大型生产线码垛工艺优化的开发与应用

张 慧

（莱芜钢铁集团有限公司设备检修中心，山东莱芜 271104）

0 引言

型钢厂大型生产线的H450×200H500×200 等规格码垛节奏为1100 t 左右，与连铸小时产能1300 t 不匹配，轧钢产能=连铸产能×110%=1430 t，班产差330 t，3600 t 一个生产计划要剩余1000 t，导致BB2 坯料生产组织困难，热送热装率低，无法实现正常的坯料优化定尺，产量损失大、煤气消耗高、成材率和定尺率指标低。码垛工序成为规格生产产量的瓶颈环节。

1 现状分析

1.1 原西马克设计功能分析

码垛区域的工艺过程及自动控制分别由西马克与西门子公司完成，其技术水平在当时是世界领先的。其中工艺过程为码垛机在成层位置下降至励磁位置建立励磁等待励磁结束，码垛机提升至平移位置码垛机开始平移，当平移至堆垛位置开始下降，下降到位后发出消磁命令，等待放磁完成后开始提升，提升到平移位置后开始后退平移至成层位置完成一个工作循环。其中的关键参数：码垛机横移速度1.0 m/s，励磁时间1 s，放磁时间1.5～2.5 s，码垛横移时间4～5 s，各位置定位响应时间0.1～0.2 s。

1.2 改造前码垛机运行参数分析

码垛机运行时间接近15 年，运行状态已远远偏离当初设计的功能。根据码垛机横移机提升的相关PDA 记录绘制改造前码垛机一个工作循环的速度控制曲线（图1）。

图1 改造前码垛机升降及横移速度控制曲线

从图1 可以看出，码垛机的运行参数与初始设计存在较大的偏差。其中关键参数：励磁时间3 s，横移速度为0.3 m/s 左右，放磁时间为6 s，各位置的定位响应时间为1～1.5 s。其中在下降吸钢过程中还多了一个等待位置耗时1.5 s 左右。

2 改造方案及实施

2.1 码垛机横移位移检测手段的改造

原码垛机横移位移的检测靠电机转轴上的旋转编码器来进行，由于检测精度要求较高，此种检测方式容易将机械传动上的间隙引入检测值，由于机械传动上的间隙是一个随时变化和无法控制的量，因此会将一个不稳定的误差累计到被检测的位移量上，造成码垛机横移位置定位不准。为了能够直接测出码垛横移机的实际位移量，改用激光测距仪对实际位移量进行直接检测。

在码垛横移机上加装反射挡板，将激光测距仪安装在码垛横移机行程尽头的台架上并进行固定。这样激光测距仪检测的距离的变化就能直接反映码垛横移机位移的变化，且精度提高到1 mm 内。满足了码垛横移机的定位要求。

2.2 码垛横移机速度控制及定位功能程序优化

目前津西码垛机的横移时间为9 s，而实际横移时间需要14 s，说明码垛横移机的速度控制及定位功能的程序上存在问题。通过对码垛机横移波形的分析，发现码垛机横移的速度达不到给定的最大值便开始减速。减速运行时间过长。通过对定位控制程序的解读发现造成这一现象的直接原因是定位程序中自动换算的定位减速点过于靠前，使码垛机提前减速。

码垛机减速点位置=码垛终点位置-减速区间位移。码垛减速区间位移=0.5×a×t2=0.5×a×（V/a）2=V2/2a，其中a 为定位减速度，由此可见减速点位置只与定位减速度有关，其数值设置越小减速点越靠前。经过参数对照发现定位减速度设置为0.02，明显过小，将其修改为0.15，这样横移速度便能达到给定的最大速度，横移时间大大缩短。

2.3 码垛顺控程序优化

在码垛机下降吸钢的过程中，原设计有一对吸钢位有无钢的判断，这个判断是在码垛机下降停止后进行的，这样无论下面有没有户钢码垛机下降到判断位置都会停止等待然后再下降吸钢，造成了不必要的浪费。通过程序修改将判断位置改在横移时进行判断，取消了下降的等待时间，去除了不必要的浪费。

在码垛机下降吸钢过程中，在励磁位置高度误差＜100 mm时触发励磁命令，同时码垛机继续下降至励磁高度，节省建立励磁的时间。

码垛机吸钢完毕上升时，在高位到位误差＜100 mm 时触发平移命令，同时码垛机在平移过程中继续上升至高位，节省平移时间。

2.4 码垛励磁系统控制程序解读

由于码垛励磁系统控制程序编制的过于复杂，在程序的解读上存在很大的难度，但从码垛区域的波形记录分析，码垛的励磁时间及放磁时间似乎都被固化为3 s 和6 s，这明显是不合理的。要想这一问题能得到印证和解决就必须要对码垛励磁系统的控制程序进行解读。

通过对程序的解读发现，原程序设计的励磁时间与放磁时间都是基于计时器的时间固化。励磁时间被固化为3 s，放磁时间被固化为DB1.DBW80 里的时间为6 s，电流的实际值没有引入控制程序参与程序的控制。而从励磁系统的实际工作波形来看明显是不合理的。

2.5 新控制程序的编制

码垛电磁系统需要的是磁力，而磁力在正常工况下只与通过吸盘中的电流大小有关系，因此码垛励磁系统的励磁时间与放磁时间都应该根据电流的实际变化来进行确定。

在对码垛工艺流程进行了充分的了解，并对原控制程序的工艺流程进行了详细解读的前提下，颠覆了原有的控制功能，设计新的控制程序。将励磁电流作为被控变量引入控制程序，参与控制程序的条件判断。在励磁电流实际值达到给定电流的80%时，励磁控制程序给出励磁OK 的反馈信号，使励磁等待时间大大缩短。根据1，2，3 区励磁电流大小的不同，励磁时间分别由3 s 缩短至1.2 s、1.3 s、2 s。在对电磁系统的结构进行了充分的预估分析后，对放磁过程进行了优化。对原设计的放磁过程进行拆分控制，使整个放磁时间急剧缩短。目前码垛1 区与码垛2区放磁时间由原来的6 s 缩短到目前的1.3 s 和1.5 s 以内，码垛3 区由6 s 缩短到2.5 s。

同时增加励磁挡位控制功能，以满磁的70%为基数，每一挡增加5%的满磁磁力进行7 挡磁力选择，即1～7 挡磁力分别为满磁磁力的70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%。现场操作人员可以根据产品规格选择合适的挡位以满足工艺要求，基本能够做到以励磁系统运行于最小可靠工作电流。上文所提到节省的时间都是在满磁工作下节省的时间，如果磁力挡位下调，节省的时间会更多。

3 结语

经过对码垛节奏优化后，码垛一个工作循环从58 s 降低到36 s，节奏提升30%以上，经过3 个区的联合试用，运行效果良好，码垛的生产节奏得到了大幅提高，码垛作为某些产品规格产能瓶颈的问题得到解决。