伺服驱动器在塞棒控制系统中的应用

宫慧仲，张亮亮

（承德钢铁集团有限公司，河北 承德 067000）

在钢水浇铸工序中控制钢水液面的稳定是实现连续浇铸生产的前提。生产过程中结晶器内钢水液面必须保持在相对稳定状态，否则液面波动容易出现卷渣现象和漏钢事故，严重影响铸坯质量。液面的稳定控制通常是由控制器根据钢水液位信息进行运算处理然后驱动伺服驱动器调节塞棒开关动作来实现的。在塞棒自动控制时，通常连铸机的拉速为一个固定值，控制器将实际钢水液位与设定钢水液位进行比较，高于设定值时增加塞棒的开度，低于钢水液位设定值时减少塞棒的开度。从而控制实际液位在设定液位位置，保证结晶器内钢水位置恒定。

1 塞棒控制系统的组成

1.1 液位检测系统主要由Cs-137及其仪表组成

120吨2 #连铸机采用同位素Cs-137作为放射源，其特点是信号稳定，结构简单，精度高且易维护。其工作原理是通过带闪烁体的高灵敏度传感器来接收Cs-137放射源发出的γ射线，穿过钢水的γ射线粒子数与钢水的液面成反比例。通过传感器将γ射线强度转化为PLC可接收的电信号即可连续测量结晶器内的钢水液位高度。

海能SC3000仪表的作用就是检测现场实际液面，它共有4路模拟量通道，分别是接收来自西门子300PLC的设定液位和拉速反馈信号，发送给PLC的液位实际值和拉速设定值，这4路模拟量信号都是4-20mA电流信号。

1.2 塞棒调节系统主要由伺服驱动器和电动缸组成

主要设备包括西门子300PLC一套、伺服驱动器和塞棒；伺服驱动器的作用是驱动塞棒动作，它有两路模拟量信号，分别是接收来自PLC的塞棒位置设定值和发送给PLC的塞棒位置实际值，都是±10V电压信号；这里西门子300PLC的作用主要是接收现场操作箱的开关量信号和进行塞棒位置确定的PID运算；塞棒则是执行机构，电动缸的内部电气部分是一台AKM43EEKMNR-00电机和一个编码器，机械部分是一根有效行程为120mm的丝杠。

图1 塞棒控制系统组成

2 塞棒动作的控制方式

2.1 塞棒位置的PID控制，用于主要的模型输出

塞棒控制主程序写在OB1中，塞棒设定位置分为两部分：PID调节量和塞棒标准抖动量。PID调节部分的程序写于OB35程序块中，运算完成后通过DB16.DBD38发送给DB13数据块（以1流塞棒控制程序为例），再加上运算后的标准塞棒抖动量最终以±10V的电压信号发送给伺服驱动器。具体控制框图如图2所示。

图2 塞棒控制系统示意图

2.2 简谐振动模型，用于附加的模型输出

简谐振动模型的输出值为标准塞棒抖动量，是按正弦曲线规律给定的微小调节量，数值固定，方向正负交替。其值为ASin2πft，这里的A和f都有限幅值。A为塞棒抖动振幅（画面设定）；f为抖动频率（画面设定）；t为扫描周期累加的0-60S的变动数值。

图3 实际简谐振动的PDA曲线图

3 伺服驱动器的正确使用和参数优化

伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，已经被广泛的应用于工业机器人、数控加工中心、定位控制等众多控制系统当中。120吨2#连铸机使用科尔摩根AKD-P00306伺服驱动器对电动缸进行控制，其接线方式为：

X1端子排：24V电源。

X3端子排：RB-和RB+接制动电阻；L1和L2接220V电源。

X2端子排：UVW接电机三相电源；PE接电机地线。

X8端子排：1、2通道为驱动器故障输出；3、4通道为驱动器使能信号，7、8通道为塞棒实际位置反馈；9、10通道为塞棒设定位置给定。

X10端子排：接编码器。

在此需要注意的是电机三相相序必须和接线图一致，否则会导致伺服驱动器报F503母线电容器过载故障；另外，需要确认驱动器电源电压是220V还是380V，否则容易造成伺服驱动器损坏。

在连接正常的情况下，进行伺服驱动器参数设置，整体的控制框图如图4所示，伺服驱动器接收300PLC的给定模拟量信号来控制电动缸动作，伺服驱动器动作的前提条件为控制对象必须设置正确，这里包括单位子菜单中对象机构类型需选择为导螺杆，位置单位设置为mm，引线长度为5mm等单位参数而且选择驱动电机AKM43E-EKMNR-00必须型号对应才能正常驱动电动缸。各个子菜单中的控制参数如比例增益、积分增益、加速度等需要根据电动缸实际运动情况来进行调节，反复试验才能得到所需的合理参数。

图4 伺服控制器控制方框图

4 常见问题和解决方案

4.1 工艺操作方面容易引起结晶器液位波动的情况和解决方案

（1）钢种和温度会对结晶器液位产生很大的影响。不同的钢水种类对液位控制影响程度是不同的，温度高钢水流动性好，拉速低，液位好控制；钢水温度低，铸机拉速高，钢水流动性差，液位不好控制。解决方案：控制每一种钢的工艺要求范围，严格控制上钢温度范围，规范标准化操作。

（2）调整拉速也会影响到塞棒液位控制，直接造成液面发生变化。解决方案：循序渐进微调整拉速，不要在液面稳定情况下一次大幅度的调整铸机拉速，通常需要每次调0.1m/min～0.2m/min来微调。

（3）钢水纯净度不好杂质多，在浇钢过程中会造成水口渣物堵塞，造成钢水流动性变差，从而引起结晶器液位波动。解决方案：从源头（转炉）来分级管控，提高钢水质量。

4.2 设备运行方面容易引起结晶器液位波动的情况和解决方案

（1）检测信号的标定对塞棒控制系统有很大影响，极易影响系统控制精度，造成结晶器内钢水液面波动。解决方案：一方面在换断面时做高、低标定和线性化，另一方面在使用中如更换结晶器、放射源、接收器等及时做高、低位标定，在标定过程中认真标定刻度线，避免出现人为错误。

（2）现场存在电磁干扰或液面自动控制系统设备接地不良现象，造成液位信号波动。解决方案：对连铸机的首、末端电磁搅拌进行漏磁测试，接地系统采用单端接地，即电动缸电缆、中间接线盒、柜内电缆、所有屏蔽层连通并在柜内统一接地，将仪表地和保护地分离。

（3）PID参数对系统的影响也是很大的，容易导致液面不稳定。解决方案：观察曲线的变化规律，进行PID参数的优化调整，使驱动器达到最佳输出效果。

（4）结晶器偏振，会造成液面波动大，严重可导致漏钢。解决方案：用振动测试仪检测，确保振动在合理范围内。

（5）塞棒执行机构磨损导致间隙变大，主轴的定位松动等机械连接问题也会引起液面的不稳定。解决方案：机械机构经常检查，电动缸的丝杠定期加润滑油润滑。

5 结语

塞棒控制系统可以有效的保证连铸结晶器的液面稳定，大大提高了连铸机的工作效率，提升了铸坯质量并降低了岗位操作工的劳动强度。伺服驱动器在塞棒控制系统的广泛应用一方面提升了塞棒的响应速度和控制精度，另一方面降低了设备故障率，有效的保障了连铸系统的稳定运行，提升了生产效率。