變頻器在高爐卷?yè)P(yáng)上料系統(tǒng)中的應(yīng)用

   西門(mén)子MicroMaster 440標(biāo)準(zhǔn)變頻器在高爐卷?yè)P(yáng)上料系統(tǒng)中的應(yīng)用。首先對(duì)高爐上料主卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)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?yè)P(yáng)的電力傳動(dòng)方式，并對(duì)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及相應(yīng)設(shè)備的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹。最后，按照控制要求進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)，相關(guān)功能的實(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)PLC與變頻器控制的統(tǒng)一，解決了因卷?yè)P(yáng)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定而造成的休風(fēng)、停產(chǎn)問(wèn)題。提高了卷?yè)P(yáng)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：

    高爐，主卷?yè)P(yáng)，MM440，電力傳動(dòng)

一．引言

    隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展過(guò)程中對(duì)鋼鐵需求的數(shù)量與質(zhì)量與日俱增。我國(guó)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(gè)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(duì)整個(gè)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?yè)P(yáng)系統(tǒng)為整個(gè)高爐的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)原料的輸送。對(duì)卷?yè)P(yáng)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(gè)重要課題。本次卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以MM440標(biāo)準(zhǔn)型變頻器作為傳動(dòng)部分的核心控制部件，并與主控PLC自動(dòng)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(lái)對(duì)此次工程的控制主體，卷?yè)P(yáng)上料主系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。此次承接項(xiàng)目高爐容積為750m³，屬于中小型高爐，采用斜橋式料車(chē)上料系統(tǒng)。斜橋式料車(chē)上料機(jī)主要由斜橋、料車(chē)、卷?yè)P(yáng)電機(jī)三部分組成。

    料車(chē)在斜橋上的運(yùn)動(dòng)分為起動(dòng)、加速、穩(wěn)定運(yùn)行、減速、傾翻和制動(dòng)六個(gè)階段。在整個(gè)過(guò)程中包括兩次加速和兩次減速，即第一次加速點(diǎn)、第二次加速點(diǎn)的高速給定值使料車(chē)加速；第一次減速點(diǎn)、第二次減速點(diǎn)的低速給定值使料車(chē)減速。

       (1)t₁時(shí)間內(nèi)：料車(chē)起動(dòng)，重料車(chē)開(kāi)始上行，同時(shí)空料車(chē)自爐頂極限位置下行。此時(shí)，鋼繩自卷筒退出的加速度不應(yīng)超過(guò)料車(chē)的加速度，以免產(chǎn)生鋼繩松弛現(xiàn)象。此段時(shí)間對(duì)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(yùn)行。

       (2)t₂時(shí)間內(nèi)：重料車(chē)?yán)^續(xù)上行，通過(guò)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(huì)變大升至0.4～0.8m/s²。料車(chē)以較高加速度加速到最大速度υ。

       (3)t₃時(shí)間內(nèi)：料車(chē)以最大速度υ穩(wěn)定運(yùn)行。

   (4)t₄時(shí)間內(nèi)：重料車(chē)進(jìn)入卸料曲軌道之前的第一次減速時(shí)間，加速度α₄=-0.4～0.8m/s²。如圖2.5所示，在第一次減速點(diǎn)，取消之前的卷?yè)P(yáng)電機(jī)高速給定，轉(zhuǎn)而給卷?yè)P(yáng)電機(jī)接入低速給定值，通過(guò)電機(jī)的回饋制動(dòng)使料車(chē)減速至υ_p。

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

       (6)t₆為重料車(chē)第二次減速到停車(chē)的時(shí)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(diǎn)，要將此時(shí)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(shí)速度過(guò)大，超過(guò)了預(yù)期值則要通過(guò)調(diào)速器進(jìn)行報(bào)警。

    料車(chē)式上料機(jī)的工作特點(diǎn)為：

    工作過(guò)程中，兩個(gè)料車(chē)交替上料，當(dāng)裝滿(mǎn)爐料的料車(chē)上升時(shí)，空料車(chē)下行，空車(chē)重量相當(dāng)于一個(gè)平衡錘，平衡了重料車(chē)的車(chē)箱自重。這樣，當(dāng)上行或下行二個(gè)料車(chē)用一個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)拖動(dòng)時(shí)，不但節(jié)省了拖動(dòng)電機(jī)功率，而且，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，總有一個(gè)重料車(chē)上行，沒(méi)有空行程。從而，使得電動(dòng)機(jī)總是處于電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行，免去了電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)所帶來(lái)的種種問(wèn)題。

三．控制系統(tǒng)構(gòu)成

    根據(jù)廠家要求，主卷?yè)P(yáng)上料系統(tǒng)必須獨(dú)立于主系統(tǒng)而自成一套獨(dú)立系統(tǒng)，并通過(guò)以太網(wǎng)與主PLC系統(tǒng)通訊，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制與數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)傳輸。電氣傳動(dòng)裝置選擇的是西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)型變頻器6SE64402UD420GA1兩臺(tái)，為一備一用狀態(tài)，可以通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)時(shí)時(shí)切換兩臺(tái)裝置，保證了運(yùn)行的可靠性。變頻器電壓等級(jí)為380V，功率為200KW。由于考慮到卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)為大慣量位能性負(fù)載特性，配置了制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻，以保證料車(chē)停車(chē)過(guò)程中能量的回饋不會(huì)造成直流母線電壓升高從而造成故障。制動(dòng)單元為6SE70327EB872DA0，制動(dòng)電阻為6SE70327ES872DC0，配合使用峰值制動(dòng)功率可達(dá)到255KW,可以滿(mǎn)足傳動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)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(hào)經(jīng)由此模塊轉(zhuǎn)換傳送給變頻器。傳動(dòng)邏輯控制的PLC為西門(mén)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(jí)PLC系統(tǒng)通訊。

四．運(yùn)行原理及功能

   我們采用了西門(mén)子MM440標(biāo)準(zhǔn)型變頻調(diào)速裝置，運(yùn)用矢量控制方式，實(shí)現(xiàn)了精確的速度控制。系統(tǒng)配置了制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻，采用能耗制動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)了卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)的制動(dòng)。主傳動(dòng)部分為兩臺(tái)變頻調(diào)速柜實(shí)現(xiàn)一備一用，通過(guò)主控制柜實(shí)現(xiàn)裝置之間的切換。每個(gè)變頻器的控制信號(hào)通過(guò)切換柜的電氣設(shè)備來(lái)完成基本聯(lián)鎖及控制，在主PLC與切換柜之間、操作臺(tái)與切換柜之間利用繼電器相互隔離，使料車(chē)的控制可以由PLC或操作臺(tái)分別控制系統(tǒng)，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。抱閘由MM440裝置中的抱閘專(zhuān)用控制功能來(lái)實(shí)現(xiàn)料車(chē)運(yùn)行中的抱閘控制及聯(lián)鎖控制。料車(chē)定位系統(tǒng)由主令控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，主令控制器分別記錄料車(chē)在上行和下行過(guò)程中的特定位置如：加速點(diǎn)，減速點(diǎn)，檢測(cè)點(diǎn)等。并將這些位置信號(hào)以開(kāi)關(guān)量的形式傳送至主控柜內(nèi)的傳動(dòng)PLC，再由其統(tǒng)一負(fù)責(zé)邏輯計(jì)算后控制變頻器的動(dòng)作。

    為了保證控制系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，避免料車(chē)失控發(fā)生飛車(chē)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(xiǎn)發(fā)生的情況的開(kāi)關(guān)量進(jìn)行串連匯總與一個(gè)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(shí)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(xiǎn)則零壓回路斷開(kāi)，此時(shí)串連至主回路中的觸點(diǎn)斷開(kāi)，變頻器進(jìn)線側(cè)的主回路斷電，這個(gè)系統(tǒng)停止工作，抱閘電機(jī)將卷?yè)P(yáng)電機(jī)的傳動(dòng)軸抱死，整個(gè)傳動(dòng)裝置馬上停止，從而避免了可能危險(xiǎn)的發(fā)生。

    下面來(lái)介紹一下料車(chē)運(yùn)行的整個(gè)控制與傳動(dòng)順序：將要上料的一個(gè)料車(chē)在料坑底部，已經(jīng)裝好備料（礦石或焦炭），另一料車(chē)在斜橋頂部。爐頂布料器料空，申請(qǐng)上料，由主PLC發(fā)出命令給控制柜內(nèi)的傳動(dòng)PLC，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，MM440在接到開(kāi)車(chē)命令后系統(tǒng)解封。通過(guò)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(chē)力矩電流后，MM440系統(tǒng)發(fā)出打開(kāi)抱閘命令，使抱閘打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)料車(chē)的平穩(wěn)啟動(dòng)。

    當(dāng)料車(chē)啟動(dòng)運(yùn)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(yùn)行。在運(yùn)行至第一減速點(diǎn)時(shí)，由主令控制器返回位置信號(hào)至PLC處理后輸出低速信號(hào)至MM440變頻器開(kāi)關(guān)量輸入端子，選擇低速給定。此時(shí)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始減速運(yùn)行繼續(xù)提升負(fù)載。料車(chē)?yán)^續(xù)上行，當(dāng)通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，變頻器在內(nèi)部將實(shí)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(shí)際速度小于等于設(shè)定值則變頻器輸出一個(gè)低速到達(dá)信號(hào)至PLC，在綜合各種情況后如果判斷系統(tǒng)工作在一個(gè)正常條件下則料車(chē)?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(yùn)行軸。料車(chē)在正常條件下繼續(xù)向上運(yùn)行通過(guò)停車(chē)點(diǎn)，此時(shí)主令開(kāi)關(guān)將停車(chē)位置傳送至PLC，處理后發(fā)送停車(chē)指令至變頻器，變頻器開(kāi)始停車(chē)，抱閘閉合，此時(shí)料車(chē)的停車(chē)位置應(yīng)是工藝要求的角度，即能將車(chē)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(guò)程中需要重點(diǎn)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(gè)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(jì)算并改寫(xiě)了電機(jī)參數(shù)P0300-P396的內(nèi)容。這些計(jì)算結(jié)果完全是根據(jù)你輸入的銘牌參數(shù)通過(guò)電機(jī)數(shù)學(xué)模型得到的，這些數(shù)值是將會(huì)參與運(yùn)行時(shí)刻的實(shí)際控制的。但是，有些數(shù)值不是正確的實(shí)際值，僅僅是按數(shù)學(xué)模型計(jì)算出來(lái)的。因此，需要通過(guò)P1910=1進(jìn)行自動(dòng)測(cè)定得到實(shí)際值。輸入P1910=1,啟動(dòng)變頻器。變頻器自動(dòng)對(duì)每一相檢測(cè)（電機(jī)不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)）并且將測(cè)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(shí)間常數(shù)、電感等等。同時(shí)也修改了上面按模型計(jì)算的結(jié)果。這樣使控制更能接近真實(shí)。通過(guò)以上調(diào)試建立了比較接近實(shí)際的電機(jī)模型。當(dāng)控制采用非V/f控制的時(shí)候，就有了一個(gè)比較好的模型。在經(jīng)過(guò)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(shí)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(guò)減速點(diǎn)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(kāi)關(guān)，當(dāng)數(shù)字量輸入2置為1時(shí)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(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。抱閘系統(tǒng)為主控制主電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的裝置，在啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)需要首先打開(kāi)抱閘而后主卷?yè)P(yáng)運(yùn)行提升料車(chē)，在系統(tǒng)停止時(shí)，需要變頻器與抱閘相互配合以達(dá)到變頻器停止時(shí)抱閘將主軸抱死達(dá)到制動(dòng)的目的。在控制過(guò)程中，由于帶動(dòng)的是大慣量位能性負(fù)載如果變頻器剛一啟動(dòng)就打開(kāi)抱閘，由于在低頻時(shí)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(chē)現(xiàn)象。為了放置這種現(xiàn)象的發(fā)生，設(shè)計(jì)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(kāi)抱閘，從而避免危險(xiǎn)的發(fā)生。P1215=1，使能抱閘控制功能；P1216＝3s，在變頻器運(yùn)行3s后再輸出抱閘允許的開(kāi)關(guān)量，再打開(kāi)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(huì)

    通過(guò)此次高爐卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)項(xiàng)目，我在獨(dú)立設(shè)計(jì)和分析問(wèn)題的全面性等方面受益甚夥。卷?yè)P(yáng)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)了高爐生產(chǎn)全過(guò)程自動(dòng)控制的基礎(chǔ)，通過(guò)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(gè)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(yùn)行以來(lái)一直穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)高爐穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，降低成本，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度起著重要作用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。