趙家國

(福建三安鋼鐵有限公司，福建泉州 362411)

0 引言

高爐卷揚(yáng)上料控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高爐自動控制的核心。三安鋼鐵廠3#高爐卷揚(yáng)上料系統(tǒng)原采用繼電－接觸器邏輯控制方式，起動性能和節(jié)能效果差，調(diào)節(jié)及控制性能不便，故障率高，可靠性及維護(hù)差;已滿足不了生產(chǎn)的需求。因此，需要對工藝、設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整和技術(shù)改造。經(jīng)分析，變頻調(diào)速裝置選配 SIMATIC 6SE7032－1EG60，可編程邏輯控制器(PLC)采用SIMATIC CPU412，與ET200M從站 I/O模板構(gòu)成核心，實(shí)現(xiàn)高爐上料自動控制。下面對該系統(tǒng)的傳控方案進(jìn)行討論。

1 工藝概述

按照工藝要求，卷揚(yáng)料車起升、下降速度按料車行程曲線調(diào)整。各種原料經(jīng)槽下設(shè)備稱量、配料后放入中間料斗;料車到達(dá)料坑后，中間斗把料放入料車，中間斗閘門關(guān)到位并且爐頂準(zhǔn)備好后，料車由坑部起動，經(jīng)加速—高速—低速—減速—停車抱閘，到達(dá)爐頂。將高爐所需的各種原料不斷送入高爐內(nèi)。為保證高爐的穩(wěn)定運(yùn)行，料車，大、小鐘，大、小均壓，布料器，探尺皆按照工藝要求定時打開或關(guān)閉，并與主卷揚(yáng)料車有一定的聯(lián)鎖關(guān)系。其中，主卷揚(yáng)工作頻繁、負(fù)載重，是整個上料系統(tǒng)的核心，也是傳控系統(tǒng)技術(shù)改造的重點(diǎn)。

2 改造的必要性

原高爐卷揚(yáng)上料控制系統(tǒng)采用一臺6極55 kW JC=25%繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)拖動，轉(zhuǎn)子回路靠切換電阻實(shí)現(xiàn)速度調(diào)整，通過主令控制器(與電機(jī)同軸連接)采集料車位置控制電阻的投入切除，同時控制機(jī)械抱閘的開閉。該繼電－接觸器控制系統(tǒng)與變頻調(diào)速系統(tǒng)相比，主要缺陷如下。

(1)起動性能差。繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速起動會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這對電動機(jī)和電網(wǎng)都很不利。其調(diào)速變化呈跳躍狀，屬能耗型轉(zhuǎn)差調(diào)速，電阻容易燒毀;使得減速機(jī)齒輪、料車與斜橋?qū)к壷g，在加、減速運(yùn)行階段均受到?jīng)_擊力的作用，設(shè)備易損壞，鋼絲繩易疲勞，維修量大，檢修費(fèi)用增加。而采用變頻調(diào)速可實(shí)現(xiàn)軟起動，對電網(wǎng)和機(jī)械都沒有沖擊，可以降低用電配備容量，節(jié)省增容費(fèi)的開支，而且起動過程可以控制，起動、加減速等均可設(shè)置。

(2)調(diào)節(jié)及控制性能差。串電阻起動調(diào)速范圍小，調(diào)速困難，使得料車速度呈突變，減速后停車時仍有較高轉(zhuǎn)速，對制動器和限位開關(guān)的調(diào)整精度要求高，且易發(fā)生越位及掉道事故。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)過程非?？?，且調(diào)速范圍廣，調(diào)節(jié)時間可設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)精確控制。

(3)節(jié)能性差。變頻調(diào)速的低速性能的節(jié)能效果比轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速明顯。料車低速時，機(jī)械特性軟，因?yàn)檗D(zhuǎn)速的降低是通過轉(zhuǎn)子外接電阻消耗能量來實(shí)現(xiàn)的，消耗在電阻中的能量比例越大，能耗越高，極不經(jīng)濟(jì)，電網(wǎng)電壓的高低對速度影響很大。嚴(yán)重時，料車無法起動，易產(chǎn)生事故。

顯然，傳統(tǒng)的控制方式已不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的要求，采用變頻調(diào)速新技術(shù)進(jìn)行技術(shù)改造已勢在必行。

3 高爐卷揚(yáng)上料系統(tǒng)變頻調(diào)速改造方案

(1)變頻調(diào)速改造的目的:改善上料系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，為高爐的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)創(chuàng)造條件;節(jié)約能源，降低消耗，減少故障率，提高經(jīng)濟(jì)效率。

(2)變頻調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)的主要功能:①能夠頻繁起動，制動，停車，反向，轉(zhuǎn)速平穩(wěn);② 卷揚(yáng)料車起升、下降速度調(diào)整按料車行程曲線運(yùn)行，能廣泛調(diào)速，防止過載、過流;③起升初始脈沖電壓調(diào)整，防止抱閘打開時重物下滑;④制動器動作與變頻器起停聯(lián)鎖，延時調(diào)整，防止裝置過載、過流;⑤料車起動、停車及加、減速應(yīng)平穩(wěn)，速度控制受負(fù)載(空載或滿載)影響較小;⑥ 動態(tài)儲能，電源瞬間掉電時傳動系統(tǒng)仍保持一定的動能;⑦自動再起動功能，電源掉電恢復(fù)后變頻器可直接切入正在工作的電機(jī)，保證正常工作;⑧ 電機(jī)保護(hù)功能，I2t限制;故障自診斷計故障報警，跟蹤記憶過程參數(shù);⑨通信功能，跟蹤記憶過程參數(shù)，并傳送給上位PLC系統(tǒng)。

(3)上料卷揚(yáng)電機(jī)容量的選擇如下。

①3#高爐卷揚(yáng)料車原采用YZR繞線型電機(jī)加轉(zhuǎn)子串電阻方案進(jìn)行調(diào)速，YZR繞線型電機(jī)加轉(zhuǎn)子串電阻方案的最大轉(zhuǎn)矩為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的3.3倍，變頻電機(jī)采用變頻調(diào)速方案的最大轉(zhuǎn)矩為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的2.3倍，變頻電機(jī)的概算功率為:

②計算方法為:

式中:Q——起重量，Q=6 000 kg;

N——起升速度，N=60 m/min;

K——功率安全系數(shù)，1.5 ～2，取 K=1.8。

由式(1)、(2)驗(yàn)算結(jié)果可見，選用一臺6極75 kW的變頻調(diào)速電機(jī)是合理的。

(4)變頻器的選用。

對于高爐卷揚(yáng)上料系統(tǒng)這種特殊性負(fù)載，選用的原則之一是所選變頻器必須具有在滿載或過載時輸出恒定轉(zhuǎn)矩的功能，即要用具有轉(zhuǎn)矩限定的無跳閘變頻器。例如:當(dāng)小車裝完料時，在關(guān)閉出料口有大的物料將出料口卡住，或料門關(guān)閉系統(tǒng)發(fā)生故障時，使小車多裝料20% ～40%，發(fā)生這種情況時，按工藝要求及實(shí)際情況是不可能用人工將多裝的料卸掉的，只能拉到爐頂?shù)谷敫郀t。所以要求變頻器要留有較大的電流余量。又如:在高爐虧料時，要求及時趕料線;上料系統(tǒng)需要連續(xù)作業(yè)，以致引起變頻器工作溫度上升，運(yùn)行電流下降，其過載能力也相應(yīng)下降等?；谏鲜隹紤]，選用SIMTIC 6SE7032－1EG60型變頻調(diào)速裝置。運(yùn)用矢量控制方式，實(shí)現(xiàn)精確的速度控制。

變頻器容量選擇是根據(jù)電機(jī)電流進(jìn)行而不是根據(jù)電機(jī)功率進(jìn)行的，本系統(tǒng)選擇75 kW的6極變頻電機(jī)，其額定電流是140 A，在達(dá)到其最大轉(zhuǎn)矩時需要電流為:I最大=140×2=280 A。

變頻器的技術(shù)參數(shù)表明通用變頻器的過載電流是變頻器額定電流的150%、1 min，本卷揚(yáng)系統(tǒng)要求的最短上料時間是56 s。根據(jù)系統(tǒng)平穩(wěn)性要求，變頻器頻率的上升時間和下降時間最短各需要7 s，這樣一來處于過載運(yùn)行的時間占整個運(yùn)行周期的28%，所以需要最大限度地利用變頻器的過載能力，才能滿足高爐上料系統(tǒng)的工藝要求。

(5)變頻調(diào)速改造方案。

采用變頻調(diào)速，在不改變工人操作習(xí)慣的前提下，充分利用原有系統(tǒng)的線路、柜體等設(shè)備，取代原有的串電阻調(diào)速、繼電－接觸器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高爐上料過程的自動控制。變頻調(diào)速系統(tǒng)選配西門子6SE7032－1EG60;PLC采用 SIMATIC CPU412，與ET200M從站 I/O模板構(gòu)成核心控制。變頻器制動單元選配50 kW與制動電阻8 Ω，采用能耗制動方式實(shí)現(xiàn)了卷揚(yáng)系統(tǒng)的制動。主傳動部分為兩臺變頻調(diào)速柜實(shí)現(xiàn)一備一用，通過主控制柜實(shí)現(xiàn)裝置之間的切換。每個變頻器的控制信號通過切換柜的電氣設(shè)備來完成基本聯(lián)鎖及控制，在PLC與切換柜之間、操作臺與切換柜之間利用繼電器相互隔離，使料車的控制可以由PLC或操作臺分別控制系統(tǒng)，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。

由6SE70變頻器裝置中的抱閘專用控制功能來實(shí)現(xiàn)料車運(yùn)行中的抱閘控制及聯(lián)鎖控制，實(shí)現(xiàn)精確停車。料車定位系統(tǒng)由主令控制器來實(shí)現(xiàn)，主令控制器分別記錄料車在上行和下行過程中的特定位置，如:加速點(diǎn)，減速點(diǎn)，抱閘點(diǎn)等，并將這些位置信號以開關(guān)量的形式傳送至主控室PLC柜，再由其統(tǒng)一負(fù)責(zé)邏輯計算后控制變頻器的動作。考慮到系統(tǒng)的維護(hù)方便性，始終把可靠性放在第一位。設(shè)計了兩套系統(tǒng)并存的方案，即在新裝變頻調(diào)速系統(tǒng)的同時，仍保留原有的繼電－接觸器控制系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)皆可獨(dú)立運(yùn)行，互不影響，并且能夠快速方便地互相切換。改造后的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 高爐上料控制系統(tǒng)框圖

(6)料車變頻調(diào)速與PLC控制原理見圖2。

圖2 變頻調(diào)速與PLC控制原理

卷揚(yáng)上料系統(tǒng)操作模式主要有:①單動，操作單體設(shè)備起停，用于調(diào)試、檢修及維護(hù);②聯(lián)動，依據(jù)工藝流程順序起動和停止流程線上的相關(guān)設(shè)備，用于正常生產(chǎn)，連續(xù)運(yùn)行。

為保證上料系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性，避免料車失控、飛車事故導(dǎo)致高爐停產(chǎn)、休風(fēng)等嚴(yán)重事故，系統(tǒng)將一系列可能發(fā)生的故障和可能導(dǎo)致危險發(fā)生的情況的開關(guān)量進(jìn)行串聯(lián)，匯總于一個零壓保護(hù)回路繼電器1LYJ中。取一輔助觸點(diǎn)進(jìn)PLC零壓已合。在不出現(xiàn)任何故障的狀況下，零壓回路為閉合狀態(tài)，此時主回路接通，系統(tǒng)才可以正常工作;如果出現(xiàn)在零壓回路中的任何一種危險則零壓回路斷開，此時串聯(lián)至主回路中的觸點(diǎn)斷開，系統(tǒng)料車故障指示燈點(diǎn)亮或電笛發(fā)出警報聲，提醒操作人員，系統(tǒng)發(fā)生了故障急需處理，此時，系統(tǒng)停止工作，抱閘將卷揚(yáng)電機(jī)的傳動軸抱死，整個傳動裝置立即停止，從而避免了可能危險的發(fā)生。

下面以卷揚(yáng)料車聯(lián)動工作原理來具體分析:當(dāng)料車在料坑底部備料裝好后，中間斗閘門關(guān)到位并且爐頂準(zhǔn)備好，爐頂布料器料空，申請上料，由PLC發(fā)出命令，料車上行QJ33繼電器動作。在綜合各種情況并判斷零壓回路閉合后。傳送運(yùn)行命令至變頻器。料車由坑部起動，6SE70調(diào)速裝置發(fā)出打開抱閘命令，轉(zhuǎn)矩輸出繼電器11KA15動作，使抱閘打開，實(shí)現(xiàn)料車的平穩(wěn)起動。

由于起始階段斜橋坡度較大、所帶負(fù)載慣量較大，需要加速運(yùn)行一段時間，設(shè)定為7 s(根據(jù)負(fù)載慣量可自定義)。當(dāng)料車運(yùn)行到加速點(diǎn)，通過加速檢測點(diǎn)時，切換互鎖高速運(yùn)行繼電器11KA3動作。發(fā)送信號給變頻器，料車以60 Hz高速運(yùn)行一段時間。當(dāng)料車要到達(dá)爐頂，進(jìn)入上行方向低速檢查，通過檢測點(diǎn)時，實(shí)際運(yùn)行速度作出比較判斷，此時，料車減速運(yùn)行繼續(xù)提升負(fù)載上行，變頻器輸出低速信號給11KA16繼電器動作，料車以22 Hz低速信號運(yùn)行。在綜合各種情況后，6SE70根據(jù)料車位置、速度作出判斷，如果判斷系統(tǒng)工作在正常條件下，料車?yán)^續(xù)向上運(yùn)行，通過停車點(diǎn)，主令料車到頂繼電器11LXJ動作，此時主令開關(guān)將料車到頂信號傳送至PLC。調(diào)速裝置發(fā)出命令給轉(zhuǎn)矩輸出繼電器11KA15動作，6SE70完成停車，控制抱閘回路動作;此時料車的停車位置應(yīng)是工藝要求的角度，即能將車內(nèi)的爐料倒凈而又不撞到極限彈簧。如果判定非正常情況發(fā)生，則系統(tǒng)停機(jī)，抱閘抱死主運(yùn)行軸。

當(dāng)料車卸料完成并延時幾秒后，PLC發(fā)出下行命令，料車下行繼電器QJ34動作，使抱閘打開，實(shí)現(xiàn)料車的下行，重復(fù)上述工作過程。當(dāng)料車返回下行距底部2～3 m時，料車進(jìn)入下行方向低速檢查，實(shí)際運(yùn)行速度作出比較判斷，判斷當(dāng)前料車位置是否正常。如果判定條件正常，繼續(xù)向下運(yùn)行，通過停車點(diǎn)，料車到底繼電器12LXJ動作;此時主令開關(guān)將料車到頂信號傳送至PLC。調(diào)速裝置發(fā)出命令給轉(zhuǎn)矩輸出繼電器11KA15動作，6SE70完成停車，控制抱閘回路動作。此時料車的停車位置應(yīng)是工藝要求的角度。電動機(jī)主回路斷電，同時制動單元能耗制動。一個工作周期完成，依次循環(huán)重復(fù)上料過程。料車速度曲線如圖3所示。

圖3 料車速度曲線

(7)料車運(yùn)行保護(hù)。料車運(yùn)行以高可靠性為目標(biāo)，在PLC中設(shè)置了完善的保護(hù)功能。主卷揚(yáng)料車裝有鋼繩松弛開關(guān);在軌道頂端安裝兩個行程開關(guān)作為料車行程極限和超極限雙重保護(hù)裝置，當(dāng)碰到限位時，必須切斷卷揚(yáng)抱閘制動，料車停止。以防止主令控制器失靈時的最后保護(hù)，再次防止料車“掛頂”事故的發(fā)生。此外還設(shè)有工作間斷電保護(hù)功能，在上料過程至中途系統(tǒng)發(fā)生故障時，由抱閘系統(tǒng)將料車抱住，以防止料車下滑。在解除故障系統(tǒng)重新起動時要求變頻器在很低的頻率時輸出很大的轉(zhuǎn)矩，這只有矢量控制的變頻器才能做到。

4 主要性能參數(shù)

變頻器:SIMTIC 6SE7032-1EG60，210 A，110 kW，400 V，2臺;制動單元:SIMTIC，50 kW，2套;制動電阻:8 Ω，2套;電動機(jī)功率:75 kW，140 A;最大起重量:Q=6 000 kg;可編程控制器:SIMATIC PLC CPU412和 ET200M I/O從站;編程、監(jiān)控軟件:Step7 5.1、WinCC 5.1。

變頻器豐富的控制方式和控制功能給用戶提供了非常靈活的使用空間，可以根據(jù)實(shí)際情況和使用經(jīng)驗(yàn)來選擇它們當(dāng)中的一種或幾種功能，調(diào)試、修改及維護(hù)非常方便。

5 改造后系統(tǒng)效果

三安鋼鐵廠3#高爐卷揚(yáng)上料系統(tǒng)技術(shù)改造系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，一直運(yùn)行穩(wěn)定，為高爐穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。提高了效率，降低了成本，其效果主要表現(xiàn)在:

(1)PLC與變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合，替代了頻繁動作的繼電－接觸器邏輯控制系統(tǒng)，操作方便，各個環(huán)節(jié)的聯(lián)鎖和保護(hù)運(yùn)行可靠。提高了系統(tǒng)可靠性，尤其是設(shè)備故障檢測、報警記錄及重要趨勢曲線圖，通過WinCC畫面實(shí)時監(jiān)控，減輕了操作人員的工作量;降低了設(shè)備維護(hù)、運(yùn)行費(fèi)用。

(2)6SE70變頻調(diào)速控制系統(tǒng)解決了調(diào)速及控制性能差的難題。改造后的料車升、降速度調(diào)節(jié)方便，范圍寬，尤其是料車到達(dá)終點(diǎn)停車平穩(wěn)、準(zhǔn)確，消除了“掛頂”事故，為高爐的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保證。

(3)提高了功率因數(shù)。對于高爐卷揚(yáng)上料系統(tǒng)這種特殊性負(fù)載，串聯(lián)電阻起動能源消耗大，功率因素很低。而采用變頻調(diào)速后，變頻器可以與電動機(jī)進(jìn)行無功功率的交換。改造后經(jīng)測算，功率因素從0.6上升到0.96;節(jié)約電能達(dá)到30%以上，大大節(jié)約了電能。

6 結(jié)語

采用變頻調(diào)速技術(shù)來改造傳統(tǒng)的繼電－接觸器卷揚(yáng)上料控制系統(tǒng)，在技術(shù)的先進(jìn)性和社會、經(jīng)濟(jì)效益方面都具有重大意義。采用變頻技術(shù)，提高了系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約了電能;解決了調(diào)速困難、故障率高的難題;減輕了工人勞動強(qiáng)度，在改善工人的勞動環(huán)境等方面都起到了積極作用。

[1]孟曉芳，李策，王鈺，等.西門子系列變頻器及其工程應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.