變頻器在高爐卷揚上料系統(tǒng)中的應(yīng)用

   西門子MicroMaster 440標(biāo)準(zhǔn)變頻器在高爐卷揚上料系統(tǒng)中的應(yīng)用。首先對高爐上料主卷揚系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和拖動系統(tǒng)的運行進(jìn)行了詳細(xì)分析。其次，確定了MM440標(biāo)準(zhǔn)變頻器作為上料主卷揚的電力傳動方式，并對控制系統(tǒng)的構(gòu)成及相應(yīng)設(shè)備的設(shè)計方案進(jìn)行介紹。最后，按照控制要求進(jìn)行具體的設(shè)計，相關(guān)功能的實現(xiàn)和具體參數(shù)的設(shè)定。高爐上料系統(tǒng)利用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)將PLC系統(tǒng)與變頻器系統(tǒng)緊密結(jié)合在一起，實現(xiàn)PLC與變頻器控制的統(tǒng)一，解決了因卷揚控制系統(tǒng)不穩(wěn)定而造成的休風(fēng)、停產(chǎn)問題。提高了卷揚上料系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了上料系統(tǒng)的故障率。標(biāo)準(zhǔn)型變頻器的靈活應(yīng)用，成為高爐實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：

    高爐，主卷揚，MM440，電力傳動

一．引言

    隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，在各個領(lǐng)域的發(fā)展過程中對鋼鐵需求的數(shù)量與質(zhì)量與日俱增。我國的鋼鐵生產(chǎn)工藝正向數(shù)字化的高新技術(shù)方向發(fā)展。作為整個鋼鐵生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，高爐煉鐵工藝中高新技術(shù)的應(yīng)用尤為重要。其技術(shù)指標(biāo)如何，對整個鋼鐵工藝流程有著直接和顯著的影響。其中又以高爐上料主卷揚系統(tǒng)為整個高爐的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)原料的輸送。對卷揚系統(tǒng)采用高新技術(shù)進(jìn)行合理控制與優(yōu)化便成為現(xiàn)代鋼鐵工藝中的一個重要課題。本次卷揚系統(tǒng)的設(shè)計是以MM440標(biāo)準(zhǔn)型變頻器作為傳動部分的核心控制部件，并與主控PLC自動化系統(tǒng)緊密結(jié)合使用，從而達(dá)到了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與操控靈活性的完善結(jié)合。

二．系統(tǒng)介紹

    接下來對此次工程的控制主體，卷揚上料主系統(tǒng)進(jìn)行簡要的介紹。此次承接項目高爐容積為750m³，屬于中小型高爐，采用斜橋式料車上料系統(tǒng)。斜橋式料車上料機(jī)主要由斜橋、料車、卷揚電機(jī)三部分組成。

    料車在斜橋上的運動分為起動、加速、穩(wěn)定運行、減速、傾翻和制動六個階段。在整個過程中包括兩次加速和兩次減速，即第一次加速點、第二次加速點的高速給定值使料車加速；第一次減速點、第二次減速點的低速給定值使料車減速。

       (1)t₁時間內(nèi)：料車起動，重料車開始上行，同時空料車自爐頂極限位置下行。此時，鋼繩自卷筒退出的加速度不應(yīng)超過料車的加速度，以免產(chǎn)生鋼繩松弛現(xiàn)象。此段時間對應(yīng)于斜橋的A區(qū)域，由于此處軌道較陡，在給定值相同的情況下加速度α₁只為0.2～0.4m/s²，以較低的加速度加速運行。

       (2)t₂時間內(nèi)：重料車?yán)^續(xù)上行，通過A區(qū)域，進(jìn)入了斜橋的B區(qū)域，此處軌道傾角比A區(qū)域小，則加速度α₂會變大升至0.4～0.8m/s²。料車以較高加速度加速到最大速度υ。

       (3)t₃時間內(nèi)：料車以最大速度υ穩(wěn)定運行。

   (4)t₄時間內(nèi)：重料車進(jìn)入卸料曲軌道之前的第一次減速時間，加速度α₄=-0.4～0.8m/s²。如圖2.5所示，在第一次減速點，取消之前的卷揚電機(jī)高速給定，轉(zhuǎn)而給卷揚電機(jī)接入低速給定值，通過電機(jī)的回饋制動使料車減速至υ_p。

       (5)t₅為重料車在卸料曲軌段等速走行時間，速度υ_p=1m/s左右。

       (6)t₆為重料車第二次減速到停車的時間，一般加速度α₆=-0.4～0.8m/s²。如圖2.5所示，在第二次減速點，要將此時的速度與預(yù)先的給定值進(jìn)行比較。如果速度降低到預(yù)期之內(nèi)則可進(jìn)行第二次減速；如果此時速度過大，超過了預(yù)期值則要通過調(diào)速器進(jìn)行報警。

    料車式上料機(jī)的工作特點為：

    工作過程中，兩個料車交替上料，當(dāng)裝滿爐料的料車上升時，空料車下行，空車重量相當(dāng)于一個平衡錘，平衡了重料車的車箱自重。這樣，當(dāng)上行或下行二個料車用一個卷揚機(jī)拖動時，不但節(jié)省了拖動電機(jī)功率，而且，電機(jī)運轉(zhuǎn)時，總有一個重料車上行，沒有空行程。從而，使得電動機(jī)總是處于電動狀態(tài)運行，免去了電動機(jī)處于發(fā)電運行狀態(tài)所帶來的種種問題。

三．控制系統(tǒng)構(gòu)成

    根據(jù)廠家要求，主卷揚上料系統(tǒng)必須獨立于主系統(tǒng)而自成一套獨立系統(tǒng)，并通過以太網(wǎng)與主PLC系統(tǒng)通訊，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制與數(shù)據(jù)時時傳輸。電氣傳動裝置選擇的是西門子標(biāo)準(zhǔn)型變頻器6SE64402UD420GA1兩臺，為一備一用狀態(tài)，可以通過轉(zhuǎn)換開關(guān)來時時切換兩臺裝置，保證了運行的可靠性。變頻器電壓等級為380V，功率為200KW。由于考慮到卷揚系統(tǒng)為大慣量位能性負(fù)載特性，配置了制動單元與制動電阻，以保證料車停車過程中能量的回饋不會造成直流母線電壓升高從而造成故障。制動單元為6SE70327EB872DA0，制動電阻為6SE70327ES872DC0，配合使用峰值制動功率可達(dá)到255KW,可以滿足傳動系統(tǒng)的制動要求。由于采用矢量控制方式需要速度反饋值，變頻器選裝了脈沖編碼器模塊6SE64000EN000AA0，將電機(jī)側(cè)編碼器反饋回的信號經(jīng)由此模塊轉(zhuǎn)換傳送給變頻器。傳動邏輯控制的PLC為西門子200系列PLC，主機(jī)為CPU226，配擴(kuò)展I/O模塊，及EM243-1以太網(wǎng)通訊模塊與上級PLC系統(tǒng)通訊。

四．運行原理及功能

   我們采用了西門子MM440標(biāo)準(zhǔn)型變頻調(diào)速裝置，運用矢量控制方式，實現(xiàn)了精確的速度控制。系統(tǒng)配置了制動單元與制動電阻，采用能耗制動方式實現(xiàn)了卷揚系統(tǒng)的制動。主傳動部分為兩臺變頻調(diào)速柜實現(xiàn)一備一用，通過主控制柜實現(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，在主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)，提高整個系統(tǒng)的可靠性。抱閘由MM440裝置中的抱閘專用控制功能來實現(xiàn)料車運行中的抱閘控制及聯(lián)鎖控制。料車定位系統(tǒng)由主令控制器來實現(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，減速點，檢測點等。并將這些位置信號以開關(guān)量的形式傳送至主控柜內(nèi)的傳動PLC，再由其統(tǒng)一負(fù)責(zé)邏輯計算后控制變頻器的動作。

    為了保證控制系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，避免料車失控發(fā)生飛車事故進(jìn)而導(dǎo)致高爐停產(chǎn)，休風(fēng)等嚴(yán)重事故的發(fā)生，本系統(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)行串連匯總與一個零壓保護(hù)回路中。在不出現(xiàn)任何狀況下，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，此時串連至主回路中的觸點斷開，變頻器進(jìn)線側(cè)的主回路斷電，這個系統(tǒng)停止工作，抱閘電機(jī)將卷揚電機(jī)的傳動軸抱死，整個傳動裝置馬上停止，從而避免了可能危險的發(fā)生。

    下面來介紹一下料車運行的整個控制與傳動順序：將要上料的一個料車在料坑底部，已經(jīng)裝好備料（礦石或焦炭），另一料車在斜橋頂部。爐頂布料器料空，申請上料，由主PLC發(fā)出命令給控制柜內(nèi)的傳動PLC，在綜合各種情況并判斷零壓回路閉合后，傳送運行命令至變頻器，MM440在接到開車命令后系統(tǒng)解封。通過MM440系統(tǒng)中的抱閘控制功能，建立在抱閘狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩限幅給出的啟車力矩電流后，MM440系統(tǒng)發(fā)出打開抱閘命令，使抱閘打開，實現(xiàn)料車的平穩(wěn)啟動。

    當(dāng)料車啟動運行后，由于起始階段斜橋坡度較大、所帶負(fù)載慣量較大，電機(jī)先以高速運行。在運行至第一減速點時，由主令控制器返回位置信號至PLC處理后輸出低速信號至MM440變頻器開關(guān)量輸入端子，選擇低速給定。此時電動機(jī)開始減速運行繼續(xù)提升負(fù)載。料車?yán)^續(xù)上行，當(dāng)通過檢測點時，變頻器在內(nèi)部將實際速度值與給定在此位置的設(shè)定減速值進(jìn)行比較，如果實際速度小于等于設(shè)定值則變頻器輸出一個低速到達(dá)信號至PLC，在綜合各種情況后如果判斷系統(tǒng)工作在一個正常條件下則料車?yán)^續(xù)上行，如果速度超?；蛘咂渌钦Ｇ闆r發(fā)生則系統(tǒng)停機(jī)，抱閘電機(jī)抱死主運行軸。料車在正常條件下繼續(xù)向上運行通過停車點，此時主令開關(guān)將停車位置傳送至PLC，處理后發(fā)送停車指令至變頻器，變頻器開始停車，抱閘閉合，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上超極限彈簧。

五．變頻器的主要調(diào)試參數(shù)

    在本章主要介紹一下在調(diào)試過程中需要重點注意的一些參數(shù)。

    1. 快速調(diào)試及系統(tǒng)優(yōu)化。在快速調(diào)試中，輸入電機(jī)的各個銘牌參數(shù)，首先以P1910=0，P3900=1結(jié)束快速調(diào)試。其結(jié)果是重新計算并改寫了電機(jī)參數(shù)P0300-P396的內(nèi)容。這些計算結(jié)果完全是根據(jù)你輸入的銘牌參數(shù)通過電機(jī)數(shù)學(xué)模型得到的，這些數(shù)值是將會參與運行時刻的實際控制的。但是，有些數(shù)值不是正確的實際值，僅僅是按數(shù)學(xué)模型計算出來的。因此，需要通過P1910=1進(jìn)行自動測定得到實際值。輸入P1910=1,啟動變頻器。變頻器自動對每一相檢測（電機(jī)不會轉(zhuǎn)動）并且將測試的每相結(jié)果保存到r1912[0，1，2]-r1915，也就是定子電阻（U、V、W相）、時間常數(shù)、電感等等。同時也修改了上面按模型計算的結(jié)果。這樣使控制更能接近真實。通過以上調(diào)試建立了比較接近實際的電機(jī)模型。當(dāng)控制采用非V/f控制的時候，就有了一個比較好的模型。在經(jīng)過快速調(diào)試得到電機(jī)真是模型后即 可按照所需功能設(shè)定相應(yīng)參數(shù)。

    2.用MM440的16種速度給定值可以實現(xiàn)高低速度的切換。P1000=3選擇固定頻率給定作為頻率主設(shè)定值，P1001=70%，作為起始階段的高速速度給定；P1003=15%作為經(jīng)過減速點后的低速速度給定。P1020=1，P1021=722.1，P702=99，用數(shù)字量輸入2作為低速選擇的開關(guān)，當(dāng)數(shù)字量輸入2置為1時選擇P1003的速度給定值。

    3.抱閘的控制也是這此工程中的一個重點內(nèi)容。抱閘系統(tǒng)為主控制主電動機(jī)制動的裝置，在啟動系統(tǒng)時需要首先打開抱閘而后主卷揚運行提升料車，在系統(tǒng)停止時，需要變頻器與抱閘相互配合以達(dá)到變頻器停止時抱閘將主軸抱死達(dá)到制動的目的。在控制過程中，由于帶動的是大慣量位能性負(fù)載如果變頻器剛一啟動就打開抱閘，由于在低頻時變頻器所出力矩還未達(dá)到要求值所以有可能發(fā)生溜車現(xiàn)象。為了放置這種現(xiàn)象的發(fā)生，設(shè)計了抱閘控制參數(shù)以使變頻器達(dá)到一定的力矩輸出后再打開抱閘，從而避免危險的發(fā)生。P1215=1，使能抱閘控制功能；P1216＝3s，在變頻器運行3s后再輸出抱閘允許的開關(guān)量，再打開抱閘；P1217=0s，表示變頻器停機(jī)后馬上閉合抱閘將主軸抱死。

六. 應(yīng)用體會

    通過此次高爐卷揚系統(tǒng)項目，我在獨立設(shè)計和分析問題的全面性等方面受益甚夥。卷揚控制系統(tǒng)是實現(xiàn)了高爐生產(chǎn)全過程自動控制的基礎(chǔ)，通過采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)以及穩(wěn)定的PLC控制技術(shù)大大提高了這個高爐生產(chǎn)最重要環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)自投入運行以來一直穩(wěn)定運行，對高爐穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，降低成本，減輕工人勞動強(qiáng)度起著重要作用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。