冗余编码器技术在氧枪控制中的应用

唐继刚

摘 要：描述了氧枪高度检测技术的发展历程，分析了多种检测技术的应用差异，研究了冗余编码器的硬件系统，改进了冗余编码器的网络拓扑结构，优化了冗余编码器的软件控制程序，并成功应用在了炼钢厂的转炉生产系统中。

关键词：冗余编码器；硬件系统；网络结构；PLC

中图分类号：TF345 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.143

自20世纪90年代以来，随着检测手段的不断提高和PLC技术的不断发展，冶金自动化技术得到了迅速发展和不断提高。在转炉炼钢生产中，氧枪设备的稳定运行对提高转炉生产作业率、降低运行维护成本等起到了重要作用。

氧枪高度检测仪器随着检测技术的发展在不断变化——从最初的行程开关发展到主令控制器、旋转编码器，再从行程开关、主令控制器与旋转编码器的组合发展到采用双编码器技术。采用双编码器定位后，提高了系统的抗干扰和纠错能力，特别适用于转炉自动化程度高、现场比较恶劣的场合，可防止因某个编码故障而引发设备事故。本文拟从硬件系统的设计、网络路由的改进和软件方案的优化等多个方面进行剖析和论述，旨在促进氧枪系统的稳定运行。

1 编码器硬件系统

近年来，氧枪高度的位置检测设备发生了很大的变化。最初，在氧枪设备的运行区域安装了多个行程开关，检测设备在不同位置的变化情况；之后，为了减少行程开关的安装数量，又改为使用主令控制器。主令控制器在氧枪中应用的最大缺点为调整时间过长，每次更换完钢丝绳或在生产过程中需要调整位置时，都需要对主令控制器的凸轮定位进行调整，且这些位置的检测都是离散的，常造成设备不稳定运行，进而增加了设备的运维成本。

为了能连续检测物体在不同位置的变化情况，编码器被应用到了工程中。在编码器应用之初，考虑到编码器的运行不稳定，常加设一些行程开关或主令控制器配合使用，因此，降低了倾动和氧枪设备故障高铝。随着编码器技术的不断成熟，与行程开关和主令控制器相比，编码器的故障率更低、稳定性更高、维护更方便。通过对设备的研究发现，可在倾动和氧枪设备两侧各安装一台编码器，从而可实现2套编码器的冗余运行，缩短设备的运维时间。图1为氧枪位置检测系统的发展历程。

2 编码器的网络结构

在以往的设计过程中，虽然在硬件设备上设计了2套编码器系统，但常忽略网络路由的冗余设计。为了节省网络电缆投资，通常将氧枪的4个编码器串联在一起。然而，在生产过程中，网络路线最易遭受干扰或出现断线等情况，导致氧枪位置检测系统陷入瘫痪，进而停产检修，降低了氧枪的作业率。

本文针对上述易发生的故障情况，新设计了网络路由方案，不但从设备上考虑了冗余系统，还对网络路由方案进行了优化设计，具体如图2所示。

图2中的网络结构从物理路线上将倾动和氧枪的编码器系统完全设计成了独立的2套路由方案，弥补了因网络路由断线、更换单侧编码器设备等造成的生产故障停机。同时，提高了网络系统的稳定性，也为在线维护编码器系统提供了便利。

编码器的网络方案大多采用了网络总线结构，由于敷设线路较长、周围大型变频设备多，导致网络易受到干扰，进而造成编码器故障。因此，在网络敷设过程中，应注意信号的干扰问题，并采取穿管敷设等措施，从而远离强电流干扰，使网络结构更为稳定。

3 编码器软件设计方案

为了提高硬件系统的性能，完善的软件控制系统是不可或缺的。为了使整个冗余编码器系统更加稳定，可采取以下3种处理方法：①静态清零法。在换枪位对编码器计算值清零，以便于操作工观察，从而及时消除编码器产生的累积误差。②动态报警法。在各个重要位置，比如在换枪位、等待位等比较编码器计算值与位置高度值，发现误差超出设定范围时会报警，以免引发事故。③采用差值比较法。比较两个编码器的计算差值，发现误差超出设定范围时会报警，以便操作工选用误差较小的编码器。

4 应用实践

本文设计的方案已成功应用在几个钢铁厂的转炉系统中，已稳定运行多年，在这些钢铁厂的降本增效中发挥了一定的积极作用。

参考文献

[1]颜炳正.基于副枪的转炉控制系统的研究与实现[D].上海：上海交通大学，2013.

[2]邓洪辉.绝对值编码器在40t转炉氧枪控制中的应用[J].工业计量，2010（S2）.

〔编辑：张思楠〕