一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动的容错控制装置及方法与流程

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的容错控制装置及方法。

背景技术：

连铸结晶器是连铸生产中的关键设备，连铸结晶器非正弦振动对改善铸坯质量、提高拉坯速度具有重要作用，已被公认为发展高效连铸的关键技术之一。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。国内外普遍采用的连铸结晶器非正弦振动发生装置是由电液伺服系统驱动，其可以通过在线调整振动波形的频率、振幅和偏斜率等参数实现波形切换，但是存在伺服油缸漏油、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的非正弦振动装置，如非圆齿轮(椭圆齿轮)驱动的结晶器非正弦振动发生装置、双偏心轴迭加非正弦振动发生装置等，这类装置传动系统复杂，结晶器振动的精度较低，不能实现结晶器振动位移或速度波形的切换。另外，还有伺服电动缸驱动的非正弦振动装置，其利用伺服电机正转、停车、反转、变角速度转动，实现结晶器的非正弦振动，然而伺服电机频繁的正反转会对结晶器振动的位移、速度等的跟踪精度和响应速度产生不良影响，四个伺服缸的同步运动也难以达到较高的控制精度，进而难以实现非正弦振动位移或速度波形的快速、平稳、精确地切换。

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、偏心轴连杆机构以及结晶器振动台，实现结晶器非正弦振动，具有控制精度高，系统简化、结构紧凑，承载能力大，节能环保等优点。在结晶器位移过零点处切换伺服电机期望转速，能实现随拉坯速度变化而产生的不同振动频率、波形偏斜率的结晶器非正弦振动位移或速度波形的快速、平稳、精确地切换。

但是，位移传感器在工业现场工作在高温、潮湿、高粉尘恶劣环境下，可能会发生故障，而结晶器非正弦振动位移、速度不同波形之间平稳切换需要通过位移传感器采集的结晶器振动位移测量值以确定结晶器位移过零点的时刻，因此，位移传感器故障会造成结晶器非正弦振动位移或速度波形不能实时、平稳地切换，且不能随着拉坯速度的变化自动调整结晶器振动波形的振动频率，因此，这不仅会影响铸坯质量，而且可能造成生产异常、甚至发生漏钢等生产事故。但是，目前还没有控制装置及方法能够解决上述问题。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种实现结晶器非正弦振动位移或速度波形快速平稳切换，并且在位移传感器发生故障时也能正常工作的伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动的容错控制装置和方法。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动的容错控制装置，包括上位计算机监控系统、高性能可编程控制器、伺服控制器、驱动器、伺服电机、减速器、偏心轴连杆机构、结晶器振动台及其上的结晶器、位移传感器，其中高性能可编程控制器通过伺服控制器和驱动器控制伺服电机按照期望的结晶器非正弦振动对应的转速曲线运行，伺服电机通过减速器、偏心轴连杆机构及结晶器振动台实现结晶器非正弦振动；高性能可编程控制器通过采集拉坯速度以及通过位移传感器采集的结晶器振动位移，判断位移传感器是否正常工作，位移传感器正常工作时，根据拉坯速度的不同，在结晶器振动位移过零点处自动切换结晶器非正弦振动的频率、波形偏斜率，当检测到位移传感器发生故障时，系统自动切换到无位移传感器的容错控制模式，且随拉坯速度的不同，系统也能自动调整结晶器振动的频率；当检测到位移传感器故障消除后，切换到非正弦振动模式。

其中，位移传感器采用数字式位移传感器或者模拟量位移传感器，高性能可编程控制器包括电源模块、cpu模块、通信模块、fm458-1功能模块和exm438-1i/o扩展模块，各模块间通过背板总线通信；fm458-1功能模块系统控制的核心部分，用于伺服电机转速给定值的计算、结晶器振动位移波形的切换、结晶器振动位移闭环控制以及系统的容错控制；exm438-1i/o扩展模块，主要用于拉坯速度和结晶器振动位移的采集。

一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动的容错控制方法，包括以下步骤：

(1)伺服电机以较小的恒定转速转动，结晶器以较低频率振动并稳定运行，高性能可编程控制器通过位移传感器采集的结晶器振动位移自动确定结晶器振动的中间位置，即自动确定系统的人工零位，之后根据拉坯速度的大小自动调整结晶器非正弦振动的频率、波形偏斜率，切换伺服电机期望转速，驱动结晶器实现非正弦振动；

(2)高性能可编程控制器通过采集位移传感器检测的结晶器振动位移值，判断位移传感器是否发生故障，若未发生故障，结晶器工作于非正弦振动模式，结晶器非正弦振动位移或速度波形随拉坯速度变化而自动调整，在结晶器振动位移过零点处，实现不同振动位移或速度波形之间的实时平稳切换；若发生故障，控制系统在线切换到无位移传感器的容错控制模式，并且当拉坯速度发生变化时，自动调整正弦振动的频率以及伺服电机转速，实现结晶器不同振动位移或速度波形之间的实时平稳切换；

(3)当位移传感器故障消除时，可以切换到非正弦振动模式。

进一步，所述步骤(1)中自动确定系统的人工零位的方式为：结晶器以较低频率振动，高性能可编程控制器采集位移传感器检测的结晶器振动位移的最大值、最小值，并求其平均值，当实际位移传感器的测量值与平均值之差的绝对值小于某一个阈值ε时，即确定为结晶器振动的人工零位。其中，阈值ε取为0.002mm。

步骤(2)中判断位移传感器是否发生故障的方式是：位移传感器检测的结晶器振动位移的测量值远超出工作范围，并且，当拉坯速度发生变化时，经过3s后，结晶器实际振动频率、波形偏斜率仍未发生变化，则可判断位移传感器发生故障。

更进一步地，步骤(3)中位移传感器故障自动消除后(如位移传感器环境温度降低后故障自动消除)，则系统可切换至有位移传感器模式，切换伺服电机期望转速，使结晶器工作于非正弦振动模式。若在装置停机且位移传感器周围环境温度降低后故障仍未消除，则可对位移传感器进行检修或更换位移传感器，待故障消除后，通过重新自动确定系统的人工零位，使结晶器工作于非正弦振动模式。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明应用于连续铸造行业，能自动诊断位移传感器故障，当位移传感器未发生故障时，根据现场拉坯速度，在结晶器振动位移过零点处通过快速、平稳地切换电机转速，自动切换结晶器非正弦振动的频率、波形偏斜率，实现结晶器非正弦振动位移或速度波形的平稳切换；当发生故障时，迅速切换到无位移传感器的容错控制模式，由非正弦振动自动切换到正弦振动，且当拉坯速度发生变化时，仍然能自动调整结晶器振动频率，并通过给定积分的方式切换伺服电机转速，实现结晶器振动位移或速度波形实时、平稳切换，保证结晶器振动的平稳性和连铸的正常生产，避免由位移传感器故障造成的生产异常甚至发生漏钢等生产事故，当位移传感器故障消除之后，系统可以切换至有位移传感器模式使结晶器工作于非正弦振动模式，保证系统的高效稳定运行。本发明不仅解决了结晶器非正弦振动位移和速度波形随拉坯速度变化而自动调整的问题，而且避免了由位移传感器故障造成的生产异常和经济损失。

附图说明

图1是伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动的容错控制装置总体结构图。

图2是伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动的容错控制方法主要程序流程图。

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165*165铸坯，采用的结晶器非正弦振动所期望的位移给定波形s(t)和速度给定波形v(t)分别为：

s(t)＝hsin(ωt-asin(ωt))(1)

v(t)＝hω(1-acos(ωt))cos(ωt-asin(ωt))(2)

式中，ω＝2πf/60为偏心轴平均角速度，结晶器振动频率f＝avl+b，工艺参数a＝65.5,b＝14.5，单位是次/分钟，拉坯速度vl(m/min)，结晶器振动振幅h＝4mm；参数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曲线，结晶器正弦振动。

在不考虑传动机构的间隙、摩擦等非线性和不确定性的理想情况下，上述结晶器振动位移速度函数所对应的伺服电机所期望的转速为：

式中，i为减速器的减速比，实施例中i＝5。当α＝0时伺服电机所期望的转速为：

伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动的容错控制装置的总体结构图如图1所示，包括上位计算机监控系统、高性能可编程控制器、伺服控制器、驱动器、伺服电机、减速器、偏心轴连杆机构、结晶器振动台及其上的结晶器、位移传感器。其中，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；伺服电机采用西门子1ft7系列含内部编码器的高性能永磁同步伺服电机，额定转速nn＝2000r/min，额定功率p＝15.3kw；高性能可编程控制器采用西门子高性能s7-400plc控制系统，包括ps407电源模块、cpu414-2dp模块、cp443-1通信模块、fm458-1功能模块和exm438-1i/o扩展模块，且各模块间通过背板总线通信；fm458-1功能模块计算伺服电机期望转速，并通过伺服控制器和驱动器控制伺服电机转速按期望转速运行，使结晶器按期望的非正弦振动位移和速度波形振动；exm438-1i/o扩展模块，主要用于拉坯速度和结晶器振动位移的采集；上位计算机监控系统(wincc)通过工业以太网与西门子plc控制系统通讯，对结晶器非正弦振动系统进行实时监控。

西门子plc控制系统通过位移传感器采集的结晶器振动位移测量值，诊断位移传感器是否发生故障，发生故障时，切换到无位移传感器的容错控制模式，由非正弦振动自动切换到正弦振动，且当拉坯速度发生变化时，系统自动调整结晶器振动的频率，并通过切换伺服电机转速实现结晶器振动位移或速度波形的实时平稳切换，位移传感器故障自动消除后(如位移传感器环境温度降低后故障自动消除)，则系统可切换至有位移传感器模式，切换伺服电机期望转速，使结晶器工作于非正弦振动模式。若在装置停机且位移传感器周围环境温度降低后故障仍未消除，则可对位移传感器进行检修或更换位移传感器，待故障消除后，通过重新自动确定系统的人工零位，使结晶器工作于非正弦振动模式。

图2是伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动的容错控制方法流程图，包括以下步骤：

(1)伺服电机以斜坡方式加速到500r/min恒定转速转动，结晶器以较低频率振动并稳定运行，西门子plc控制系统通过位移传感器采集的结晶器振动位移值，判断位移传感器是否发生故障，若发生故障，自动切换到无位移传感器的容错控制模式，根据拉坯速度的大小自动调整结晶器正弦振动的频率，切换伺服电机给定转速，驱动结晶器实现正弦振动；若没有发生故障，结晶器工作于非正弦振动模式，系统自动确定结晶器振动位移的中间位置，即自动确定系统的人工零位，之后根据拉坯速度的大小自动调整结晶器非正弦振动的频率、波形偏斜率，切换伺服电机期望转速，驱动结晶器实现非正弦振动；

(2)西门子plc控制系统通过检测位移传感器采集的结晶器振动位移值，判断位移传感器是否发生故障，若没有发生故障，结晶器工作于非正弦振动模式，结晶器非正弦振动波形参数(振动频率、波形偏斜率)随拉坯速度变化而自动调整，当结晶器振动位移过零点时，更新结晶器非正弦振动频率和波形偏斜率，通过快速、稳定地切换伺服电机期望转速，实现结晶器振动位移或速度不同波形之间的实时、平稳切换；若发生故障，采用本发明的结晶器非正弦振动的容错控制方法，实现位移传感器故障的自动诊断并迅速自动切换到无位移传感器的容错控制模式，由非正弦振动自动切换到正弦振动模式，且当拉坯速度发生变化时，系统自动调整结晶器振动的频率，并自动计算伺服电机给定转速，通过比较当前时刻伺服电机实际转速和给定转速，当给定转速和实际转速的差值大于50r/min时，给定转速从实际转速经给定积分后给出；当给定转速和实际转速的差值小于50r/min时，给定转速直接给出，给定积分过程结束，置给定积分结束标志为1；

(3)位移传感器故障若在装置运行中自动消除，则系统可切换至有位移传感器模式，在结晶器振动位移过零点处，切换伺服电机期望转速，使结晶器工作于非正弦振动模式；若在装置停机且位移传感器周围环境温度降低后故障仍未消除，则可对位移传感器进行检修或更换位移传感器，待故障消除后，通过重新自动确定系统的人工零位，使结晶器工作于非正弦振动模式。

在所述步骤(1)中自动确定人工零位的方式为：在结晶器振动过程中，fm458模块通过exm438模块接收安装在结晶器振动台上的位移传感器反馈回来的结晶器振动位移值，取其最大值、最小值，并求平均值，当实际位移传感器的测量值与平均值之差的绝对值小于某一个阈值ε时，确定结晶器振动人工零位。由于本发明中使用的数字式位移传感器的分辨率为0.001mm，在误差允许范围内，可将阈值ε设为0.002mm。

位移传感器在工业现场工作在高温、潮湿、高粉尘恶劣环境下，可能会发生故障，当位移传感器故障时，位移传感器反馈到西门子plc控制系统的结晶器振动位移测量值超出正常工作时的测量范围，其中，在确定人工零位之前的正常测量范围为0～15mm，确定人工零位之后的正常测量范围为-4.5mm～+4.5mm，因此，不能确定结晶器振动位移过零点的时刻，结晶器非正弦振动的频率和波形偏斜率不能随拉坯速度的变化而变化。所以，在步骤(1)和(2)中判断位移传感器是否发生故障的方式是：位移传感器检测的结晶器振动位移的测量值远超出工作范围，并且，当拉坯速度发生变化时，经过3s后，结晶器实际的振动频率、波形偏斜率仍未发生变化，则可判断位移传感器发生故障。

在步骤(2)中当检测到位移传感器发生故障，如果系统不切换结晶器振动模式，仍处于非正弦振动模式，位移传感器不能采集的结晶器振动位移，无法确定结晶器振动位移过零点的时刻，造成结晶器非正弦振动位移或速度波形不能实时、平稳地切换，不能随着拉坯速度的变化自动调整结晶器振动波形的振动频率，因此，这不仅会影响铸坯质量，而且可能造成生产异常、甚至发生漏钢等生产事故。因此，在位移传感器发生故障时，控制系统将立即切换到结晶器正弦振动的无位移传感器容错控制模式，并比较当前时刻伺服电机给定转速和实际转速，通过给定积分方式实现快速平稳地切换伺服电机转速，实现结晶器振动位移或速度波形随拉坯速度变化而产生的不同振动频率之间平稳的切换。