编码器在山钢板坯连铸机中的设计与应用

赵甲斌

(莱芜钢铁集团有限公司设备检修中心，山东 莱芜 271104)

0 前言

山东钢铁日照有限公司炼钢制造部首建铸坯生产线设计为双机双流板坯连铸机，该项目于2017年12月建成热试。整条生产线设计为连续弯曲连续矫直、直弧型连铸机，断面230 mm×1000～1950 mm,拉速范围0.9～1.7 m/min,最大生产能力460万吨。主要生产各类低、中和高碳钢、合金钢。

该生产线在拉矫机驱动系统和引锭杆卷扬系统均采用西门子S120变频器进行控制，其中引锭杆驱动为电动机械式调速卷扬，长约16 m，运行速度0～5 m/min。每台驱动电机轴端均安装了编码器进行测速，编码器品牌为瑞典Leine&Linde。编码器设计供电电压9-30VDC、极性保护电源，分辨率为1 024 ppr。编码器的信号通过传输电缆连接到单轴驱动器CU310-2DP的控制单元接口X23上，变频器接受信号并处理后通过PROFIBUS-DP通讯线完成信号传输，最终信号通过传输给PLC后进行处理。

1 编码器介绍

按照工作原理，编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。文中涉及到编码器主要是作为测量、计算用增量式编码器。

如图1所示，增量式编码器将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。在图1编码器结构图中，漏光盘为一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，由光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、-A、-B,每个正弦波相差90°相位差(相对于一个周波为360°)，将A、B信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。

图1 编码器结构图

由于A、B两相相差90°，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位，如图2所示。

图2 编码器信号图

2 编码器配置与调试

通过在变频参数设置P1300开环/闭环运行方式，可以方便的进行矢量控制的选择，控制方式有带编码器的矢量控制和无编码器的矢量控制两种，矢量控制时的速度控制ASR是把速度指令和速度反馈信号进行差值比较，然后进行PI控制，经过一定的滤波时间，再经过转矩限定，输出转矩电流，进入转矩环控制。无速度编码器的矢量控制方式的最大优势是不用安装速度编码器，但其调速性能仅能满足要求不高的场合；而有速度编码器的矢量控制方式虽然必须安装速度编码器，但其调速范围更宽、速度控制精度更高，能满足高精度传动转矩场合，并且能实现零转速时150%的输出转矩，这是无速度编码器的矢量制方式无法比拟的。尤其在连铸机系统中适应板坯拉速的需求，必须具有足够的低速转矩和控制精度。有、无速度编码器的矢量控制方式性能参数对比如表1所示。

表1 有/无速度编码器的矢量控制比较表

2.1 硬件配置部分

现场用到的增量式编码器直接与电机后轴相连接，将连杆的固定螺栓拧紧即可保证编码器的机械精度，无需另外找正，给安装和调试带来很大方便。编码器在板坯连铸机硬件接线如图3所示。

图3 编码器硬件接线

变频器端接在S120的-X23端子上，现场施工应确保编码器的信号线不要接到直流电源上或交流电流上，以免损坏输出电路。配线时编码器连接电缆应为屏蔽双绞线，但实际板坯连铸机应用中采用的编码器为单股线缆带屏蔽，同样按照西门子手册对于数字信号线屏蔽应按双端接地。良好的屏蔽能够切断噪声源对编码器信号的干扰，保证脉冲信号不丢失。

2.2 软件设置部分

带编码器的连铸机驱动电机系统配置采用西门子软件STARTER软件来完成。在对第三方电动机数据的设置过程中，电动机的主要基本数据必须正确填写 。配置完电动机数据后，再配置编码器的数据，对与Siemens电动机配套的编码器，可以通过电动机的订货号来确定其集成的编码器型号，由于采用的外配编码器，则需要对编码器的数据进行设定。

2.3 综合调试部分

在完成对变频器S120调试软件STRARTER中配置之后，然后调试带编码器矢量控制系统。首先确认编码器反馈信号是否正常，具体为先把变频器设置为V/F 控制模式P1300=0，让变频器低速运行在设定的恒定频率下，察看r0061,编码器检测出的电机转速。在编码器信号接收正常情况下，参数r0061反馈的速度应该与给定频率符号相同、大小相近。如果大小相差较大，可能由于编码器每转脉冲数设置错误、或编码器信号受到干扰、或接线不良等原因导致。确认编码器硬件系统无问题后，然后进行相应的闭环控制系统参数设置，主要参数为闭环控制参数P1300=21带编码器的矢量控制；转速控制器 P增益参数P1460=8.018；转速控制器积分时间参数P1462=96 ms。

在现场调试过程中初期出现过1#机1流引锭杆卷扬不动作，但变频器S120未出现故障报警信息。在排除电气系统问题后，最后确认为编码器线路端子接错，导致脉冲不能正确接收，从而造成反馈信号的不准确。在其它驱动系统调试中一台变频器S120报F31117：信号取反出错。通过检查端号5，6同7，8两组接线交叉而导致脉冲接收报错。如图3所示，编码器输出与变频器S120相应接口对应的A-、A+与B-、B+的端号不同，要避免接错。

在软件STRATR中利用Trace功能可以对驱动器以及电机的各种状态参数进行记录，方便故障诊断以及性能判断。通过在参数运行曲线可以判断系统的动态特性，如超调、稳定时间等等。调试中给定速度从加速过程到减速分别以每10 s变化一个速度追踪五条曲线。如图4所示，纵坐标分别显示r63实际速度值、r68实际电流值、 r80转矩实际值、 r70直流母线电压实际值和r60速度设定值。通过图4可以看出给定速度和实际速度基本重合。从图5放大后的给定速度和实际速度显示图可以看出速度跟踪良好，表明速度闭环控制系统调节响应灵敏、无超调。

图4 STRARTER软件中trace跟踪图

图5 给定速度与实际速度曲线

3 编码器校准

由于引锭杆卷扬系统采用增量式编码器，与绝对值编码器记住物理位置不同， 此编码器需要输出脉冲进行内部计算来确定其位置，当编码器不动或检修停电时，依靠内部记忆来记住位置，所以系统停电后，编码器不允许有移动，当供电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有其他干扰而丢失脉冲。否则，将导致计数位置的偏移和误差的累积，从而导致定位不准。

增加参考点可解决此问题，编码器经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。现场除了安装上、下极限位外还安装了上位限位作为校验位。因为机械定位才是最准确的位置控制模式，用给定指令脉冲数与反馈脉冲数的比较指令控制电机的启动、加速和减速及制动，不可能实现真正意义上的精确定位控制。通过校验位的校正进行初始点位的定位，极其方便了满足精准位置控制的要求。

4 编码器信号处理程序

利用现有的组态的硬件系统可以很方便的传输编码器数据而无须再增加高速处理模块。编码器运行发出的脉冲存放在变频器S120的参数r482中，数据的传输是通过DP通讯传输到PLC中。报文结构参数P922设置为999自由报文格式，同时再设定P2061[8]=PZD 9 + 10传输的双字连接到参数r482。这样就完成了信号也即脉冲数据的传输。

通过拆解变频器r482的方法得到实时地脉冲数，r482是一个无符号32位数，其中低11位是细分，当32 位满了自动归零继续累加，其余位即原始脉冲数累计值。这样可以推算出电机转的圈数。通过电机转的圈数可以很容易的计算出引锭杆卷扬转出的距离，从而确定出实际的位置高度。其中编码器一个脉冲对应的长度为：

M=π·R/脉冲数

通过读取的编码器脉冲数可求得各位置数据。由于引锭杆装置为连铸机结晶器上装式设计，在PLC控制程序中，需要定义各翻转区、接受位、校验位和极限位等位置数据,数据主要由编码器送入的测量脉冲计算来完成的，通过实时的位置测量来完成引锭杆卷扬高、低速切换和准确定位。

5 编码器维护

编码器属于精密测量器件，对安装精度、运行环境和周期性维护情况都有严格的要求。所以编码器轴与端输出轴之间采用弹性软连接，避免因轴的串动、跳动而造成编码器轴系和码盘的损坏。安装中确保两个轴心的不同轴度<0.2 mm，与轴线的偏角<1.5°。在设备日常点检、定修时要注意检查板弹簧相对编码器是否松动，固定编码器的螺钉是否松动；另外电气方面编码器的信号线避免接到直流电源上或交流电流上，以免损坏输出电路。现场2#机3流引锭杆卷扬编码器实际应用中由于安装固定不牢靠，长时间运行松动造成了编码器故障，变频器S120故障代码为F07900堵转故障，在排除机械设备卡死、电机抱闸没打开及转矩限幅原因之外，现场拆检发现编码器轴心窜动造成编码器硬件损坏。由此可见，在闭环控制系统中，由编码器导致的故障并不一定直接报编码器出错，而是以其他故障形式体现。所以在现场排除编码器故障一般可采用手动盘电机读r61,察看能否如实反映电机的速度和转向来简单确认编码器是否正常。

在连铸机设备初期运行过程中，针对编码器应用方面还出现过S120，偶报F31118转速差值超出公差，在检查各控制线和动力线缆布线情况符合EMC规则布线外，在不影响控制要求前提下最后采取放大了P0492每个采样周期的最大转速差值。另外针对编码器运行出现的意外损坏或其他情况还对此设置了无编码器运行的切换，即参数P0491=5， 编码器故障导致无编码器运行，继续运行，报警，确保在编码器意外情况下保证连铸机的连续生产。

在编码器使用时须注意周围有无振源及干扰源，做好电气隔离防护，远离干扰源。在实际应用中，发现如果将编码器电缆的屏蔽线接入电柜的集中接地块，依然有被干扰的情况发生，计数无规律跳，此时需要把编码器这类敏感传感器的电缆屏蔽线独立接地。现场环境不是防漏结构的编码器不要溅上水、油等，必要时要加上防护罩，同时注意环境温度、湿度是否在仪器使用要求范围之内，保证编码器工作在良好的环境。

6 结论

山钢日照分公司双机双流板坯连铸机设备投产运行情况显示，增量式编码器以其精确的测量和反馈，取得了满意的设备运行效果。一方面通过对增量式编码器信号处理计算出的位置及时反馈给HMI；另一方面通过反馈的电机速度构成的闭环控制系统，满足了现场速度控制精度要求，同时也使得控制系统获得了良好的速度动态响应。