断服务程序主要完成标志位F0,F1的清零或置位。铸坯温度经智能测温仪器测量并进行极限判断后,得到的开关量成为防“拉漏”的重要标志,为确保安全、高效,这个开关量和冷却管路上进出水温差一起设计并由主程序监控,当发生“拉漏”征兆时,程序首先进行3次调整,缩减拉出速度、加大推入速度等。如仍无效,则报警且加大冷却水流量,同时封锁所有动作,等待处理,因为“拉漏”故障除与牵引速度、冷却水流量等有关外,还与保温炉温度,铜液气体含量以及合金工艺等多方面因素有关,而且这些因素往往自动控制性不强。主程序结构框图如图6所示。