一種軋機主軸定位方法的研究與應用

王 博

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司厚板廠,廣東 湛江 524072)

寶鋼湛江鋼鐵厚板廠采用雙機架4 200 mm軋機,軋機主要由機架、軋輥、傳動軸及主電動機組成,粗、精軋機各有上下輥兩臺主電動機,主電動機控制系統(tǒng)采用西門子SL150全數字矢量控制大功率交—交變頻交流調速系統(tǒng)[1],可以實現(xiàn)對電動機速度的精確控制。由于生產需求,精軋機平均每天換輥一次,粗軋平均每周換輥一次。為了提高換輥效率,軋機每次換輥前需要將軋機的主軸停到指定位置,使扁頭套的方向與備輥的軸頭方向保持一致,因此,軋機主軸定位功能顯得尤為重要。本文結合現(xiàn)場實際應用情況,介紹了一種通過主軸接近開關實現(xiàn)主軸定位的方法,并針對實際應用過程中遇到的問題,提出了相應的改進措施。

1 主軸定位原理

軋機工作輥與主軸通過扁頭套連接[2],如圖1所示。工作輥扁頭與扁頭套是插入式連接,在更換工作輥的裝輥過程中,工作輥的扁頭必須與主軸軸頭角度一致,才能將工作輥扁頭順利插入主軸軸套中。一般來說,工作輥在備輥時已經將角度固定好,扁頭位置基本在垂直或者水平位置。因此,要實現(xiàn)標準化操作(抽輥、備輥和裝輥),每次換輥前,主軸的停機位置都應該是同一位置,便于裝入新的工作輥。

圖1 工作輥與扁頭套示意圖Fig.1 Schematic diagram of work roll and flat head cover

軋機主電動機主軸停機位置由特定的程序控制[3],在主軸定位邏輯中,每次換輥前都要進行主軸定位,將主軸停在特定的位置,以滿足換輥需求,具體實現(xiàn)方法如下。

主軸定位功能激活時需要滿足三個條件:一是主軸定位功能激活命令,該命令一般在換輥前由生產操作人員激活;二是主電動機運行速度不大于換輥時的設定速度,一般設置定位速度為額定速度的5%;三是需要檢測到主軸位置的接近開關信號。當三者條件均滿足時,主電動機開始執(zhí)行定位功能,整個定位過程有時間的限制,超過設定時間(15 s)會導致系統(tǒng)定位超時報警。

主軸開始定位時,主電動機在低速爬行過程中檢測到主軸的位置接近開關信號后,系統(tǒng)會計算出當前主軸的實際位置,并發(fā)出減速停機的命令,由速度控制器控制主電動機以一定的斜坡進行停機,停機過程中主軸旋轉一定的角度后停在換輥位置(該角度在程序中可人工修改),原理如圖2所示。在此過程中,主電動機控制系統(tǒng)會計算出主軸的實際位置和設定位置的偏差,當偏差小于2°時,系統(tǒng)判斷主軸已經停在設定位置,此時主電動機給定速度為零,并發(fā)出定位成功信號,定位結束。

圖2 主軸定位功能原理圖Fig.2 Principle diagram of spindle positioning function

定位過程中主軸轉過的角度可以在程序中設定,即從檢測到主軸定位接近開關信號到電動機停機時轉過的角度,該角度在第一次投入使用時需要人工調試設定,角度的調整有一定的限制,角度過小會導致電動機定位時速度運行不穩(wěn),角度過大會定位超時導致定位失敗。該角度一旦確定,除非更換主軸或者調整接近開關位置,否則一般不需要調整,即使需要調整,也是僅根據主軸實際停機位置調試出新的定位角度即可。

2 主軸定位常見問題

2.1 自動換輥主軸定位成功信號消失

在軋機自動換輥過程中,主軸定位成功信號是自動換輥的一個條件,在自動換輥過程中要保持該信號一直存在,但是在實際應用中,在完成主軸定位后,程序進入自動換輥模式時,主軸定位成功信號經常丟失,導致不滿足自動換輥條件而不能繼續(xù)自動換輥,需要手動完成換輥,嚴重影響換輥時間。通過對主軸定位信號和電動機實際位置的監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)主軸定位信號丟失均發(fā)生在抽輥這一過程,觀察此時的電動機速度波形發(fā)現(xiàn),在抽輥過程中電動機實際速度在零位存在抖動現(xiàn)象,而電動機的給定速度和實際電流為零,現(xiàn)場檢查編碼器也無松動現(xiàn)象,經確認是在抽輥過程中,主軸受外力有輕微晃動的情況,影響轉子實際位置與設定位置偏差大于2°,導致定位完成信號消失。

2.2 主軸定位接近開關維護困難

主軸定位接近開關的作用是在換輥時檢測主軸的實際位置,根據檢測到的實際位置開始計算主軸的旋轉角度,接近開關原設計安裝在軋機側的主軸水平平衡支架上,支架的位置較高且水汽大,主軸上的潤滑油也會甩到接近開關上,會影響接近開關的使用壽命,并且每次更換主軸時都要重新焊接擋塊,維護量較大,曾多次發(fā)生在生產過程中主軸接近開關被撞或者被油污遮擋,導致信號不穩(wěn)定,不能滿足主軸定位需求。

2.3 主軸定位后停機速度不穩(wěn)

軋機主電動機在換輥前進行主軸定位,主電機速度由爬行速度經速度控制器控制,逐漸減小至零,完成主軸定位,但是在實際應用過程中,電動機定位時給定速度為零時,在有運行使能的情況下還會繼續(xù)在零速位置抖動(圖3),如果抖動時間過長超過定位時間限制,會導致主軸定位失敗,需要重新定位,曾因此原因導致多次重復定位,影響換輥時間。

圖3 優(yōu)化前定位速度曲線Fig.3 Positioning velocity curve before optimization

3 主軸定位常見問題解決辦法

3.1 主軸定位成功信號消失

在抽輥過程中,主軸受外力影響產生的晃動,外圍設備很難做出改進,因此,可以在主電動機定位邏輯中新增一個功能,即保持主軸定位精度為小角度,在定位完成后,自動將轉子位置偏差放大一定角度,轉子軸在抽輥過程中產生的晃動在偏差之內,定位完成信號會一直保持,既保證了定位精度,又解決了換輥信號經常丟失的問題,保證自動換輥順利進行。

3.2 主軸定位接近開關維護困難

主軸接近開關容易損壞的原因在于其工作環(huán)境惡劣,安裝位置在主軸垂直平衡支架上(圖4),只有檢修期間才能進行維護,因此,在不影響正常生產的情況下,在軋機主電動機側新增備用的光電式接近開關,將其安裝在主電動機的接手上方,電動機接手上貼有反光板,并通過備用通道將接近開關信號接到主電動機的控制系統(tǒng)。在程序中新增定位角度調整通道和主軸定位接近開關切換程序,兩組主軸定位接近開關可以在程序中進行一鍵切換,一備一用。

圖4 原主軸接近開關Fig.4 Original spindle proximity switch

3.3 主軸定位后停機速度不穩(wěn)

軋機主電動機在正常運行時,由于沖擊性負載的原因,主電機機械特性要求較高,為了滿足軋鋼時的需求,電動機速度控制器的PI調節(jié)器的比例Kp較大,Kp值大的好處是電動機響應速度很快,可以快速調節(jié)速度,但弊端是調速穩(wěn)定性較差,Kp過大容易導致速度環(huán)運行不穩(wěn)定,出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。在主軸定位過程中,速度逐漸降低至零時,由于響應速度過快,容易產生抖動現(xiàn)象。

由于軋機主電動機只有在咬鋼、拋鋼時對速度響應要求較高,在電動機換向時或停機定位過程中速度接近零時對速度響應要求不高,因此,在程序中將主電動機速度接近零時的PI調節(jié)器的Kp適當減小,由50%改為30%,增加速度控制器的穩(wěn)定性,結合現(xiàn)場實際應用效果,調整后電動機速度運行更加穩(wěn)定,基本解決了停機時的抖動問題。

4 取得效果

(1) 換輥時主軸定位完成信號丟失的問題,在新增加了程序后運行穩(wěn)定,在換輥時沒有再發(fā)生過主軸定位信號消失的情況,且在抽輥、裝輥時,主軸的實際位置并不影響換輥,新增程序可以有效避免因抽輥時主軸抖動而產生的定位信號消失現(xiàn)象。

(2) 新增主軸接近開關(圖5)和相應的程序以后,在1組接近開關發(fā)生故障后可以用較短的時間將備用接近開關投入使用,基本不影響正常的換輥時間,且新增加的接近開關位于電動機側,工作環(huán)境較好,便于日常維護。

圖5 新增主軸接近開關Fig.5 Added spindle proximity switch

(3) 主軸定位時速度控制器的比例Kp參數優(yōu)化后,電動機在接近零速時運行更加穩(wěn)定。從定位時速度曲線可以看出,在換輥時進行主軸定位時,給定速度為零后,電動機抖動問題基本解決(圖6),減少了換輥定位失敗的發(fā)生。

圖6 優(yōu)化后定位速度曲線Fig.6 Positioning velocity curve after optimization

5 結語

電動機主軸定位功能在每個軋鋼廠都有所應用,雖然不直接參與主電動機軋鋼過程中的控制,但是保證主軸定位功能的穩(wěn)定運行對提升換輥速度起著很重要的作用,在這個分秒必爭的時刻,也是提升生產效率的一個措施。主軸定位功能是一項成熟的技術,但是在實際應用過程中,由于不同的工作環(huán)境和不同的負載,對主軸定位功能都會存在一些影響,本文結合厚板廠粗、精軋主電動機主軸定位功能的實際應用,對其原理進行了介紹,同時對應用過程中遇到問題的分析和處理辦法介紹,在硬件和軟件方面逐步完善了主軸定位功能,希望通過對主軸定位功能和常見問題的介紹,可以增強設備維護人員對主電動機控制系統(tǒng)的了解。