本發(fā)明屬于連續(xù)鑄造領(lǐng)域，具體涉及一種伺服電機驅(qū)動的連鑄結(jié)晶器非正弦振動的容錯控制裝置及方法。

背景技術(shù)：

連鑄結(jié)晶器是連鑄生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，連鑄結(jié)晶器非正弦振動對改善鑄坯質(zhì)量、提高拉坯速度具有重要作用，已被公認為發(fā)展高效連鑄的關(guān)鍵技術(shù)之一。在工業(yè)中應(yīng)用的連鑄結(jié)晶器非正弦振動裝置主要分為液壓驅(qū)動、機械驅(qū)動、伺服電動缸驅(qū)動三種方式。國內(nèi)外普遍采用的連鑄結(jié)晶器非正弦振動發(fā)生裝置是由電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動，其可以通過在線調(diào)整振動波形的頻率、振幅和偏斜率等參數(shù)實現(xiàn)波形切換，但是存在伺服油缸漏油、零飄等缺點，并且系統(tǒng)復(fù)雜、投資大、維護困難。國內(nèi)還開發(fā)了幾種機械驅(qū)動的非正弦振動裝置，如非圓齒輪(橢圓齒輪)驅(qū)動的結(jié)晶器非正弦振動發(fā)生裝置、雙偏心軸迭加非正弦振動發(fā)生裝置等，這類裝置傳動系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)晶器振動的精度較低，不能實現(xiàn)結(jié)晶器振動位移或速度波形的切換。另外，還有伺服電動缸驅(qū)動的非正弦振動裝置，其利用伺服電機正轉(zhuǎn)、停車、反轉(zhuǎn)、變角速度轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)結(jié)晶器的非正弦振動，然而伺服電機頻繁的正反轉(zhuǎn)會對結(jié)晶器振動的位移、速度等的跟蹤精度和響應(yīng)速度產(chǎn)生不良影響，四個伺服缸的同步運動也難以達到較高的控制精度，進而難以實現(xiàn)非正弦振動位移或速度波形的快速、平穩(wěn)、精確地切換。

伺服電機驅(qū)動的連鑄結(jié)晶器非正弦振動發(fā)生裝置克服了上述驅(qū)動裝置的不足，其通過控制伺服電機單方向、變角速度連續(xù)轉(zhuǎn)動，并經(jīng)過減速器、偏心軸連桿機構(gòu)以及結(jié)晶器振動臺，實現(xiàn)結(jié)晶器非正弦振動，具有控制精度高，系統(tǒng)簡化、結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力大，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。在結(jié)晶器位移過零點處切換伺服電機期望轉(zhuǎn)速，能實現(xiàn)隨拉坯速度變化而產(chǎn)生的不同振動頻率、波形偏斜率的結(jié)晶器非正弦振動位移或速度波形的快速、平穩(wěn)、精確地切換。

但是，位移傳感器在工業(yè)現(xiàn)場工作在高溫、潮濕、高粉塵惡劣環(huán)境下，可能會發(fā)生故障，而結(jié)晶器非正弦振動位移、速度不同波形之間平穩(wěn)切換需要通過位移傳感器采集的結(jié)晶器振動位移測量值以確定結(jié)晶器位移過零點的時刻，因此，位移傳感器故障會造成結(jié)晶器非正弦振動位移或速度波形不能實時、平穩(wěn)地切換，且不能隨著拉坯速度的變化自動調(diào)整結(jié)晶器振動波形的振動頻率，因此，這不僅會影響鑄坯質(zhì)量，而且可能造成生產(chǎn)異常、甚至發(fā)生漏鋼等生產(chǎn)事故。但是，目前還沒有控制裝置及方法能夠解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是提供一種實現(xiàn)結(jié)晶器非正弦振動位移或速度波形快速平穩(wěn)切換，并且在位移傳感器發(fā)生故障時也能正常工作的伺服電機驅(qū)動的連鑄結(jié)晶器非正弦振動的容錯控制裝置和方法。

為解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種伺服電機驅(qū)動的連鑄結(jié)晶器非正弦振動的容錯控制裝置，包括上位計算機監(jiān)控系統(tǒng)、高性能可編程控制器、伺服控制器、驅(qū)動器、伺服電機、減速器、偏心軸連桿機構(gòu)、結(jié)晶器振動臺及其上的結(jié)晶器、位移傳感器，其中高性能可編程控制器通過伺服控制器和驅(qū)動器控制伺服電機按照期望的結(jié)晶器非正弦振動對應(yīng)的轉(zhuǎn)速曲線運行，伺服電機通過減速器、偏心軸連桿機構(gòu)及結(jié)晶器振動臺實現(xiàn)結(jié)晶器非正弦振動；高性能可編程控制器通過采集拉坯速度以及通過位移傳感器采集的結(jié)晶器振動位移，判斷位移傳感器是否正常工作，位移傳感器正常工作時，根據(jù)拉坯速度的不同，在結(jié)晶器振動位移過零點處自動切換結(jié)晶器非正弦振動的頻率、波形偏斜率，當(dāng)檢測到位移傳感器發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動切換到無位移傳感器的容錯控制模式，且隨拉坯速度的不同，系統(tǒng)也能自動調(diào)整結(jié)晶器振動的頻率；當(dāng)檢測到位移傳感器故障消除后，切換到非正弦振動模式。

其中，位移傳感器采用數(shù)字式位移傳感器或者模擬量位移傳感器，高性能可編程控制器包括電源模塊、cpu模塊、通信模塊、fm458-1功能模塊和exm438-1i/o擴展模塊，各模塊間通過背板總線通信；fm458-1功能模塊系統(tǒng)控制的核心部分，用于伺服電機轉(zhuǎn)速給定值的計算、結(jié)晶器振動位移波形的切換、結(jié)晶器振動位移閉環(huán)控制以及系統(tǒng)的容錯控制；exm438-1i/o擴展模塊，主要用于拉坯速度和結(jié)晶器振動位移的采集。

一種伺服電機驅(qū)動的連鑄結(jié)晶器非正弦振動的容錯控制方法，包括以下步驟：

(1)伺服電機以較小的恒定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，結(jié)晶器以較低頻率振動并穩(wěn)定運行，高性能可編程控制器通過位移傳感器采集的結(jié)晶器振動位移自動確定結(jié)晶器振動的中間位置，即自動確定系統(tǒng)的人工零位，之后根據(jù)拉坯速度的大小自動調(diào)整結(jié)晶器非正弦振動的頻率、波形偏斜率，切換伺服電機期望轉(zhuǎn)速，驅(qū)動結(jié)晶器實現(xiàn)非正弦振動；

(2)高性能可編程控制器通過采集位移傳感器檢測的結(jié)晶器振動位移值，判斷位移傳感器是否發(fā)生故障，若未發(fā)生故障，結(jié)晶器工作于非正弦振動模式，結(jié)晶器非正弦振動位移或速度波形隨拉坯速度變化而自動調(diào)整，在結(jié)晶器振動位移過零點處，實現(xiàn)不同振動位移或速度波形之間的實時平穩(wěn)切換；若發(fā)生故障，控制系統(tǒng)在線切換到無位移傳感器的容錯控制模式，并且當(dāng)拉坯速度發(fā)生變化時，自動調(diào)整正弦振動的頻率以及伺服電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)結(jié)晶器不同振動位移或速度波形之間的實時平穩(wěn)切換；

(3)當(dāng)位移傳感器故障消除時，可以切換到非正弦振動模式。

進一步，所述步驟(1)中自動確定系統(tǒng)的人工零位的方式為：結(jié)晶器以較低頻率振動，高性能可編程控制器采集位移傳感器檢測的結(jié)晶器振動位移的最大值、最小值，并求其平均值，當(dāng)實際位移傳感器的測量值與平均值之差的絕對值小于某一個閾值ε時，即確定為結(jié)晶器振動的人工零位。其中，閾值ε取為0.002mm。

步驟(2)中判斷位移傳感器是否發(fā)生故障的方式是：位移傳感器檢測的結(jié)晶器振動位移的測量值遠超出工作范圍，并且，當(dāng)拉坯速度發(fā)生變化時，經(jīng)過3s后，結(jié)晶器實際振動頻率、波形偏斜率仍未發(fā)生變化，則可判斷位移傳感器發(fā)生故障。

更進一步地，步驟(3)中位移傳感器故障自動消除后(如位移傳感器環(huán)境溫度降低后故障自動消除)，則系統(tǒng)可切換至有位移傳感器模式，切換伺服電機期望轉(zhuǎn)速，使結(jié)晶器工作于非正弦振動模式。若在裝置停機且位移傳感器周圍環(huán)境溫度降低后故障仍未消除，則可對位移傳感器進行檢修或更換位移傳感器，待故障消除后，通過重新自動確定系統(tǒng)的人工零位，使結(jié)晶器工作于非正弦振動模式。

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：本發(fā)明應(yīng)用于連續(xù)鑄造行業(yè)，能自動診斷位移傳感器故障，當(dāng)位移傳感器未發(fā)生故障時，根據(jù)現(xiàn)場拉坯速度，在結(jié)晶器振動位移過零點處通過快速、平穩(wěn)地切換電機轉(zhuǎn)速，自動切換結(jié)晶器非正弦振動的頻率、波形偏斜率，實現(xiàn)結(jié)晶器非正弦振動位移或速度波形的平穩(wěn)切換；當(dāng)發(fā)生故障時，迅速切換到無位移傳感器的容錯控制模式，由非正弦振動自動切換到正弦振動，且當(dāng)拉坯速度發(fā)生變化時，仍然能自動調(diào)整結(jié)晶器振動頻率，并通過給定積分的方式切換伺服電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)結(jié)晶器振動位移或速度波形實時、平穩(wěn)切換，保證結(jié)晶器振動的平穩(wěn)性和連鑄的正常生產(chǎn)，避免由位移傳感器故障造成的生產(chǎn)異常甚至發(fā)生漏鋼等生產(chǎn)事故，當(dāng)位移傳感器故障消除之后，系統(tǒng)可以切換至有位移傳感器模式使結(jié)晶器工作于非正弦振動模式，保證系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。本發(fā)明不僅解決了結(jié)晶器非正弦振動位移和速度波形隨拉坯速度變化而自動調(diào)整的問題，而且避免了由位移傳感器故障造成的生產(chǎn)異常和經(jīng)濟損失。

附圖說明

圖1是伺服電機驅(qū)動的連鑄結(jié)晶器非正弦振動的容錯控制裝置總體結(jié)構(gòu)圖。

圖2是伺服電機驅(qū)動的連鑄結(jié)晶器非正弦振動的容錯控制方法主要程序流程圖。

具體實施方式

實施例：某鋼廠全弧形小方坯連鑄機結(jié)晶器，澆鑄165*165鑄坯，采用的結(jié)晶器非正弦振動所期望的位移給定波形s(t)和速度給定波形v(t)分別為：

s(t)＝hsin(ωt-asin(ωt))(1)

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

式中，ω＝2πf/60為偏心軸平均角速度，結(jié)晶器振動頻率f＝avl+b，工藝參數(shù)a＝65.5,b＝14.5，單位是次/分鐘，拉坯速度vl(m/min)，結(jié)晶器振動振幅h＝4mm；參數(shù)α為波形偏斜率，其取值范圍為-0.4～+0.4，當(dāng)α＝0時結(jié)晶器振動位移曲線為正弦曲線，結(jié)晶器正弦振動。

在不考慮傳動機構(gòu)的間隙、摩擦等非線性和不確定性的理想情況下，上述結(jié)晶器振動位移速度函數(shù)所對應(yīng)的伺服電機所期望的轉(zhuǎn)速為：

式中，i為減速器的減速比，實施例中i＝5。當(dāng)α＝0時伺服電機所期望的轉(zhuǎn)速為：

伺服電機驅(qū)動的連鑄結(jié)晶器非正弦振動的容錯控制裝置的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括上位計算機監(jiān)控系統(tǒng)、高性能可編程控制器、伺服控制器、驅(qū)動器、伺服電機、減速器、偏心軸連桿機構(gòu)、結(jié)晶器振動臺及其上的結(jié)晶器、位移傳感器。其中，位移傳感器采用美國mts公司數(shù)字式位移傳感器，分辨率為0.001mm；伺服電機采用西門子1ft7系列含內(nèi)部編碼器的高性能永磁同步伺服電機，額定轉(zhuǎn)速nn＝2000r/min，額定功率p＝15.3kw；高性能可編程控制器采用西門子高性能s7-400plc控制系統(tǒng)，包括ps407電源模塊、cpu414-2dp模塊、cp443-1通信模塊、fm458-1功能模塊和exm438-1i/o擴展模塊，且各模塊間通過背板總線通信；fm458-1功能模塊計算伺服電機期望轉(zhuǎn)速，并通過伺服控制器和驅(qū)動器控制伺服電機轉(zhuǎn)速按期望轉(zhuǎn)速運行，使結(jié)晶器按期望的非正弦振動位移和速度波形振動；exm438-1i/o擴展模塊，主要用于拉坯速度和結(jié)晶器振動位移的采集；上位計算機監(jiān)控系統(tǒng)(wincc)通過工業(yè)以太網(wǎng)與西門子plc控制系統(tǒng)通訊，對結(jié)晶器非正弦振動系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。

西門子plc控制系統(tǒng)通過位移傳感器采集的結(jié)晶器振動位移測量值，診斷位移傳感器是否發(fā)生故障，發(fā)生故障時，切換到無位移傳感器的容錯控制模式，由非正弦振動自動切換到正弦振動，且當(dāng)拉坯速度發(fā)生變化時，系統(tǒng)自動調(diào)整結(jié)晶器振動的頻率，并通過切換伺服電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)結(jié)晶器振動位移或速度波形的實時平穩(wěn)切換，位移傳感器故障自動消除后(如位移傳感器環(huán)境溫度降低后故障自動消除)，則系統(tǒng)可切換至有位移傳感器模式，切換伺服電機期望轉(zhuǎn)速，使結(jié)晶器工作于非正弦振動模式。若在裝置停機且位移傳感器周圍環(huán)境溫度降低后故障仍未消除，則可對位移傳感器進行檢修或更換位移傳感器，待故障消除后，通過重新自動確定系統(tǒng)的人工零位，使結(jié)晶器工作于非正弦振動模式。

圖2是伺服電機驅(qū)動的連鑄結(jié)晶器非正弦振動的容錯控制方法流程圖，包括以下步驟：

(1)伺服電機以斜坡方式加速到500r/min恒定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，結(jié)晶器以較低頻率振動并穩(wěn)定運行，西門子plc控制系統(tǒng)通過位移傳感器采集的結(jié)晶器振動位移值，判斷位移傳感器是否發(fā)生故障，若發(fā)生故障，自動切換到無位移傳感器的容錯控制模式，根據(jù)拉坯速度的大小自動調(diào)整結(jié)晶器正弦振動的頻率，切換伺服電機給定轉(zhuǎn)速，驅(qū)動結(jié)晶器實現(xiàn)正弦振動；若沒有發(fā)生故障，結(jié)晶器工作于非正弦振動模式，系統(tǒng)自動確定結(jié)晶器振動位移的中間位置，即自動確定系統(tǒng)的人工零位，之后根據(jù)拉坯速度的大小自動調(diào)整結(jié)晶器非正弦振動的頻率、波形偏斜率，切換伺服電機期望轉(zhuǎn)速，驅(qū)動結(jié)晶器實現(xiàn)非正弦振動；

(2)西門子plc控制系統(tǒng)通過檢測位移傳感器采集的結(jié)晶器振動位移值，判斷位移傳感器是否發(fā)生故障，若沒有發(fā)生故障，結(jié)晶器工作于非正弦振動模式，結(jié)晶器非正弦振動波形參數(shù)(振動頻率、波形偏斜率)隨拉坯速度變化而自動調(diào)整，當(dāng)結(jié)晶器振動位移過零點時，更新結(jié)晶器非正弦振動頻率和波形偏斜率，通過快速、穩(wěn)定地切換伺服電機期望轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)結(jié)晶器振動位移或速度不同波形之間的實時、平穩(wěn)切換；若發(fā)生故障，采用本發(fā)明的結(jié)晶器非正弦振動的容錯控制方法，實現(xiàn)位移傳感器故障的自動診斷并迅速自動切換到無位移傳感器的容錯控制模式，由非正弦振動自動切換到正弦振動模式，且當(dāng)拉坯速度發(fā)生變化時，系統(tǒng)自動調(diào)整結(jié)晶器振動的頻率，并自動計算伺服電機給定轉(zhuǎn)速，通過比較當(dāng)前時刻伺服電機實際轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速，當(dāng)給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的差值大于50r/min時，給定轉(zhuǎn)速從實際轉(zhuǎn)速經(jīng)給定積分后給出；當(dāng)給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的差值小于50r/min時，給定轉(zhuǎn)速直接給出，給定積分過程結(jié)束，置給定積分結(jié)束標(biāo)志為1；

(3)位移傳感器故障若在裝置運行中自動消除，則系統(tǒng)可切換至有位移傳感器模式，在結(jié)晶器振動位移過零點處，切換伺服電機期望轉(zhuǎn)速，使結(jié)晶器工作于非正弦振動模式；若在裝置停機且位移傳感器周圍環(huán)境溫度降低后故障仍未消除，則可對位移傳感器進行檢修或更換位移傳感器，待故障消除后，通過重新自動確定系統(tǒng)的人工零位，使結(jié)晶器工作于非正弦振動模式。

在所述步驟(1)中自動確定人工零位的方式為：在結(jié)晶器振動過程中，fm458模塊通過exm438模塊接收安裝在結(jié)晶器振動臺上的位移傳感器反饋回來的結(jié)晶器振動位移值，取其最大值、最小值，并求平均值，當(dāng)實際位移傳感器的測量值與平均值之差的絕對值小于某一個閾值ε時，確定結(jié)晶器振動人工零位。由于本發(fā)明中使用的數(shù)字式位移傳感器的分辨率為0.001mm，在誤差允許范圍內(nèi)，可將閾值ε設(shè)為0.002mm。

位移傳感器在工業(yè)現(xiàn)場工作在高溫、潮濕、高粉塵惡劣環(huán)境下，可能會發(fā)生故障，當(dāng)位移傳感器故障時，位移傳感器反饋到西門子plc控制系統(tǒng)的結(jié)晶器振動位移測量值超出正常工作時的測量范圍，其中，在確定人工零位之前的正常測量范圍為0～15mm，確定人工零位之后的正常測量范圍為-4.5mm～+4.5mm，因此，不能確定結(jié)晶器振動位移過零點的時刻，結(jié)晶器非正弦振動的頻率和波形偏斜率不能隨拉坯速度的變化而變化。所以，在步驟(1)和(2)中判斷位移傳感器是否發(fā)生故障的方式是：位移傳感器檢測的結(jié)晶器振動位移的測量值遠超出工作范圍，并且，當(dāng)拉坯速度發(fā)生變化時，經(jīng)過3s后，結(jié)晶器實際的振動頻率、波形偏斜率仍未發(fā)生變化，則可判斷位移傳感器發(fā)生故障。

在步驟(2)中當(dāng)檢測到位移傳感器發(fā)生故障，如果系統(tǒng)不切換結(jié)晶器振動模式，仍處于非正弦振動模式，位移傳感器不能采集的結(jié)晶器振動位移，無法確定結(jié)晶器振動位移過零點的時刻，造成結(jié)晶器非正弦振動位移或速度波形不能實時、平穩(wěn)地切換，不能隨著拉坯速度的變化自動調(diào)整結(jié)晶器振動波形的振動頻率，因此，這不僅會影響鑄坯質(zhì)量，而且可能造成生產(chǎn)異常、甚至發(fā)生漏鋼等生產(chǎn)事故。因此，在位移傳感器發(fā)生故障時，控制系統(tǒng)將立即切換到結(jié)晶器正弦振動的無位移傳感器容錯控制模式，并比較當(dāng)前時刻伺服電機給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速，通過給定積分方式實現(xiàn)快速平穩(wěn)地切換伺服電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)結(jié)晶器振動位移或速度波形隨拉坯速度變化而產(chǎn)生的不同振動頻率之間平穩(wěn)的切換。