高爐交流探尺SINAMICS S120調(diào)速系統(tǒng)

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（上海寶信軟件股份有限公司，上海 201900）

1 引言

高爐探尺是監(jiān)視和控制高爐內(nèi)料位的重要設備，實時顯示料線和料速。一般中小高爐設置2套探尺，大型高爐設置3～4套探尺。目前國內(nèi)常見的探尺系統(tǒng)由直流調(diào)速系統(tǒng)控制，雖然直流調(diào)速性能好，但直流電機故障率高、定期維護費用多，隨著交流變頻技術的發(fā)展，直流電動機逐漸被交流電動機替代。我們將系統(tǒng)改成交流電動機，用SIEMENS最新的SINANICS S120矢量變頻器控制探尺傳動系統(tǒng)，取得了很好的效果。

2 探尺工藝原理

2.1 探尺工藝及要求

國內(nèi)探尺多為鑄鋼圓柱重錘，長700 mm左右，由電動機拖動卷筒，通過纏繞在卷筒上的鋼絲繩，經(jīng)滑輪和鏈索將重錘伸入爐膛內(nèi)測量料位。在控制傳動軸上接有旋轉編碼器，旋轉編碼器與數(shù)字主令控制器共同完成位置的精確檢測，并經(jīng)數(shù)字主令運算后送出料位的干接點信號及料位的模擬量信號，傳至中央控制室。

根據(jù)高爐工藝要求，通常無料鐘爐頂（料鐘爐頂逐步被無料鐘爐頂替代）高爐將爐頂爐喉鋼磚的上沿確定為探尺零位，零位以上1 m處定為探尺上極限，零位以下5 m處定為下極限（通常規(guī)定的料面最低位），探尺的行程為1～-5 m。探尺在規(guī)定的上、下極限位置內(nèi)運行，需要點測和連測爐內(nèi)料面。采用連測時，探尺跟隨料面升降，連續(xù)測量料面。采用點測時，可根據(jù)生產(chǎn)要求下放探尺，探到料面或者下極限時，自動提尺返回待機位置。

探尺重錘是一個位能性負載，重錘力矩始終向下?；诠に囈筇匠哂?種工作狀態(tài)，即提尺、放尺、跟隨料面，并且要滿足以下工藝要求：

1）穩(wěn)定、可靠地快速提尺，到達上極限后自動停尺；

2）放尺時順暢、均勻，速度一般是提尺速度的40%～60%左右；

3）探尺碰到料面時，不出現(xiàn)倒錘，能自動扶尺，可以自動跟隨料面，不出現(xiàn)浮錘和懸錘。

2.2 提尺

如圖1所示，探尺向上提尺時，電動機的運行方向和重錘的運行方向相同，但是電動機的電磁力矩與探尺重錘系統(tǒng)（包括重錘及鏈條）的重力矩相反，為驅(qū)動力矩，電動機電磁力矩：

式中：Md為電磁力矩；Mt為摩擦力矩；Mg重錘力矩；Mt為鏈條重力矩。

電動機處于電動狀態(tài)，改變變頻器的輸出電壓和頻率即可改變提尺的速度。

圖1 提尺Fig.1 Upgrade rod

2.3 放尺

如圖2所示，探尺向下放尺時，電動機的運行方向和重錘的運行方向相同，電動機的電磁力矩與探尺重錘系統(tǒng)（包括重錘及鏈條）的重力矩相反，為制動力矩，電動機處于發(fā)電狀態(tài)。電動機電磁力矩Md=Mg+Mt-Mf，改變變頻器的制動力矩大小可以改變探尺的下放速度。

圖2 放尺Fig.2 Downgrade rod

2.4 跟隨料面

如圖3所示，探尺繼續(xù)放尺碰到料面時，由于料面對重錘有支持作用，重錘的重力矩逐步減小直到為零，重錘受到料面的支持力矩并停在料面上，電機處于堵轉狀態(tài)。電動機的電磁力矩為

式中：Mz為料面支持力矩。

圖3 跟隨料面Fig.3 Follow rod

為保證測量料面的準確性，要求重錘立于料面而不倒，電機要產(chǎn)生保持向上的張力拉住重錘而不出現(xiàn)倒錘。在重錘下放時，由于慣性作用，可能會出現(xiàn)碰到料面重錘傾斜，由于電機的拉力向上，能夠使重錘扶正。當出現(xiàn)料面下降，料面的支持力矩消失，平衡狀態(tài)被打破，重錘繼續(xù)下放并停于料面上。

探尺的跟隨性是判斷探尺系統(tǒng)好壞的一個重要因素。如Md太小，Mz偏大，重錘容易發(fā)生傾倒現(xiàn)象，探尺就不能反映料面的真實高度。如Md太大，Mz偏小，重錘就不易完全跟隨料面，發(fā)生重錘懸浮現(xiàn)象，探尺也不能反映料面的真實高度。實際應用中，這兩種情況都是不允許出現(xiàn)的。

3 探尺控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)硬件配置

改造后的系統(tǒng)采用西門子全新推出的變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)SINAMICS S120，這是一種高性能、高精度，具有模塊化結構設計的變頻器，可以實現(xiàn)控制單元CU、整流器、逆變器、功能模塊靈活組合使用。SINAMICS的所有型號都基于相同的技術平臺，共同的硬件和軟件部件以及標準的設計、組態(tài)和調(diào)試工具可保證所有部件之間的高度集成，可以完成所有不同類型的驅(qū)動任務，并且可以方便地相互組合。內(nèi)部控制軟件功能強大，調(diào)試簡潔方便。SINAMICS是西門子“全集成自動化”的組成部分，在組態(tài)、數(shù)據(jù)管理和與自動化層的通訊方面的通用性，使得SIMATIC和SIMOTION解決驅(qū)動任務時更為便捷。

硬件系統(tǒng)如圖4所示。電源模塊采用SLM（smart line module），SLM能夠提供穩(wěn)定的直流電源到直流母線，帶有能量回饋的功能，可以在探尺下放時將直流母線上的再生能量回饋到電網(wǎng)側。主要配置如下：電動機為2×2.2 kW，AC 380 V；整流模塊為1×5 kW，AC 380 V；逆變模塊為2×2.7 kW，AC 380 V；控制單元為1×CU320-2DP。以及其他相關配套模塊。

圖4 系統(tǒng)配置圖Fig.4 Drive system overview

根據(jù)探尺的工作情況，結合S120內(nèi)部控制軟件功能，我們采用了兩種控制方式來實現(xiàn)探尺的控制功能，并成功地運用在高爐上。

以下分別介紹這兩種控制方式的內(nèi)部功能。

3.2 系統(tǒng)內(nèi)部功能1

控制方式1是采用轉矩限幅的控制模式來實現(xiàn)提尺和放尺。內(nèi)部功能框圖如圖5所示。

圖5 內(nèi)部功能框圖（1）Fig.5 Function diagram（1）

提尺時，PLC發(fā)出提尺命令，KA1吸合，系統(tǒng)使能，機械抱閘打開，內(nèi)部電子開關K1，K2，K3都處于“0”位。此時系統(tǒng)實質(zhì)是內(nèi)環(huán)為轉矩環(huán)，外環(huán)為轉速環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)，為主動傳動系統(tǒng)。電子開關K1，K2在“0”位時，速度附加給定值P1075為0，速度給定值Ug就是P1001的值。電子開關K3在“0”位，速度調(diào)節(jié)器ST的輸出正限幅為P1004值，P1004通常設置為100%～150%。電動機處于電動狀態(tài)，運行初始，電動機電磁力矩Md>Mg+Mt，電機克服重錘和系統(tǒng)靜摩擦力矩，加速正轉，直到Md=Mf+Mg+Mt，電機勻速運行，重錘被提升（參見圖1）。P1001通常設置為60%～95%（假定探尺向上運行為正方向，電機速度給定為正值）。

放尺時，PLC發(fā)出放尺命令，KA2吸合，系統(tǒng)使能，機械抱閘打開。工作初始，內(nèi)部電子開關K1處于“1”位，電子開關K2，K3在“0”位，系統(tǒng)還是處于轉速轉矩雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于機械摩擦、機械部件受溫度變化影響較大等原因，在打開抱閘時，機械靜態(tài)阻力過大，不利于探尺下放。為了克服機械系統(tǒng)靜摩擦，先有意讓電機主動反轉，將重錘下放。此時，電子開關K2，K3還處于“0”位，附加速度給定P1075為0，速度給定值Ug就是P1002的值，P1002賦值-30%左右（以-30%為例），電機反轉，探尺得以下放。延時幾s后，電子開關K2，K3都處于“1”位，速度附加給定值切換到P1003，P1003的賦值要使速度給定Ug（P1002+P1003）為正并略大于0，即P1003設置為30%～30.5%之間。K2，K3切換瞬間電機還繼續(xù)在反轉，速度反饋值不為0，速度給定Ug瞬間減小接近于0，導致速度調(diào)節(jié)器ST正向飽和，達到正的限幅值，此時限幅值切換到了P1005（P1005為正值），電機產(chǎn)生反向即提升力矩，這個值要小于重錘力矩，電磁力矩Md+Mf=Mg+Mt（Mf系統(tǒng)摩擦力矩與放尺的方向相反），探尺被倒拉著繼續(xù)勻速下放（參見圖2）。

探尺繼續(xù)下放，直到重錘底部碰到料面被擋住。由于慣性作用，電機不能馬上停下，重錘會發(fā)生一定的傾斜現(xiàn)象，電機速度降為0。此時，速度反饋為零，Ug仍然存在，速度調(diào)節(jié)器ST依舊正向飽和，輸出限幅值被P1005所限制，電機依舊產(chǎn)生向上的提升力矩，重錘很快被扶正，直至Md=Mg-Mz，重錘垂直立于料面上，力矩保持暫時的平衡。隨著料面下降，重錘失去料面的支撐，暫時的力矩平衡被打破，重錘就跟隨料面下降（參見圖3）。

調(diào)試中，重點和難點是放尺和跟隨。放尺的初始速度P1002不宜過大，一般設為-30%～40%左右即可。切換延時的時間長度，以小于探尺從上極限下放到探尺零位的時間為宜，時間過短，重錘還不足以克服機械系統(tǒng)的靜摩擦，電機還沒有來得及運行起來就被切換控制方式，產(chǎn)生向上的提升力，容易造成卡尺的現(xiàn)象。時間也不能過長，過長容易造成探尺下放到零位以下，可能碰到料面而發(fā)生鋼絲繩松弛現(xiàn)象。探尺跟隨性和P1005大小有關，需要反復調(diào)整。P1005過大，探尺不宜下放，容易出現(xiàn)懸錘，甚至被提升；P1005過小，探尺下放過快，容易出現(xiàn)倒錘。

3.3 系統(tǒng)內(nèi)部功能2

控制方式2是根據(jù)提尺和放尺時，分別采用變頻器內(nèi)部由速度控制和轉矩控制兩種模式相互切換來實現(xiàn)。內(nèi)部功能框圖如圖6所示。

圖6 內(nèi)部功能框圖（2）Fig.6 Function diagram（2）

提尺時，PLC發(fā)出提尺命令，KA1吸合，內(nèi)部電子開關K1，K2處于“0”位。此時系統(tǒng)實質(zhì)為轉速轉矩雙閉環(huán)系統(tǒng)，為主動傳動系統(tǒng)。電動機處于電動狀態(tài)，提尺的速度可根據(jù)工藝要求由P1001設定，通常設置為60%～90%（假定探尺向上運行為正方向，電機速度給定為正值）。

放尺時，PLC發(fā)出放尺命令，KA2吸合。工作初始，內(nèi)部電子開關K1處于“1”位、K2處于“0”位，系統(tǒng)還是處于轉速轉矩雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，先有意讓電機主動反轉，有利于克服機械系統(tǒng)的靜摩擦，將重錘下放。延時幾s后，電子開關K2切換到“1”位，系統(tǒng)由轉速轉矩雙閉環(huán)切換為轉矩環(huán)控制，附加轉矩給定P1003由P1503端輸入，P1003為正值，這個力矩值的方向與提尺力矩方向相同，也就是產(chǎn)生提升力矩，其值要小于重錘力矩，電磁力矩Md+Mf=Mg+Mt，探尺被倒拉著繼續(xù)勻速下放（參見圖2）。

探尺繼續(xù)下放，直到重錘底部碰到料面被擋住。由于慣性作用，電機不能馬上停下來，重錘會發(fā)生一定的傾斜現(xiàn)象。但由于電動機產(chǎn)生的提升力矩仍然存在，重錘很快被扶正，直至Md=Mg-Mz，重錘垂直立于料面上，力矩保持暫時的平衡。隨著料面下降，重錘失去料面的支撐，暫時的力矩平衡會被打破，重錘跟隨料面下降（參見圖3）。

調(diào)試中，重點和難點依然是放尺和跟隨。放尺初始速度設定值P1002，以及延時，和方案1相同，就不累述。放尺的附加轉矩給定值P1003和方案1中的P1005轉矩限幅值設置相同，不宜過大或過小。

以上兩種方案中，提尺的內(nèi)部控制結構實質(zhì)是一樣的，都是轉速轉矩雙閉環(huán)系統(tǒng)。放尺時方案1采用轉矩限幅，方案2采用轉矩給定，其實質(zhì)都是要產(chǎn)生一個向上的提升力矩。在調(diào)試中，這個提升力矩的大小設置都要合適，可以通過觀察在勻速提尺時，轉速調(diào)節(jié)器ST輸出r1481值的大小做為參考，方案1中P1005和方案2中的P1003要小于測定的r1481。方案中用到的電子開關、時間繼電器等相關切換邏輯需要用到S120內(nèi)部的自由功能塊以及DCC編程。

4 結論

采用最新的交流變頻調(diào)速裝置SINAMICS S120裝置改造后的交流探尺系統(tǒng)，運行效果如下：提尺速度為30%～95%；放尺速度為-20%～-60%；料面探測精度<5 cm。

新系統(tǒng)運行平穩(wěn)、可靠，并且節(jié)能環(huán)保，完全滿足工藝要求，相比直流電機系統(tǒng)大大減少了日常運行維護費用。在無錫和南通的高爐上投入運行以來，取得了很好的運行效果。因此，在新高爐的建設或舊系統(tǒng)的改造中，該系統(tǒng)值得推廣運用。

［1］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.第3版.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［2］劉玠.煉鐵生產(chǎn)自動化技術［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

［3］王宏啟，王明海.高爐煉鐵設備［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

［4］蒲靜濤，曲永印，謝樹林，等.高爐探尺全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)［J］.北華大學學報：自然科學版，2001，2（5）：451-454.

［5］西門子.SINAMICS S120功能手冊V4.4［Z］.2011.