连轧管机限动齿条飞车保护功能的开发及应用

张仰军

（内蒙古包钢钢联股份有限公司钢管公司，内蒙古 包头 014010）

1 问题的提出

内蒙古包钢钢联股份有限公司钢管公司（简称包钢钢管公司）Φ180 mm限动芯棒连轧管机组（简称MPM机组）是国内无缝钢管生产线中引进且投产较早的机组之一［1-8］。该机组中芯棒是由4台直流电机通过齿轮、限动齿条的机械耦合拖动运行的，限动齿条的1个运行周期分为预插入、插入、咬入、限动、返回、回零位等阶段［9-10］。限动齿条各阶段的速度曲线原理如图1所示。

Φ180 mm MPM机组限动齿条的运行速度、位置控制采用意大利ANSALDO公司的微处理系统（AMS）实现。由于限动齿条的运动过程受到连轧管机前台密集布置的关联设备（连轧管机、毛管挡叉、夹送辊、上线回转臂、下线回转臂、预穿齿条）的动作影响，其位置、速度的控制及运动的逻辑连锁保护非常重要，一旦失控，极易发生重大设备事故。

限动齿条的位置由AMS系统控制，而毛管挡叉和夹送辊是由GE-9070PLC系统控制，正常情况下，限动齿条运行到设定的位置时，毛管挡叉会根据限动齿条发来的信号自动落下，夹送辊自动起动，将毛管喂入连轧管机，它们具有位置连锁关系。但是在生产过程中，由于机械原因，操作员经常需要手动干预夹送辊的起动运行，这就可能导致第一架轧管机提前带载，或因为毛管挡叉的故障，毛管挡叉不能在芯棒插入毛管过程及时挡住毛管，以及插入过程中毛管方向出现偏差等原因，均会导致芯棒没有按照设定的行程完全插入毛管，从而将毛管提前推入第一架轧管机。由于毛管和芯棒之间存在摩擦力，连轧管机将毛管连同限动齿条一起提前拽入。包钢钢管公司经过多年的生产实践，对原有引进设备中齿条运动的各类事故进行分析处理，增加了许多保护措施，其中连轧管机限动齿条飞车保护功能的开发就是一种实用创新的例子，其针对的事故过程如上所述。此时限动齿条拖动着芯棒运行在插入阶段还未到咬入阶段时，发生上述故障时破坏了限动齿条在插入行程后本应有的正常降速过程，使其速度不降反升，从而将限动齿条拽入连轧管机中导致发生飞车的重大事故。

图1 限动齿条各阶段的速度曲线原理

2 解决的方法

为避免限动齿条在插入阶段这一区间内发生飞车事故，新开发了插入行程中的飞车保护功能。

2.1 控制系统及飞车保护功能介绍

限动齿条的系统控制原理如图2所示。

图2 限动齿条的系统控制原理

由图2可知，限动齿条的运动控制由AMS系统实现，其通过令牌网接受PLC指令、外部参数设定机的数据，综合运算后产生速度给定值及运行使能信号并发给传动控制系统，控制限动齿条电机的运行。AMS系统运行环境为基于VME总线的VxWorks操作系统。

毛管挡叉等关联设备发生故障，将导致毛管在插入阶段（还未到咬钢阶段）就被拽入第一架轧管机中，使得第一架轧管机提前误带载并产生空轧现象，为此需增加保护动作，使得限动齿条、连轧管机进入紧急停车程序。由于该保护是在插入阶段就开始判断第一架轧管机是否有误带载情况；因此，对整个生产就增加了运行的可靠性，也给操作员预留了更多的反应时间，避免重大设备事故的发生。

2.2 飞车保护功能的过程说明

当限动齿条进入插入行程后，AMS系统持续采集第一架轧管机的电流信号值，该信号在AMS系统连轧管机控制程序mpm.r中与带载信号的设定值比较，如果电流信号值大于带载信号的设定值，经过延时确认并通过程序状态步判断齿条还不应进入咬钢阶段，系统就判定第一架轧管机已非正常带载并发出信号，且将此信号经总线传输至限动齿条控制程序rack.r中。rack.r程序将启动飞车保护功能，将限动齿条的速度给定值降为0，且将运行命令保留一段时间，以便使速度调节器不运行在封锁状态，可以继续发挥制动作用，直到停车为止，同时mpm.r程序将连轧管机的速度给定值也降为0，并控制各机架的辊缝打开，避免发生堆钢事故。

飞车保护功能启动后，飞车保护功能的报警画面将显示报警状态标志信号及报警时限动齿条的实际位置，维护人员可保存事故曲线及位置信息便于进行事故分析，报警状态标志信号经维护人员确认可手动清除。

连轧管机提前误带载时，限动齿条在插入行程后期没有正常的自主降速过程，而是处于失控状态，连轧管机拽着限动齿条向轧管机方向运动，使限动齿条的速度急速上升，破坏了限动齿条正常的咬入和限动行程，使其最终停在32 m之外，在这个位置足以将夹送辊等设备撞坏。而正常情况下，限动齿条结束限动行程后的位置才不到24 m。

经过统计，当第一架轧管机误带载提前咬钢时，限动齿条距离插入行程正常结束提前了4 m左右就被动地非正常升速了。由于飞车保护动作后，齿条能迅速停车，产生较明显的制动电流，速度迅速降低，制动作用明显，齿条可以停留在20 m以内的位置，飞车保护功能明显缩短了事故停车距离，保护了连轧管机等重要设备。

2.3 飞车保护功能的程序实现过程

飞车保护功能是在生产实践中采集、分析事故曲线的基础上，满足现有轧钢工艺要求的条件下开发的。开发系统的编辑、编译环境为Windows操作系统，源程序由C语言编写完成，编辑软件为Crimson Editor。编译软件为意大利ANSALDO公司开发的工具软件ADT MONIVX。数据采集软件为iba PDA系统和ANSALDO ADT系统。在程序中选定并跟踪了限动齿条、连轧管机的相关信号：

Suicide（限动齿条传动控制柜的运行命令信号）

MetalInStand［0］（第一架轧管机的带载信号）

CurrFbk［0］（限动齿条的电流反馈信号）

SpeedFbk［0］（限动齿条的速度反馈信号）

SeqComm（控制程序的当前运行步数）

SectionProtectionFlag（飞车保护报警状态标志信号）

IW_SpeeFMot［1－5］（第一架至第五架轧管机的速度反馈信号）

IW_CurrFMot［1－5］（第一架至第五架轧管机的电流反馈信号）

K1ZeroSpeed［0］（限动齿条的零速信号）

将这些信号导出至跟踪程序的组态表中，便于实时监控和分析限动齿条的运行状态。在这基础上，利用基础自动化GE－9070 PLC的控制程序，模拟正常轧钢时限动齿条的外部条件及第一架轧管机误带载时连轧管机和限动齿条的动作情况。

带载信号的判断算法和触发保护功能的算法如图3～4所示。

图3 带载信号的判断算法

图4 触发保护功能的算法

3 解决后的效果

在应用连轧管机限动齿条飞车保护功能以前，此类飞车事故每年至少发生2次，每次事故处理时间都在4 h以上，且造成抱棒、重要设备损坏等。目前，该保护功能已在包钢钢管公司Φ180 mm MPM机组中应用，有效避免了因第一架轧管机误带载而引发的飞车事故。在包钢钢管公司Φ180 mm MPM机组中，对限动齿条的运动过程研究及保护功能的软件开发始终是工程技术人员应关注的，以提高限动芯棒连轧管机生产效率。