伺服控制系统在连续热镀锌机组气刀中的应用

[摘 要]气刀是连续热镀锌机组核心设备，气刀系统的控制精度及稳定性直接关系到带钢表面锌层的均匀度及产品质量。本文主要介绍了伺服闭环控制系统及龙门同驱功能对气刀的精确控制构架，并提出了一些改进措施。

[关键词]气刀 伺服 龙门同驱

中图分类号：TG333.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）11-0281-01

一.前言

巴基斯坦国际钢铁有限公司（International Steels Limited）连续热镀锌机组是将规格为650～1300mm×0.3～2.0mm的冷轧硬态钢卷通过脱脂段预处理，清除带钢表面的轧制油、铁粉、铁锈等污浊物，然后再将带钢输送到炉区，经过退火还原处理后进入锌锅，带钢表面在温度为450～460℃的锌锅中附着上锌层，经过锌锅沉没辊、前/后稳定辊、气刀、冷却塔稳定辊、冷却塔转向辊等装置上行至后处理区。

带钢在锌锅区保持张力并稳定运行，在出锅后经过气刀，气刀刀唇喷射出的均匀高速气流作用在运行的带钢表面，使带钢表面的锌液回流至锌锅，从而控制带钢表面的锌层厚度及质量。我们通过调节带钢前/后气刀刀唇与带钢之间的距离和前/后气刀刀唇与锌液面的高度，以及前/后气刀刀唇与带钢的夹角，来控制气刀喷流在带钢表面的作用力，以此控制带钢镀层厚度，满足镀锌板产品工艺及质量要求。

二.ISL气刀简介

ISL项目气刀是黄石山力科技股份有限公司设计生产的单喷嘴可旋转式气刀，气刀结构分为前气刀、后气刀及气刀架，前气刀控制带钢上表面锌层厚度，后气刀控制带钢下表面厚度。气刀的位置由前气刀传动侧和操作侧伺服电机、后气刀传动侧和操作侧电机以及气刀架传动侧和操作侧伺服电机，共6台伺服电机来控制。前气刀传动侧/操作侧2台电机控制前气刀开合位移，后气刀传动侧/操作侧2台电机控制后气刀开合位移，气刀架传动侧/操作侧2台电机控制气刀整体垂直升降位移。气刀主要参数：带钢双面锌层控制范围为60～275g/m2；刀唇宽度为1600mm；刀唇间隙调节量为0～4mm；喷嘴旋转角度为±2.5o；气刀水平位移行程为130mm；气刀架垂直位移行程为400mm，气刀结构示意图如下图P-01

三.气刀伺服控制系统

热镀锌机组生产运行过程中，与锌层厚度关联的因素有很多，其中包括：机组运行速度、气刀与锌液面高度、气刀与带钢距离、气刀喷嘴与带钢角度、气刀气流压力、刀唇间隙、带钢及锌液温度、锌液成分等等，在此我们主要考虑通过伺服控制系统调节气刀与带钢间距及气刀与锌液面高度的方法来控制生产过程中带钢表面的锌层厚度。

1.伺服控制系统配置

本系统主要电气配置包括6套DELTA A2系列伺服驱动器及台达伺服电机（带编码器）、1套AH500系列PLC及运行控制器、1台DOP-B系列人机界面（HMI）等，配置简图如下图P-02

2.气刀运动过程

前后气刀分别安装在传动侧和操作侧支撑基座上，以门字形结构跨坐在横向位移的导轨上，开合位移由横向两台伺服电机（传动侧和操作侧）同步驱动两根螺旋丝杆来完成，气刀架的升降位移由横向两台伺服电机同步驱动两组蜗轮蜗杆来完成。前后气刀和气刀架可通过操作台或HMI实现单机点动、横向两侧联合点动、前后气刀联合点动，也可通过HMI设定位置及速度实现气刀及气刀架自动移动。

气刀或气刀架在位移时，必须首先保证机械无卡阻、轨道，运动中气刀及气刀架横向两侧水平和垂直方向的位置和速度同步要求保持高精度，否则气刀在运动过程中因机械卡阻，或两侧位移不同步极易导致电机报警。为此，我们选择了台达A2伺服特有的龙门同驱功能，以一路脉冲命令作为驱动命令来源，实现两个伺服电机之间的高精度同步控制。

3.龙门同驱功能的应用

传统的龙门同驱电机控制，往往借助于上位控制器单元来协调，如果上位控制器是脉冲机型的，就只能通过伺服轴COPY功能来实现，或者上位控制器是电压命令型CNC，CNC输出两路模拟量电压，同时将两颗同步伺服的编码器信号反馈到位置环，同时两直线轴之间实现插补同步运动和半闭环控制。但是，无论是以上何种方式，都需要上位控制器的配合，需要独立的两路命令通道才能够控制两轴同驱。与传统龙门同驱控制架构相比，新的控制方式，无需修改上位控制器的硬件接口设置和参数设计，只需要改变上位控制器和伺服接线，以及设定相应的参数既可以实现双伺服同驱功能，龙门同驱控制原理图如下图P-03

4.控制结果

整个气刀伺服控制系统在调试及运行期间实现了所有的手动和自动运动功能，系统运行稳定、操作简便、控制精确。

四.系统提升空间

分析本气刀及电气控制系统，此套气刀伺服控制系统还有提升和改进的空间，主要从以下几个方面进行系统升级：

1.机械设备的加工精度，包括气刀螺旋丝杆、蜗轮蜗杆、手动操作装置等的制造加工精度要提高一个数量级，这些直接关系到气刀及气刀架位移的运动精度；

2.可增加位移传感器，参与在自动状态下的气刀位移闭环调节，进一步提高运动精度，增加气刀喷嘴旋转和刀唇调节量伺服电机，对喷嘴旋转角度和刀唇开口进行精确控制；

3.与机组二级工程师站进行数据通讯，读取机组及带钢在线参数，包括机组实际工艺速度、设定镀层厚度、实际镀层厚度等，根据这些参数对气刀位移进行实时的，快速精确控制；

4.在气刀上部增加更加高效的带钢稳定系统，以更好的控制锌层均匀度，提高产品质量。

五.结束语

本系统的亮点是将伺服控制系统中的龙门同驱功能应用到气刀的位移运动中，提升了气刀操作的高效性及精确度，在高速、连续运行的热镀锌生产线上，为更好的控制带钢锌层厚度及产品质量提供了可靠保障。该气刀系统将来可根据客户的不同需求增加配置，为客户提供更加稳定、高性价比的气刀伺服控制系统解决方案。