通過S120變頻器實(shí)現(xiàn)高爐探尺的精準(zhǔn)控制

陳慶

摘要：該文采用西門子$120交流變頻器的獨(dú)特性能，介紹了高爐機(jī)械探尺的精準(zhǔn)控制方法，通過放尺過程中轉(zhuǎn)矩的變化精準(zhǔn)捕捉料面，通過速度的變化精準(zhǔn)判斷生產(chǎn)中料面的異常變化，實(shí)現(xiàn)了放尺過程中速度控制方式與轉(zhuǎn)矩控制方式的快速切換，無需太精確的函數(shù)關(guān)系式就能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地跟尺。同時在放尺料面跟隨時不同料線深度的動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制保證了系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)、可靠、安全。

關(guān)鍵詞：S120變頻器；高爐；探尺；料面跟隨；轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償；速度控制；轉(zhuǎn)矩控制

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）17-0261-03

1背景

機(jī)械探尺是高爐冶煉時用來檢測高爐內(nèi)部物料料面深度的關(guān)鍵設(shè)備，探尺的可靠運(yùn)行是高爐順利運(yùn)行的前提和保障。它是煉鐵高爐上料系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于檢測爐內(nèi)物料的深度，當(dāng)下完一批料，探尺自零位自動下放，下放至爐內(nèi)料面后，探尺被物料支撐，其速度減至零，但不能出現(xiàn)倒尺或埋尺，然后在冶煉進(jìn)程中要跟隨料面下降，當(dāng)探尺下放到設(shè)定深度時，自動提升到零位。如此往復(fù)，檢測深度，以供操作人員設(shè)定礦石與焦炭等物料的布料角度、以及圈數(shù)。

2機(jī)械探尺的工作原理

機(jī)械探尺設(shè)備裝置多為鏈條式結(jié)構(gòu)，主要由電機(jī)、卷筒、鏈條、重錘及電氣控制系統(tǒng)組成，將鏈條固定于卷筒上，鏈條下端掛上重錘，鏈條和重錘深入高爐內(nèi)部，通過電機(jī)驅(qū)動控制重錘的上升的下降。在實(shí)際工作中它有三種工作方式：提尺、放尺、料面跟隨，根據(jù)工藝必須滿足以下要求：

1）提尺快速、穩(wěn)定，在達(dá)到零位時必須可靠、準(zhǔn)確停尺。

2）放尺要勻速，不能出現(xiàn)卡頓和慣性沖尺現(xiàn)象。

3）料面跟隨要靈活，不能出現(xiàn)卡尺、倒尺、埋尺，造成鏈條斷和重錘燒損。

2.1提尺的力矩關(guān)系

探尺向上提尺時，變頻器為純速度控制控模式，此時電機(jī)的運(yùn)行方向和重錘的運(yùn)行方向相同，但是電機(jī)的力矩Md與探尺重錘的重量Mg、探尺鏈條的重量M1、摩擦力矩Mz的力矩相反如圖1所示，電機(jī)力矩關(guān)系為：

2.2探尺放尺的力矩關(guān)系

探尺放尺是利用重錘與鏈條的自身重量來進(jìn)行一定的傳動，此時變頻器處于速度閉環(huán)控制狀態(tài)，在Md的調(diào)節(jié)下，重錘以恒速V下落，此時電機(jī)驅(qū)動力矩與探尺重錘及鏈條的重力力矩方向相反，運(yùn)行方向與重錘運(yùn)動方向相同，力矩關(guān)系為：

2.3探尺料面跟隨的力矩關(guān)系

探尺在勻速下放的過程中，當(dāng)重錘觸及料面時，電機(jī)轉(zhuǎn)矩會突然變小。變頻器自動切換到力矩控制。跟尺時探尺錘頭受到料面的支撐，重錘的重量Mg消失，在料面下降。支撐力消失時重錘的重量Mg出現(xiàn)，為保證測量料面的準(zhǔn)確性，要求重錘立于料面而不倒，電機(jī)要產(chǎn)生保持向上的張力Md拉住重錘而不出現(xiàn)倒錘。不能出現(xiàn)倒尺、松繩和埋尺現(xiàn)象。因為一旦出現(xiàn)這些現(xiàn)象，將有可能使探尺錘燒毀或鏈條燒斷，導(dǎo)致探尺無法工作，即無法正常探料，直接影響高爐生產(chǎn)。如果Md太大，重錘就不能跟隨料面，發(fā)生重錘懸浮現(xiàn)象，探尺也不能反映料面的真實(shí)高度。實(shí)際應(yīng)用中，這兩種情況都是不允許出現(xiàn)的，此時滿足以下力矩關(guān)系：

3機(jī)械探尺的控制系統(tǒng)

3.1控制系統(tǒng)的硬件選型

從以上的控制工藝要求變頻器的控制方式要不斷在速度控制和轉(zhuǎn)矩控制方式之間實(shí)時切換，電動機(jī)調(diào)速特性穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩特性好，控制過程中速度穩(wěn)定、勻速，能夠?qū)Σ煌暇€深度進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，系統(tǒng)反應(yīng)快，穩(wěn)定、可靠。系統(tǒng)選擇以下控制設(shè)備和功能：

1）PLC為西門子S1200的1215C，CPU自帶PN接口用于連接現(xiàn)場設(shè)備。

2）變頻器為SINANICS S120變頻器，通過CUA31將功率模塊PM340、控制單元CU320-2PN、編碼器模塊SMC20（用于連接增量型編碼器）連接成一個系統(tǒng)。

3）增量型編碼器用于S120變頻器的測速、調(diào)速和轉(zhuǎn)矩控制。構(gòu)成一個閉開環(huán)控制系統(tǒng)。

4）絕對值編碼器用于料線深度的檢測，同時用于對不同長度的鏈條的力矩的補(bǔ)償。

5）為了滿足系統(tǒng)控制設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換的快速、穩(wěn)定、可靠，PLC與變頻器、編碼器之間ProfiNet通訊，解決端子控制方式，需要大量的繼電器以及配線來讀取數(shù)據(jù)以及控制，無形中增加了故障率，且不利于故障的排查。

3.2系統(tǒng)組態(tài)

西門子S120變頻器可以通過控制單元CU320-2PN與1215C PLC進(jìn)行連接，其連接方式為PROFINET，即只需一根RJ45網(wǎng)羅線就能實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器之間的數(shù)據(jù)交換。

3.2.1變頻器硬件組態(tài)

借助STARTER V4.5軟件，在電腦上直可以接設(shè)置變頻器參數(shù)。CU320-2PN控制單元提供了全面的開環(huán)和閉環(huán)控制軟件包，腳本技術(shù)靈活的BICO連接技術(shù)以及豐富的自由功能塊，可以實(shí)現(xiàn)較為強(qiáng)大的功能。通訊組態(tài)參數(shù)設(shè)置，電機(jī)軸的通訊報文為：在標(biāo)準(zhǔn)報文1的基礎(chǔ)上加兩個字的擴(kuò)展報文。把狀態(tài)控制字STW1，即控制字1的第九位設(shè)定為P1501如圖3所示。P1501為速度與轉(zhuǎn)矩的切換，將擴(kuò)展報文的第一個字，即控制字3設(shè)定為給定轉(zhuǎn)矩的地址為P1503如圖2所示。在通訊參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊報文同步按鈕，通訊變量自動添加到PLC硬件組態(tài)下。

3.2.2 PLC硬件組態(tài)

PLC編程軟件采用的是西門子博圖V13，在項目的設(shè)備組態(tài)下直接接收STARTER軟件同步過來的變頻器的參數(shù)地址（地址以本次組態(tài)為例如圖3）。

3.2.3 PLC和變頻器參數(shù)的通訊連接

通過以上變頻器和PLC的報文設(shè)置和PLC的設(shè)備組態(tài)，它們之間實(shí)現(xiàn)了控制和狀態(tài)參數(shù)連接：

3.3控制軟件實(shí)現(xiàn)

PLC編程軟件采用的是西門子博圖V13，程序的編寫用的是梯形圖的表達(dá)方式，它和電路圖相當(dāng)接近，易于掌握和排除故障。當(dāng)實(shí)現(xiàn)了PLC與變頻器的通訊參數(shù)連接后，控制變得簡單。

3.3.1提尺控制

提尺時變頻器為速度閉環(huán)控制，PLC的控制程序如圖4所示，修改QW76的輸出值就可改變提尺速度。

3.3.2放尺控制

放尺時為了保證重錘能可靠、勻速下放，變頻器為速度閉環(huán)控制，只要改PLC的輸出為負(fù)值即可，PLC的控制程序如圖5所示，修改QW76的輸出值就可改變放尺速度。

3.3.3料面跟隨控制

放尺時為了保證重錘能可靠、勻速下放，變頻器為速度閉環(huán)控制，但當(dāng)重錘接觸料面時若繼續(xù)下放，就會出現(xiàn)倒尺、松繩和埋尺現(xiàn)象，為保證測量料面的準(zhǔn)確性，要求重錘立于料面而不倒，電機(jī)要產(chǎn)生保持向上的張力拉住重錘而不出現(xiàn)倒錘，這時變頻器必須立即變?yōu)檗D(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。但兩種控制方式切換的標(biāo)準(zhǔn)是什么？通過多次試驗觀察探尺下放過程中轉(zhuǎn)矩的反饋值可以發(fā)現(xiàn)，變頻的輸出轉(zhuǎn)矩在重錘接觸料面的瞬間會從24N/m下降為10N/m左右，因此我們可以把變頻輸出轉(zhuǎn)矩值的大小變化作為兩種控制方式的切換。在實(shí)際生產(chǎn)中還有一種情況，料面會發(fā)生塌料，料面瞬間下降1-2米，這時若還一直處于轉(zhuǎn)矩控制狀態(tài)，重錘的力矩關(guān)系Mz+Mg+MI>Md，重錘就會慣性下沖，因此在轉(zhuǎn)矩控制模式下，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于1500時（下放時速度的運(yùn)行方向為負(fù)），可以判斷料面突然塌陷，切換到速度閉環(huán)控制模式。就這樣變頻器在速度與轉(zhuǎn)矩之間來回切換，直至料線到或者準(zhǔn)備下料。PLC的控制程序如圖6所示。

3.3.4料面跟隨時的轉(zhuǎn)矩

在放尺料面跟隨時，跟尺的轉(zhuǎn)矩大小由兩部分組成，一部分是基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩，為重錘的轉(zhuǎn)矩，另外一部分是動態(tài)轉(zhuǎn)矩，動態(tài)轉(zhuǎn)矩的大小為鏈條的下放長度的轉(zhuǎn)矩。

動態(tài)轉(zhuǎn)矩Md=Mz+（0.7-1）Mg+M1

MI=KL K：轉(zhuǎn)矩系數(shù) L：料線深度

4結(jié)束語

在探尺的調(diào)試過程中，最初探尺放尺的控制方式為純轉(zhuǎn)矩控制，這種控制方式在料線高的時候沒出現(xiàn)問題，但當(dāng)料線太深時會出現(xiàn)沖尺現(xiàn)象，其根本原因是力矩的函數(shù)關(guān)系式不完善。通過放尺過程中轉(zhuǎn)矩的變化精準(zhǔn)捕捉料面，通過速度的變化精準(zhǔn)判斷生產(chǎn)中料面的異常變化，實(shí)現(xiàn)了速度控制方式與轉(zhuǎn)矩控制方式的快速切換解決了這個問題，無需太精確的函數(shù)關(guān)系式就能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地跟尺。同時在放尺料面跟隨時不同料線深度的動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制保證了系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，并且節(jié)能環(huán)保，完全滿足工藝要求。