CN107900296B - 伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统，包括上位机监控系统、n流连铸结晶器非正弦振动控制系统，每一流连铸结晶器非正弦振动控制系统包括运动控制器、伺服驱动器、伺服电机、减速器、驱动机构及连铸结晶器振动台、连铸结晶器、位移传感器等。每一流连铸结晶器非正弦振动由一个运动控制器单独控制，上位机监控系统实时监控所有流连铸结晶器非正弦振动情况，当其中一流的运动控制器出现故障时，监控系统发出报警，但不影响其它连铸流正常工作。本发明与基于高性能可编程控制器的集中控制系统相比，可避免因可编程控制器故障而影响所有连铸流生产的情况，提高了系统的安全性和可靠性，且具有成本低、结构简化等优点。

Description

伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统

技术领域

本发明属于连续铸造领域，具体涉及一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统。

背景技术

连铸结晶器非正弦振动对提高拉坯速度、改善铸坯质量等具有明显效果，已被国内外连铸工作者确认为发展高效连铸的关键技术之一。

目前，在工业中应用的连铸结晶器非正弦振动装置主要分为液压驱动、机械驱动、伺服电动缸驱动三种方式，以及一种较先进的伺服电机驱动方式。国内外主要采用电液伺服驱动方式，但是存在伺服油缸易出现漏油、伺服阀存在零飘等缺点，并且系统复杂、投资大、维护困难。国内还开发了几种机械驱动(如普通交流电机通过椭圆齿轮驱动)的非正弦振动装置，但是具有传动系统复杂、占用空间大、控制精度低等缺点。另外，还有伺服电动缸驱动的非正弦振动装置，存在伺服电机频繁的正反转，四个伺服缸同步控制困难等不足。

伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动发生装置克服了上述驱动装置的不足，其通过控制伺服电机单方向、变角速度连续转动，并经过减速器、偏心轴、连杆机构及连铸结晶器振动台，实现连铸结晶器非正弦振动，具有传动系统简化、结构紧凑，承载能力大，便于维护、节能降耗等优点。该装置可实现原来电液伺服驱动的连铸结晶器非正弦振动装置的几乎全部功能，如非正弦或正弦波形的在线给定和切换，频率、波形偏斜率随拉坯速度变化的在线自动调节。

但是，现有的伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动控制系统通常是一个集中控制系统，其采用一个高性能、价格较贵的可编程控制器作为控制核心，控制多流连铸结晶器实现非正弦振动，若高性能可编程控制器中某一模块出现故障，将导致所有连铸流停止工作，因此，整个集中控制系统存在一定的安全风险。例如：2016年《冶金自动化》杂志第40卷第6期P12-18刊登了“伺服电动机驱动的连铸结晶器非正弦振动控制系统”一文，文章公开了一个高性能PLC+FM458控制系统通过控制8个S120，进而控制8个伺服电机驱动8流连铸结晶器实现非正弦振动，PLC+FM458控制系统中某一模块一旦出现故障，将影响所有流的连铸生产；并且，此系统的控制部分包括PLC+FM458和驱动控制S120中的伺服控制器CU320三个部分，其中S7-400PLC+FM458价格较贵。因此，此集中控制系统虽然具有控制精度高、响应速度快和稳定性好的优点，但存在一定的安全风险、以及成本较高、结构较复杂的不足。

发明内容

针对现有的伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集中控制系统存在的不足，本发明提供一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统。

本发明所采取的技术方案如下：

一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统，包括上位计算机监控系统、n流连铸结晶器非正弦振动控制系统，上位计算机监控系统与n流连铸结晶器非正弦振动控制系统通过工业以太网相连，构成整个集散控制系统，对所有流的连铸结晶器非正弦振动情况进行实时监控，每一流连铸结晶器非正弦振动控制系统均包括运动控制器、伺服驱动器、伺服电机、减速器、驱动机构及连铸结晶器振动台、连铸结晶器、检测连铸结晶器振动位移的位移传感器、传感器接口模块、拉坯速度扩展输入系统；其中，上位计算机监控系统与n流连铸结晶器非正弦振动系统的运动控制器通过工业以太网相连，运动控制器的输出控制端与伺服驱动器的输入控制端相连，伺服驱动器的输出端接到伺服电机的电源输入端，伺服电机的内部编码器与运动控制器的输入端相连，位移传感器通过传感器接口模块将连铸结晶器振动位移反馈到运动控制器，每一连铸流的实际拉坯速度通过拉坯速度扩展输入系统与运动控制器相连；各流连铸结晶器的非正弦振动由各自的运动控制器单独控制，各连铸流之间相互独立、互不干扰；每一流的运动控制器根据采集的拉坯速度，计算不同拉坯速度对应的连铸结晶器振动频率、波形偏斜率参数，得到连铸结晶器非正弦振动曲线对应的伺服电机期望转速值，并通过伺服驱动器控制伺服电机按期望转速运行，进而驱动连铸结晶器实现非正弦振动。

优选的，所述的运动控制器为西门子Simotion运动控制器、德国KEB运动控制器、ABB运动控制器、三菱运动控制器、施耐德运动控制器、罗克韦尔运动控制器、贝加莱运动控制器、台达运动控制器中的任意一种，并且其为伺服电机运动控制器。

优选的，所述拉坯速度扩展输入系统包括电源模块、通讯模块、模拟量输入模块，各模块之间通过背板总线通讯，每一连铸流的实际拉坯速度信号通过模拟量输入模块采集，经通讯模块以及现场总线传送给运动控制器。

优选的，所述的n取值范围为1～8，n为整数。

进一步的，所述驱动机构为直接驱动机构或者间接驱动机构。

优选的，所述间接驱动机构包括偏心轴5、连杆机构6、振动臂10，伺服电机1通过减速器3、偏心轴5、连杆机构6、振动臂10间接驱动连铸结晶器振动台7及其上的连铸结晶器8实现非正弦振动(见图3、图4)。

优选的，所述直接驱动机构为偏心轴5、连杆机构6，即无上述间接驱动机构中所述的振动臂，伺服电机1通过减速器3、偏心轴5、连杆机构6直接驱动连铸结晶器振动台7及其上的连铸结晶器8；或者伺服电机通过滚珠丝杠、蜗轮蜗杆、齿轮齿条等机构直接驱动连铸结晶器。

更进一步的，当伺服电机1采用力矩电机驱动连铸结晶器振动负载时，此时可以省掉减速器3。

优选的，连铸结晶器的非正弦振动波形，可以采用式(1)所示的德马克非正弦振动波形函数、或者式(2)所示的李宪奎非正弦振动波形函数等。

S₁(t)＝hsin(ωt-Asin(ωt))(1)

其中，式(1)是德马克公司开发的德马克非正弦振动位移波形函数，式(2)是李宪奎教授提出的李宪奎非正弦振动位移波形函数，在结晶器一个振动周期内，对应的结晶器振动位移曲线分别如图6、图7所示；对应连铸结晶器非正弦振动期望的速度给定波形函数分别为：

V₁(t)＝hω(1-Acos(ωt))cos(ωt-Asin(ωt))(3)

式(1)-(2)中：ω＝2πf/60为偏心轴角速度，为中间参数，h为结晶器非正弦振动的振幅(单位mm，h的取值范围一般为0～8mm)；

其中：f为结晶器非正弦振动的频率(单位次/分钟，f的取值范围一般为0～300，可以根据实际拉坯速度在线调节)，计算公式为f＝aV_L+b，其中a、b为工艺参数，V_L(m/min)为拉坯速度；α为波形偏斜率，其取值范围为-0.4～+0.4，当α＝0时结晶器振动位移曲线为正弦振动曲线；在结晶器一个振动周期内，对应的结晶器振动速度曲线分别如图8、图9所示。

上述两种连铸结晶器非正弦振动位移、速度波形对应的伺服电机期望的转速曲线规律分别为：

式中：i为减速器的减速比，在结晶器一个振动周期内，对应的伺服电机转速曲线分别如图10、图11所示。间接驱动时伺服电机的转速方向与直接驱动时伺服电机的转速方向相反，分别为：

对应的伺服电机转速曲线分别如图12、图13所示。每一连铸流对应的运动控制器都包含上述伺服电机转速的数学模型的计算，以及连铸结晶器非正弦振动期望的位移(或速度)数学模型的实现。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统与现有的基于高性能可编程控制器的集中控制系统相比，由于采用多个运动控制器替代原高性能可编程控制器及多个伺服控制器，每一个运动控制器单独控制每一流的连铸结晶器非正弦振动，各流之间相互独立、互不干扰，因此，可有效避免高性能可编程控制器因其中某一模块出现故障而影响所有连铸流生产的情况，提高了系统的安全性和可靠性，且具有成本低、结构简化、调试方便的优点；每一连铸流的运动控制器通过采集现场的实际拉坯速度，当拉坯速度变化时，通过改变伺服电机给定转速，实现结晶器非正弦振动波形的频率和波形偏斜率随拉坯速度变化而自动调整，可保证铸坯高速、高质量生产；上位计算机监控系统能够实时监控所有流连铸结晶器非正弦振动情况，当其中一流的控制系统出现故障时，监控系统会发出报警，并且不会影响其它连铸流的正常工作。本伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统将有利于大范围推广应用。

附图说明

图1是伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统总体结构图，

图2是本发明中每一连铸流的拉坯速度、扩展输入系统、运动控制器的连接关系图，

图3是本发明中每一连铸流的伺服电机、减速器、偏心轴、连杆机构的连接关系图，

图4是本发明间接驱动机构中，偏心轴、连杆机构、振动臂、连铸结晶器振动台及其上的连铸结晶器的连接关系图，

图5是本发明直接驱动机构中，偏心轴、连杆机构、连铸结晶器振动台及其上的连铸结晶器的连接关系图，

图6在结晶器一个振动周期内，期望的德马克非正弦振动位移S₁曲线，

图7在结晶器一个振动周期内，期望的李宪奎非正弦振动位移S₂曲线，

图8在结晶器一个振动周期内，对应德马克非正弦振动位移S₁时期望的结晶器振动速度V₁曲线，

图9在结晶器一个振动周期内，对应李宪奎非正弦振动位移S₁时期望的结晶器振动速度V₂曲线，

图10在结晶器一个振动周期内，对应德马克非正弦振动位移S₁时期望的伺服电机转速n₁曲线，

图11在结晶器一个振动周期内，对应李宪奎非正弦振动位移S₁时期望的伺服电机转速n₂曲线，

图12在结晶器一个振动周期内，间接驱动时对应德马克非正弦振动位移S₁时期望的伺服电机转速n₃曲线，

图13在结晶器一个振动周期内，间接驱动时对应李宪奎非正弦振动位移S₁时期望的伺服电机转速n₄曲线，

其中在图3、图4、图5中，1.伺服电机，2.联轴器，3.减速器，4.联轴器，5.偏心轴，6.连杆机构，7.连铸结晶器振动台，8.连铸结晶器，9.缓冲弹簧，10.振动臂，11导向机构。

具体实施方式

实施例：

某钢厂全弧形小方坯连铸机结晶器，浇铸150*150铸坯，通过上位计算机监控系统可以选择连铸结晶器非正弦振动波形的类型，结晶器非正弦振动所采用的期望位移波形可选用德马克非正弦振动波形或者李宪奎非正弦振动波形中的一种。此实施例中，连铸结晶器非正弦振动振幅h＝4mm，波形偏斜率α＝0.2，减速比i＝5，工艺参数a＝43.67,b＝36.33，拉坯速度V_L＝2.4m/min，通过计算可得振动频率f＝141.14，参数A＝0.33，E＝0.158。

上述全弧形小方坯连铸机采用本发明伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统，如图1所示，其包括上位计算机监控系统、n流连铸结晶器非正弦振动控制系统；每一流连铸结晶器振动控制系统包括运动控制器、伺服驱动器、伺服电机、减速器、驱动机构及连铸结晶器振动台、连铸结晶器、检测连铸结晶器振动位移的位移传感器、传感器接口模块、拉坯速度扩展输入系统；在此实施例中，采用间接驱动机构(如图3、图4所示)，当然，也可以采用直接驱动机构(如图5所示)，且n为8，即8流连铸。运动控制器采用西门子Simotion D425运动控制器，上位计算机监控系统采用Wincc监控系统；伺服电机采用西门子1FT7108-5SC71高性能永磁同步伺服电机，额定转速n_N＝2000r/min，额定功率P＝15.3KW；位移传感器采用美国MTS公司数字式位移传感器，分辨率为0.001mm。传感器接口模块采用西门子外部编码器接口模块；扩展输入系统采用西门子ET200分布式输入系统。

本发明中每一连铸流的拉坯速度、拉坯速度扩展输入系统、运动控制器的连接关系图如图2所示，西门子ET200分布式输入系统包括电源模块、通讯模块、模拟量输入模块，各模块之间通过背板总线通讯。拉坯速度与ET200分布式输入系统的模拟量输入模块输入端相连，ET200分布式输入系统的通讯模块与Simotion D425运动控制器通过Profibus DP现场总线相连。Simotion D425运动控制器通过ET200分布式输入系统的模拟量输入模块采集现场拉坯速度V_L，当拉坯速度V_L发生变化时，通过计算结晶器振动频率f(计算公式：f＝aV_L+b)，切换伺服电机给定转速，实现结晶器振动f随拉坯速度V_L变化而自动调整。

本发明每一连铸流中，伺服电机1、减速器3、偏心轴5、连杆机构6、振动臂10及连铸结晶器振动台7、连铸结晶器8的连接关系图如图3、图4所示，采用间接驱动结构。伺服电机按照期望转速波形规律运行，通过驱动减速器3带动偏心轴5、连杆机构6使振动臂10振动，进而驱动连铸结晶器振动台7实现连铸结晶器8非正弦振动。图5所示是没有振动臂10的直接驱动机构，驱动原理与间接驱动机构相似，只是伺服电机转向相反。当然，如果伺服电机1采用转矩力矩电机时，此时可以去掉减速器3。

伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统总体结构图如图1所示，上位计算机监控系统(Wincc监控系统)通过工业以太网与8流控制系统中的Simotion D425运动控制器相连，采用OPC通讯进行数据通讯；每一连铸流的Simotion D425运动控制器的输出控制端与西门子伺服驱动器的输入控制端相连，西门子伺服驱动器的输出端接到伺服电机的电源输入端，伺服电机内部编码器与Simotion D425运动控制器的输入端相连，MTS位移传感器通过传感器接口模块将结晶器振动位移反馈到Simotion D425运动控制器，通过ET200分布式输入系统的模拟量输入模块采集实际拉坯速度V_L，并计算不同拉坯速度V_L对应的结晶器振动频率f，得到连铸结晶器非正弦振动曲线对应的伺服电机期望转速值如式(7)或式(8)/>(在结晶器一个振动周期内，对应的伺服电机转速曲线如图12、图13所示)，实现连铸结晶器的非正弦振动，连铸结晶器期望的非正弦振动位移如式(1)S₁(t)＝hsin(ωt-Asin(ωt))或式(2)(在结晶器一个振动周期内，对应的结晶器振动位移曲线分别如图6、图7所示)，对应的连铸结晶器非正弦振动速度如式(3)V(t)＝hω(1-Acos(ωt))cos(ωt-Asin(ωt))或式(4)/>(在结晶器一个振动周期内，对应的结晶器振动速度曲线分别如图8、图9所示)。上位计算机监控系统(Wincc监控系统)对所有流连铸结晶器非正弦振动进行实时监控。Simotion D425运动控制器能单独控制对应流的连铸结晶器实现非正弦振动，当检测到其中一连铸流的运动控制器出现故障时，Wincc监控系统会发出报警，提示工作人员进行检修，并且不会影响其他连铸流的正常工作。/>

Claims (6)

1.一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统，包括上位计算机监控系统、n流连铸结晶器非正弦振动控制系统，上位计算机监控系统与n流连铸结晶器非正弦振动控制系统通过工业以太网相连，构成整个集散控制系统，对所有流的连铸结晶器非正弦振动情况进行实时监控，其特征在于：每一流连铸结晶器非正弦振动控制系统均包括运动控制器、伺服驱动器、伺服电机、减速器、驱动机构及连铸结晶器振动台、连铸结晶器、检测连铸结晶器振动位移的位移传感器、传感器接口模块、拉坯速度扩展输入系统；其中，上位计算机监控系统与n流连铸结晶器非正弦振动系统的运动控制器通过工业以太网相连，运动控制器的输出控制端与伺服驱动器的输入控制端相连，伺服驱动器的输出端接到伺服电机的电源输入端，伺服电机的内部编码器与运动控制器的输入端相连，位移传感器通过传感器接口模块将连铸结晶器振动位移反馈到运动控制器，每一连铸流的实际拉坯速度通过拉坯速度扩展输入系统与运动控制器相连；各流连铸结晶器的非正弦振动由各自的运动控制器单独控制，各连铸流之间相互独立、互不干扰；每一流的运动控制器根据采集的拉坯速度，计算不同拉坯速度对应的连铸结晶器振动频率、波形偏斜率参数，得到连铸结晶器非正弦振动曲线对应的伺服电机期望转速值，并通过伺服驱动器控制伺服电机按期望转速运行，进而驱动连铸结晶器实现非正弦振动；

所述拉坯速度扩展输入系统包括模拟量输入模块，每一连铸流的实际拉坯速度信号通过模拟量输入模块采集；

所述的n取值范围为2~8，n为整数。

2.根据权利要求1所述的一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统，其特征在于：所述的运动控制器为西门子Simotion运动控制器、德国KEB运动控制器、ABB运动控制器、三菱运动控制器、施耐德运动控制器、罗克韦尔运动控制器、贝加莱运动控制器、台达运动控制器中的任意一种，并且其为伺服电机运动控制器。

3.根据权利要求1所述的一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统，其特征在于：所述驱动机构为直接驱动机构或者间接驱动机构。

4.根据权利要求3所述的一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统，其特征在于：所述间接驱动机构包括偏心轴(5)、连杆机构(6)、振动臂(10)，伺服电机(1)通过减速器(3)、偏心轴(5)、连杆机构(6)、振动臂(10)间接驱动连铸结晶器振动台(7)及其上的连铸结晶器(8)实现非正弦振动。

5.根据权利要求3所述的一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统，其特征在于：所述直接驱动机构为偏心轴(5)、连杆机构(6)，无振动臂(10)，伺服电机(1)通过减速器(3)、偏心轴(5)、连杆机构(6)直接驱动连铸结晶器振动台(7)及其上的连铸结晶器(8)；或者伺服电机通过滚珠丝杠、蜗轮蜗杆或齿轮齿条机构直接驱动连铸结晶器。

6.根据权利要求3-5任一项所述的一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统，其特征在于：当伺服电机(1)采用力矩电机驱动连铸结晶器振动负载时，此时去掉减速器(3)。