豎爐上料與布料自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

潘蓮輝，龐貴金，張美義，李玨，宋建雄

（廣西冶金研究院有限公司，廣西 南寧 530023）

豎爐上料與布料自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

潘蓮輝，龐貴金，張美義，李玨，宋建雄

（廣西冶金研究院有限公司，廣西 南寧 530023）

上料與布料是豎爐工作的重要環(huán)節(jié)，介紹了可編程邏輯控制器與變頻器在豎爐上料和布料生產(chǎn)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)由下位機控制器、上位機組態(tài)監(jiān)控畫面、變頻器與監(jiān)測設(shè)備等組成，通過順料流停止、逆料流啟動及膠帶機間聯(lián)鎖控制等設(shè)計，實現(xiàn)了豎爐上料和布料過程運行穩(wěn)定、操作簡單、安全高效、低碳節(jié)能等目的。

可編程邏輯控制器；變頻器；自動控制；節(jié)能

Abstract:Programmable logic controllers（PLC）and frequency converters as applied to practical charging and distributing which are two important steps in shaft furnace operation were described.This system consistsed of a lower computer controller，upper computer configuration control images，a converter，and monitoring equipment.A range of design options，including stopping of forward feeding，starting of backward feeding，and interlock control among belt conveyors，had been utilized.Which helped achieve the desired stable，simple，safe，efficient，low-carbon，and energyefficient operation in the charging and distributing processes.

Key words:programmable logic controller（PLC）；frequency converter；automatic control；energy saving

在過去豎爐上料與布料過程都是典型的機旁就地控制。老式的膠帶傳輸方式，采用傳統(tǒng)電氣繼電器控制，布料小車頻繁變換轉(zhuǎn)向工頻啟動，人工操作，操作人員勞動強度大，運行效率低，極易引起操作失誤，造成設(shè)備損壞，甚至人員傷亡。為了保證鋼鐵廠的生產(chǎn)質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟指標(biāo)，運用PLC控制設(shè)計的豎爐上料與變頻控制布料自動控制系統(tǒng)，不僅降低了操作人員的勞動強度，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了自動控制逆料流啟動，順料流停止，同時還能保證布料的均勻高效。作為工業(yè)控制領(lǐng)域中最常用和重要的控制裝置之一，PLC的可靠性較高、使用靈活、維護比較方便簡單，可用于各種復(fù)雜惡劣工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，同時還具有與其它裝置設(shè)備連接方便簡單等優(yōu)點。PLC的應(yīng)用使得工業(yè)自動化控制系統(tǒng)更為經(jīng)濟、可靠，是工業(yè)自動化生產(chǎn)與實現(xiàn)的重要工具［1］。

1 控制方案的確定

豎爐上料與布料自動控制系統(tǒng)是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)控制不需要通過精密的計算。但考慮到安全高效生產(chǎn)，需要進行高度自動化設(shè)計，以使生產(chǎn)效率能提升更高一個層次。生球團上料長距離膠帶輸送，輸送過程中難免會出現(xiàn)各種安全狀況。設(shè)計要充分考慮到盡最大可能避免各種生產(chǎn)危險突發(fā)狀況，因此在上料膠帶機上需要一定距離內(nèi)實施安裝數(shù)個輕跑偏開關(guān)、重跑偏開關(guān)、打滑開關(guān)與拉繩緊急停機開關(guān)等膠帶機保護措施，可以實時監(jiān)測到實際生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備狀況。在布料上考慮到布料小車的頻繁前進后退與啟動停止，又能高效地完成生產(chǎn)，同時又可以降低能耗與保護設(shè)備，所以采用變頻控制與限位開關(guān)相結(jié)合進行布料小車運動與布料膠帶機布料控制。在工業(yè)上，變頻器的使用也非常廣泛，高效且安全，還能延長設(shè)備使用壽命［2］。

本設(shè)計的控制方案思想以低壓配電柜與PLC為核心，通過現(xiàn)場設(shè)備信號反饋至核心設(shè)備，核心設(shè)備輸出信號控制現(xiàn)場設(shè)備，得以實現(xiàn)各部分的功能，如圖1所示。

圖1 控制方案與思想Fig.1 The control scheme and ideas

為保證持續(xù)高效節(jié)能生產(chǎn)，上料膠帶機與布料膠帶機間采用逆料流啟動、順料流停止的方式自動啟停，上下游設(shè)備實現(xiàn)了聯(lián)鎖控制，如圖2和圖3所示。

圖2 聯(lián)鎖啟動Fig.2 Interlock start

圖3 聯(lián)鎖停止Fig.3 Interlock stop

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

2.1 控制方式

系統(tǒng)的控制模式有3種：機旁箱手動控制、集中手動控制和集中聯(lián)鎖自動控制。

1）機旁箱手動控制。使用傳統(tǒng)電氣繼電器進行控制。當(dāng)操作臺各個轉(zhuǎn)換開關(guān)打到機旁箱手動控制時，全生產(chǎn)過程需要工人駐守現(xiàn)場進行機旁箱操作控制。此控制方式可以實現(xiàn)單一設(shè)備控制也可以實現(xiàn)聯(lián)鎖控制。此控制方式無法使工人從危險復(fù)雜的生產(chǎn)現(xiàn)場中解放出來，也需要投入大量人力資源駐守現(xiàn)場控制，生產(chǎn)效率極低。所以此控制方式主要使用在設(shè)備檢修與維護情況下，或使用在當(dāng)集中控制出現(xiàn)故障情況時，進行單一或聯(lián)鎖設(shè)備臨時維持生產(chǎn)。

2）集中手動控制。使用遠程可編程邏輯控制器（PLC）與組態(tài)監(jiān)控設(shè)備進行控制。當(dāng)操作臺各個轉(zhuǎn)換開關(guān)打到集中控制時，需要在組態(tài)監(jiān)控操作畫面上按下所需要控制部分的集中手動按鈕，就可實現(xiàn)單一設(shè)備啟停直至全部設(shè)備啟停。此控制方式較為繁瑣且不是互鎖功能，僅適用于設(shè)備檢修與維護情況下或集中聯(lián)鎖自動控制故障單一設(shè)備臨時維持生產(chǎn)情況下。

3）集中聯(lián)鎖自動控制。使用遠程可編程邏輯控制器控制（PLC）與組態(tài)監(jiān)控軟件進行控制。當(dāng)操作臺各個轉(zhuǎn)換開關(guān)打到集中控制，選擇集中聯(lián)鎖自動控制時，只需要在組態(tài)監(jiān)控操作畫面上按下集中自動按鈕就可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的聯(lián)鎖啟動運行與停止。此控制方式為本設(shè)計使用的第一控制方式，既可使工人從危險復(fù)雜現(xiàn)場中得到解放，又可實現(xiàn)設(shè)備間的聯(lián)鎖啟停，操作簡單，高效安全。

2.2 變頻控制

系統(tǒng)采用西門子MICROMASTER 440（MM 440）變頻器進行布料小車的正反轉(zhuǎn)啟動控制與調(diào)速。MM440矢量型通用變頻器屬西門子MM4系列變頻器中的高性能機型，適應(yīng)多種現(xiàn)場復(fù)雜場合，如需要精確啟停和高精度快響應(yīng)的各類控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)高精度的制動和最小的減速時間。在低頻也具有高質(zhì)量的控制性能［3］。

本設(shè)計所使用的為變頻電機，該電機增加了強冷風(fēng)扇，強冷風(fēng)扇動力取自單獨電源，保證了電機在低轉(zhuǎn)速下的冷卻，大大強化了電機的通風(fēng)排熱，與普通電機相比優(yōu)勢突出。

本設(shè)計布料小車為15 kW的電機帶動，變頻電機冷卻電機為0.55 kW。采用MICROMASTER 440變頻器驅(qū)動控制布料小車的正、反轉(zhuǎn)與速度，如圖4所示。在實際中，我們應(yīng)用了變頻器的輸出來控制變頻冷卻風(fēng)機的啟停。

圖4 變頻驅(qū)動布料小車Fig.4 The converter drive the distributing car

此過程分為機旁箱控制與遠程集中控制，通過方式選擇可以實現(xiàn)就地電位器調(diào)速亦可選擇遠程PLC在上位機進行操作調(diào)速。

2.3 檢測裝置

布料小車在導(dǎo)軌上前進、后退反復(fù)運動，采用布料小車運動觸及限位開關(guān)進而變換運動方向的方法。當(dāng)小車前進觸及前限位接近開關(guān)時，平緩?fù)Ｖ骨斑M，經(jīng)過延時后小車開始自動后退，當(dāng)小車后退觸及后限位接近開關(guān)時，平緩?fù)Ｖ购笸?。依此運動規(guī)律布料小車反復(fù)前進與后退。接近開關(guān)為一種距離感應(yīng)式位置開關(guān)，運行中不需要與被檢測物體進行直接機械接觸。當(dāng)被檢測物體到達接近開關(guān)的感應(yīng)距離內(nèi)時，無須機械接觸及施加任何壓力即可觸發(fā)開關(guān)動作。從而驅(qū)動直流電器或給計算機（PLC）裝置提供控制指令。本設(shè)計使用歐姆龍E2E-X5Y的接近開關(guān)。檢測距離：5（1±0.1）mm；檢測物體：磁性金屬（非磁性金屬時檢測距離減?。浑娫措妷海ㄊ褂秒妷悍秶篈C 24～240 V，50 Hz/60 Hz（AC 20～264 V）［4］。

在上料過程中，上料運輸膠帶長度較長，在工業(yè)膠帶運輸作業(yè)生產(chǎn)中，容易出現(xiàn)膠帶的跑偏、打滑等一系列狀況，一旦膠帶出現(xiàn)了這類狀況就會造成生產(chǎn)停滯，降低經(jīng)濟效益，嚴(yán)重則出現(xiàn)人員傷亡事故。因此，為了能實時監(jiān)測上料膠帶的運行狀況，盡最大可能發(fā)現(xiàn)安全隱患并杜絕生產(chǎn)事故的發(fā)生。在膠帶生產(chǎn)作業(yè)中，需要在每50 m距離內(nèi)安裝跑偏開關(guān)與打滑開關(guān)。

運動中的膠帶發(fā)生跑偏時，膠帶邊緣會帶動立輥旋轉(zhuǎn)并擠壓立輥使之傾斜。跑偏分為兩級，分別用于安全警告與停機。當(dāng)立輥傾斜角大于一級動作角度時，將發(fā)出一組開關(guān)信號；當(dāng)立輥傾斜角大于二級動作角度時，則輸出另一組開關(guān)信號。本設(shè)計一級輕跑偏為警告信號，二級重跑偏為停機信號。膠帶機恢復(fù)正常運行后，立輥自動復(fù)位。使用國產(chǎn)HFKPT1-12-30兩級跑偏開關(guān)：作用力20～70 N，常開組數(shù)2，常閉組數(shù)2，一級跑偏角度12°，二級跑偏角度30°，極值角70°。

膠帶式運輸機在運行中會出現(xiàn)膠帶與主動滾筒間的打滑，膠帶打滑會導(dǎo)致出現(xiàn)一系列嚴(yán)重安全生產(chǎn)事故。為了杜絕因膠帶打滑而出現(xiàn)安全生產(chǎn)事故，使用某電氣有限公司生產(chǎn)的DH-I打滑檢測器，該檢測器不僅可以實現(xiàn)多條膠帶機間的聯(lián)鎖啟動和停機，還可實現(xiàn)低速抱閘保護功能。膠帶機在運行中帶動打滑檢測器觸輪轉(zhuǎn)動，通過觸輪可檢測出膠帶實際轉(zhuǎn)速，再由觸輪帶動傳動軸，使檢測器內(nèi)部繼電器工作。繼電器工作主要是由輪片切割光電信號，通過設(shè)置固定轉(zhuǎn)速數(shù)值與實際轉(zhuǎn)速數(shù)值進行比較，從而產(chǎn)生信號的通斷，由此過程完成膠帶速度的檢測工作。當(dāng)膠帶速度與主滾筒速度不一致或下降到正常速度的20%～30%時，通斷信號將會立即出現(xiàn)改變，改變的信號傳輸至主控制室或現(xiàn)場控制箱，控制室與現(xiàn)場工作人員將得到提示膠帶處于嚴(yán)重打滑狀態(tài)并將進行緊急操作。本機內(nèi)開關(guān)采用常閉型，若帶速低于正常速度80%即可跳閘或停機。DH-I打滑檢測器工作環(huán)境溫度-30～+60℃；觸點容量AC 220 V/500 mA；測速范圍20～999 r/min；開關(guān)形式為常閉型。

2.4 控制器

控制器使用西門子S7-300系列PLC，CPU為313C。采用PC站工業(yè)計算機與WinCC RT Advanced軟件作為上位機進行組態(tài)監(jiān)控與操作。采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊。西門子S7-300控制器其模塊化結(jié)構(gòu)、易于實現(xiàn)分布式的配置以及性價比高、電磁兼容性強、抗震動沖擊性能好，在廣泛的工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了廣泛使用，成為解決工業(yè)問題既經(jīng)濟又切合實際的極佳方案。

3 結(jié)論

豎爐上料與布料自動控制系統(tǒng)，采用PLC、變頻器與一系列監(jiān)測設(shè)備進行配合作業(yè)生產(chǎn)，同時還采用了順料流停止，逆料流啟動控制方式進行膠帶機間聯(lián)鎖控制。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，操作簡單，將工人從復(fù)雜、危險、勞動強度大的工作環(huán)境中解放。本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于唐山某大型鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)，不僅大大提高了該鋼鐵廠的生產(chǎn)效益，降低了生產(chǎn)能耗與成本，還杜絕了生產(chǎn)事故，達到了安全、高效、低碳節(jié)能的目的。

［1］衣梅圣，呂衛(wèi)陽.熱風(fēng)爐自動控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.機械工程與自動化，2009（2）：112-114.

［2］陳曦.火電廠帶式輸送機的安全運行設(shè)計［J］.新疆電力，2003（3）：9-10.

［3］張妍妍.PLC程序控制系統(tǒng)和變頻器在膠帶機上的應(yīng)用［J］.科技信息，2010，2（17）：81.

［4］陳鑰，黃振，許君鋒.關(guān)于激光測距儀在冶金鋼包車上的應(yīng)用［J］.科技致富向?qū)В?014（26）：60.

Design of Automatic Charging and Distributing Control System in Shaft Furnace

PAN Lianhui，PANG Guijin，ZHANG Meiyi，LI Jue，SONG Jianxiong
（Guangxi Research Institute of Medallurgy Company，Nanning530023，Guangxi，China）

TP249

B

10.19457/j.1001-2095.20170910

潘蓮輝（1965-），女，本科，高級工程師，Email：panlianhui@sina.com

2016-09-19

修改稿日期：2016-10-29