摘要：RH頂槍脫碳、加熱主要應用于RH真空精煉爐冶煉超低碳鋼、合金鋼。在冶煉過程中，頂槍的位置對于冶煉效果有著重要的意義。本文分析經典固定減速點控制頂槍位置的不足，提出根據設定位置、頂吹氧槍實際位置進行自適應控制。減少了頂吹氧槍的運行時間，提高了位置控制精度，延長頂槍電機以及變頻器的使用壽命。這種控制方式和思想在其他連續位置控制也有一定借鑒意義。

關鍵詞：絕對值編碼器RHMFB頂槍精確定位

（AutomationDept.2ofWISDRIEngineering&ResearchIncorporationLimited,Wuhan,430223)

Abtract:Thedecarburization,heatingeffectofRHlanceismainlyusedinRHvacuumrefiningofultralowcarbonsteel,alloysteel.Intheprocessofsmelting,thepositionofRHlanceisveryimportantforsmeltingeffect.ThisarticleanalysisinsufficientoftheMFBlanceclassicalpositioncontrolwithfixedreduction,openoutanadaptivecontrolmethodaccordingtothesetposition,actualpositionofMFBlance.Therunningtimeisreduced,thepositioncontrolaccuracyisimproved,theservicelifeofthemotorandconverterisprolonged.Thecontrolmethodalsohascertainreferencesignificanceinothercontinuouspositioncontrol.

Keyword:AbsolutetypeencoderRHMFBlanceExactpositioncontrol

前言

1959年西德魯爾鋼公司（Ruhrstahl）和海羅爾斯（Heraeus）共同開發了RH工藝，隨著RH工藝的不斷完善和發展，在原有的脫氫功能基礎上又開發了吹氧脫碳、加鋁升溫、噴粉脫硫脫磷以及合金成分控制等功能[1]。

在RH真空精煉過程中，RH頂槍的真空吹氧脫碳、在線烘烤功能變得越來越重要。利用真空吹氧脫碳可以提高轉爐作業效率、提高氧收得率、減少脫氧鋁耗等；利用在線烘烤可以提高真空室的溫度、提高真空室的使用壽命、減少真空室結瘤等[2]。RH頂槍的槍位對提高真空吹氧脫碳的氧收得率、避免槍口粘渣、真空室均勻升溫有重要意義。在RH頂槍運行中，其位置是通過絕對值編碼器測量值來確定的，連續的絕對值編碼器測量值均對應一個頂槍的位置。RH頂槍運行過程中需要停在多個位置進行工藝處理，既有固定停止點也有可變停止區，本文分析頂槍原使用的固定限位控制方案的不足以及提出新的自適應式控制方案。

1控制系統構成

整個系統由西門子S7-400控制器以及相應的IO模塊、變頻器、電機以及減速機、絕對值編碼器、卷筒、傳動鏈條、小車和頂槍組成，如圖1所示：

由控制器采集絕對值測量信號轉換為頂槍的位置信號，設定頂槍的目標位置，由變頻器帶動電機作高低速運動經過減速機傳動鏈條帶動小車以及頂槍上下運動，高速運動使頂槍快速到達目標位置附近，低速運動使頂槍停位精確。

圖1控制系統組成

2位置停止點介紹

頂槍在整個運行過程中有五個固定位置點以及兩種不同工藝過程可變停止區。具體槍位分布以及高度見表1。

表1頂槍槍位分布

固定位置停止點分別是：（1）緊急上限位；（2）上限位；（3）內部等待位；（4）下限位；（5）緊急下限位。緊急上限位是頂槍允許提升的最高高度，此高度為頂槍運行的機械最高點，到達此高度頂槍不能再往上運行，且要求發出報警信號。上限位是頂槍正常運行中到達的最高位，在此高度頂槍已完全提出真空室，可完成頂槍旋轉換槍的各種操作。內部待吹點是頂槍完成各個工藝過程的起始點，在此高度頂槍已插入真空室內，頂槍從此位置下降完成加熱、脫碳等工藝過程。下限位是頂槍完成各個工藝過程到達的最低位。緊急下限位是頂槍允許下降的最低高度，此高度為頂槍運行的機械最低點，到達此高度頂槍不能再向下運行，且要求發出報警信號。

兩種不同工藝過程可變停止區分別是：（1）吹氧脫碳停止區；（2）加熱升溫停止區。吹氧脫碳停止區是工藝要求的完成鋼水吹氧脫碳過程時頂槍的最佳停止點，此高度與吹氧速率，真空室內的真空度等條件有關。加熱升溫停止區是工藝要求的完成鋼水升溫、真空室在線烘烤、真空室熘渣過程時頂槍的最佳停止點，要求完成的工藝過程不同，其停止位置也不同。

3控制方案

3.1固定限位式控制方案(原控制方式)

利用固定的減速限位、停止限位，當頂槍碰到減速限位時，給出低速指令，變頻器轉換為低速運行，頂槍低速；當頂槍碰到停止限位時，給出停止指令，頂槍停止[3]。

以表1中頂槍槍位分布為例，把減速限位安裝于15000mm的位置。

在頂槍開始各工藝過程時，頂槍由內部等待位h0向下運行，經過安裝于15000mm點的減速限位后減速，到達設定值hs時停止；在頂槍完成各工藝過程后，頂槍由低位向內部等待位h0運行，經過安裝于15000mm點的減速限位后減速，到達設定點hs（即內部待吹點h0）時停止。

由于頂槍為位能負載，所以從發出停止命令到完全停止有一段慣性距離，當慣性距離超過一定限度時，比如|h－hs|>50mm（由控制程序設定），控制器發出上升或者下降指令，對頂槍位置進行微調，直到滿足|h－hs|<50mm為止。（h為頂槍實際停止位置）

其位置和速度圖如圖2所示：

圖2原控制方式位置和速度圖

分析此種控制方式，頂槍在運行中的高速區間只有一個固定變速點，頂槍在經過變速點之后就一直處于低速運行狀態，影響頂槍的運行時間；在到達目標位置后發出停止命令，由于慣性，頂槍會繼續運行一段距離，在超過設定值時，頂槍會微調，從而導致頂槍變頻器在很短時間內正反轉轉換，易導致變頻器、變頻電機瞬時電流過大，影響其使用壽命。

3.2自適應式控制方案（優化后控制方式）

由于頂槍在上升或下降運行中，由于高速和低速運行的頻率一定，在運行過程中頂槍的整機質量一定，由此可以推斷頂槍由高速轉為低速走過的行程即減速行程一定，由低速到停止走過的行程即停止行程也一定。在實際測量時，頂槍單向運行時的減速行程和停止行程基本不變。只是由于是位能負載，在上升和下降過程減速行程和停止行程不一樣。為了論述方便，我們假設減速行程和停止行程是一個定值。

開始論證前，我們先對以下幾個參數和幾個點作出定義：

hfs由高速轉低速走過的行程即減速行程

hss由低速到停止走過的行程即停止行程

hs0以低速走過的行程

hsp頂槍的設定點高度

hp0頂槍的初始點高度

A點低速命令給出點

B點停止命令給出點

C點完全低速運行點

當頂槍開始工藝過程或者需要調整位置時，給頂槍一個目標設定點hsp。比較hsp與hp0，如果hsp>hp0則頂槍上升；如果hsp

1)當hfs＋hs0＋hss<|hp0-hsp|時，即目標設定點與初始點距離大于(hfs＋hs0＋hss)時，控制器開始給出快速指令；當到達A位置時控制器發出低速指令，由快速轉低速運行；當到達B位置時控制器發出停止指令，由低速停止。為了論述方便，我們引入C點，C點為頂槍已經完全達到低速的點。要保證速度最快到達工藝點，則要求A位置盡量離hsp近，即高速區間盡量長；要停位精確，則要求B點與hsp的距離等于停車距離hss；要滿足每次停車距離hss一定，則要求每次頂槍低速穩定后控制器再發出停止命令，這也是我們引入C點以及要求頂槍低速走過一定距離hs0的原因。

要實現精確停位，要求：

A點位置：hsp＋hfs＋hs0＋hss（下降時）

hsp－hfs－hs0－hss（上升時）

B點位置：hsp＋hss（下降時）

hsp－hss（上升時）

C點位置：hsp＋hs0＋hss（下降時）

hsp－hs0－hss（上升時）

2)當hfs＋hs0＋hss>|hp0-hsp|>hss時，即目標設定點與初始點距離小于hfs＋hs0＋hss且大于hss時，控制器開始給出低速信號，頂槍低速運行；當到達B位置時控制器發出停止指令，由低速停止。要求：

B點位置：hsp＋hss（下降時）

hsp－hss（上升時）

3)當hss>|hp0-hsp|時，即目標設定點與初始點距離小于hss時，控制器開始給出低速信號，頂槍低速運行；當運行2s控制器發出停止指令，由低速停止。

優化后的位置和速度圖如圖3所示：

圖3優化后控制方式位置和速度圖

分析此種控制方式，有如下優點：1)頂槍運行快：當頂槍運行時，頂槍大部分時間處于高速運行狀態，與原控制方式相比，減少了頂槍到達目標位置的時間；2)停位精度準：每次頂槍停止時，均由低速提前停止，停位精度能保證誤差<10mm；3)避免頂槍電機變頻器往返運行，保護電機和變頻器；4)不論固定點，還是可變點，均可以通過此種控制方式完成精確定位。

4結束語

本控制方式完全依靠絕對值編碼器信號對頂槍位置進行判斷，控制器讀取絕對值編碼器信號，在控制程序里把絕對值編碼器信號轉換為頂槍的實際高度，要對絕對值編碼器的測量數據進行分析，判斷其數據是否有效、準確，這些內容不是本文重點，不在此展開論述。

在實際運行過程中，優化后的自適應控制方式比原固定減速點式控制方式在到達目標位置的時間上和定位準確性上有明顯優勢，在整個區間運行時，運行時間縮短15s，定位精度由原系統的50mm縮小到10mm，且頂槍不會出現短時間內調整狀況。

本控制方式也可以運用于一些帶連續位置測量的運動設備定位，如帶編碼器的轉爐氧槍、付槍定位，帶紅外或激光測距的地面車輛的定位。

參考文獻：

[1]仵宗賢，孟凡亮.RH精煉爐工藝裝備進展[J].現代冶金,2009,37(4).

[2]李大明,張文輝,林立平,等.RH頂吹氧技術在武鋼第二煉鋼廠的應用[J].煉鋼,2007,23(6).

[3]宋德福.攀鋼方坯RH頂槍控制系統[J].冶金自動化,2005(4):44-47.