鞍鋼干熄焦提升機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化

趙鋒，李昌胤，張建功，朱文東，甘秀石

（鞍鋼股份有限公司煉焦總廠，遼寧鞍山114021）

干熄焦提升機(jī)的主要用途是在提升塔處將裝滿紅焦的焦罐提升到提升機(jī)頂部，并橫移到冷卻塔處，使焦罐下降到裝入裝置、將焦炭送入冷卻塔，然后再將空焦罐提升、離開裝入裝置，橫移到提升塔處，最終下落到焦罐車上，完成一次工作循環(huán)。整個(gè)工作過程主要由PLC控制變頻器驅(qū)動(dòng)提升電機(jī)及走行電機(jī)與其他設(shè)備聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，完成焦罐的提升、橫移、裝入、下降等動(dòng)作，全程無(wú)人操作，全部自動(dòng)控制。提升機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)是干熄焦工藝設(shè)備自動(dòng)控制的核心。為了將焦炭連續(xù)裝入干熄爐里，保證焦炭質(zhì)量，提升機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)必須穩(wěn)定運(yùn)行。2016年鞍鋼股份有限公司煉焦總廠 （以下簡(jiǎn)稱鞍鋼煉焦總廠）1#、2#140 t/h干熄焦生產(chǎn)運(yùn)行中分別出現(xiàn)一次主提升機(jī)溜車、掉罐現(xiàn)象，為解決此問題，對(duì)干熄焦提升機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

1 提升機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)組成

提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要由ACS600交流變頻器實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)控制，ControlLogix系列PLC實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制。

提升機(jī)構(gòu)采用兩臺(tái)逆變器控制兩臺(tái)315 kW變頻電動(dòng)機(jī)的一拖一傳動(dòng)控制方式，電動(dòng)機(jī)為進(jìn)口專用變頻電機(jī)；走行機(jī)構(gòu)采用兩臺(tái)逆變器控制兩臺(tái)37 kW變頻電動(dòng)機(jī)的一拖一傳動(dòng)控制方式；電動(dòng)機(jī)為國(guó)產(chǎn)專用變頻電機(jī)。提升和走行電機(jī)均帶強(qiáng)迫通風(fēng)和PTC保護(hù)，強(qiáng)迫通風(fēng)形式保證了電動(dòng)機(jī)在頻繁起制動(dòng)和低速運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)仍能夠輸出額定力矩，內(nèi)置PTC熱保護(hù)元件使控制系統(tǒng)可以在電動(dòng)機(jī)過熱時(shí)采集實(shí)時(shí)信號(hào)，及時(shí)采取安全保護(hù)措施。逆變器采用ACS600多傳動(dòng)模塊，采用全數(shù)字式參數(shù)設(shè)定，能夠?qū)﹄姍C(jī)參數(shù)自動(dòng)辯識(shí),實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)矢量控制。

提升機(jī)PLC采用Controllogix 1756系列產(chǎn)品，雙CPU熱備，總線采用可冗余的ControlNet網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程控制器由可冗余的適配模塊帶I/O接口模塊組成。PLC系統(tǒng)還采用了ControlNet和DeviceNet的轉(zhuǎn)化模塊，用于采集絕對(duì)值編碼器的數(shù)字信號(hào)。提升機(jī)PLC和本體系統(tǒng)EI之間的控制信號(hào)采用開關(guān)量的方式采集交換，通過總線與地面PLC CPU進(jìn)行信號(hào)傳輸，減少現(xiàn)場(chǎng)電纜施工、連接的工作量，同時(shí)提供了控制系統(tǒng)的緊密性和可靠性。

2 存在的問題

鞍鋼煉焦總廠1#、2#140 t/h干熄焦提升機(jī)原有變頻系統(tǒng)采用ACS600系列變頻器。該變頻系統(tǒng)從2005年投入使用至2015年底一直比較穩(wěn)定，但在2016年1#、2#干熄焦現(xiàn)場(chǎng)分別出現(xiàn)過一次主提升機(jī)溜車、掉罐現(xiàn)象，后果嚴(yán)重。通過現(xiàn)場(chǎng)分析得出溜車、掉罐現(xiàn)象與ACS600系列變頻器老化及編碼器電纜受干擾有關(guān)。

2.1 變頻器故障問題

ACS600變頻器從2005年投入使用至2016年連續(xù)運(yùn)行約12年，已超過變頻器的穩(wěn)定工作期，變頻器內(nèi)部的一些電子元件進(jìn)入老化期，控制精度和穩(wěn)定性方面都存在一定問題，導(dǎo)致變頻器在內(nèi)部計(jì)算上出現(xiàn)偏差，造成主提升機(jī)溜車。ACS600變頻器使用年限與故障率關(guān)系如圖1所示。

由圖1可以看出，ACS600變頻器使用年限超過8年后故障率開始逐漸增加，變頻器內(nèi)部主要部件進(jìn)入老化期。由于ACS600系列變頻器已經(jīng)于2004年初停產(chǎn)，正常備件的供應(yīng)也已經(jīng)于2014年底停止，無(wú)法采購(gòu)到新品。因此，必須對(duì)ACS600提升變頻系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，并對(duì)原有系統(tǒng)中存在的缺陷進(jìn)行完善,減少干熄焦提升機(jī)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 ACS600變頻器使用年限與故障率關(guān)系

2.2 編碼器故障問題

當(dāng)編碼器速度反饋出現(xiàn)問題時(shí)，提升電機(jī)逆變器經(jīng)常報(bào)編碼器故障，造成系統(tǒng)停機(jī)，無(wú)法正常投入運(yùn)行，嚴(yán)重影響干熄焦的正常生產(chǎn)。為使提升機(jī)恢復(fù)正常，只能將編碼器速度反饋取消，不參與控制，但提升機(jī)電機(jī)沒有編碼器作為速度回饋，變頻器無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的閉環(huán)控制，不能有效避免溜車、掉罐事故，系統(tǒng)運(yùn)行安全性降低。特別當(dāng)提升機(jī)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，由于沒有編碼器的速度回饋，將導(dǎo)致變頻器控制的電機(jī)輸出力矩不足，造成主提升機(jī)溜車。

通過更換RTAC-01、RDCU-12C模塊，更換編碼器電纜，重新更換安裝編碼器，仍不能解決逆變器頻繁報(bào)編碼器故障的問題。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：提升電機(jī)非負(fù)荷側(cè)軸承上的空心軸軸套絕緣增量式光電編碼器與變頻器脈沖編碼器接口模塊編碼器通過雙絞屏蔽電纜直接連接，電纜為8芯雙屏蔽控制電纜，一端接編碼器接口模塊ATAC-01，為編碼器提供12 V電源并接收反饋信號(hào)；另一端接編碼器本身，中間電纜長(zhǎng)度約250 m，超過編碼器電纜長(zhǎng)度150 m的要求；而且編碼器的控制電纜與動(dòng)力電纜走的是同一路徑，容易造成干擾，反饋信號(hào)衰減嚴(yán)重。以上兩點(diǎn)都是編碼器工作不穩(wěn)定的原因，解決這兩個(gè)問題即可在逆變器處接收到正常的反饋信號(hào)，使編碼器正常投入使用。

3 改進(jìn)措施

3.1 提升機(jī)變頻系統(tǒng)升級(jí)改進(jìn)

3.1.1 變頻器升級(jí)改進(jìn)

由于干熄焦提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)使用的ACS600系列變頻器停產(chǎn)和原有布局結(jié)構(gòu)問題，變頻器升級(jí)選擇把現(xiàn)有的ACS600系列變頻器替換為ACS800系列變頻器。ACS800變頻器為高端變頻器，穩(wěn)定性好，工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

變頻器升級(jí)改進(jìn)后具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）徹底更新了傳動(dòng)系統(tǒng)的硬件，解決了由于變頻器硬件老化影響變頻系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題，降低了提升機(jī)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

（2）解決了ACS600系列變頻器停產(chǎn)而沒有備件、進(jìn)行日常維護(hù)難的問題。

（3）實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)模塊的冗余應(yīng)用。ACS600和ACS800系列變頻器與電機(jī)連接方式對(duì)比如圖2所示。

圖2 ACS600和ACS800系列變頻器與電機(jī)連接方式對(duì)比

ACS600變頻系統(tǒng)每個(gè)模塊只作為一相電輸出，如果一只模塊出現(xiàn)故障，需要把故障模塊取出，再安裝上一只與原有模塊同相的新模塊到故障模塊的位置，才能恢復(fù)系統(tǒng)，且ACS600模塊非常笨重，更換困難。ACS800變頻系統(tǒng)每個(gè)模塊都有U、V、W三相輸出，如果一只模塊出現(xiàn)故障，只需把故障模塊從工作位抽出就可以繼續(xù)使用，且ACS800模塊下端安裝了小車、前端安裝了把手，方便模塊抽出。

3.1.2 整流系統(tǒng)升級(jí)改進(jìn)

原有變頻系統(tǒng)采用的是ACS600晶閘管整流系統(tǒng)（TSU），使用中出現(xiàn)過因現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)品質(zhì)問題損壞直流側(cè)快熔的情況，因此，本次整流系統(tǒng)改進(jìn)使用了ACS800 IGBT整流系統(tǒng)（ISU）。

IGBT整流系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）提升直流母線電壓,電壓波動(dòng)時(shí)也能保持電機(jī)額定電壓。

（2）抗干擾能力強(qiáng)。由于IGBT門極可控，所以當(dāng)供電電網(wǎng)出現(xiàn)問題時(shí)，IGBT整流不會(huì)出現(xiàn)像晶閘管整流出現(xiàn)的顛覆現(xiàn)象 （即在主提升機(jī)下降時(shí),電機(jī)需要把多余的能量回饋給電網(wǎng)，如果這個(gè)時(shí)候電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)，由于晶閘管的關(guān)斷要依靠反向電壓，波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致晶閘管不能關(guān)斷，造成晶閘管或保護(hù)晶閘管的快熔損壞）。

（3）IGBT功率模塊可靈活使用，降低備件庫(kù)存量。由于整流模塊和逆變模塊使用相同的功率模塊，變頻系統(tǒng)備件只需一臺(tái)功率模塊即可同時(shí)適用于整流和逆變，維護(hù)備件降低了50%。

（4）對(duì)電網(wǎng)無(wú)干擾，功率因數(shù)高，ISU效率高,η＞97%。

基于系統(tǒng)改進(jìn)的優(yōu)勢(shì)分析，利用1#、2#干熄焦年修期間對(duì)變頻系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，將ACS600晶閘管整流改為ACS800 IGBT整流系列產(chǎn)品，并完成ACS800新柜體和線路的安裝及系統(tǒng)調(diào)試。整流模塊和逆變功率模塊使用相同功率模塊，實(shí)現(xiàn)互換功能。升級(jí)改造后的柜內(nèi)整流和逆變模塊如圖3所示。

圖3 升級(jí)改進(jìn)后的柜內(nèi)整流和逆變模塊

3.2 完善主提升機(jī)電機(jī)編碼器

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用條件及編碼器使用技術(shù)要求，改進(jìn)提升機(jī)閉環(huán)速度反饋的傳輸方式，采用多模光纖替代屏蔽控制電纜，避免電纜干擾問題，光纖兩端接光纖變送器、光纖解碼器，通過短距離電纜接到逆變器和編碼器上。在變頻器側(cè)增加脈沖編碼器接口模塊，型號(hào)RTAC-01，電源電壓DC 24 V。脈沖編碼器作為速度檢測(cè)構(gòu)成閉環(huán)速度控制,在全速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度控制。PLC控制信號(hào)與逆變器給出的低速抱閘信號(hào)相結(jié)合，控制制動(dòng)器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)低速抱閘及準(zhǔn)確定位功能。轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速,可防止松閘、抱閘時(shí)的溜車現(xiàn)象。

主提升機(jī)電機(jī)選用Johannes HUBNER Giessen 2系列編碼器，替代現(xiàn)場(chǎng)原HUBNER BERLIN品牌編碼器。編碼器為空心軸軸套絕緣增量式光電編碼器測(cè)速裝置，型號(hào)：FGHJ2AK-1024G-90G-NG/16K。編碼器的電氣指標(biāo)和機(jī)械指標(biāo)如表1所示。

表1 編碼器電氣指標(biāo)和機(jī)械指標(biāo)

3.3 增設(shè)后臺(tái)在線檢測(cè)系統(tǒng)

為了對(duì)提升機(jī)出現(xiàn)的故障做出及時(shí)反應(yīng)、跟蹤故障信息、快速分析解決故障，采用DriveWindow測(cè)試工具（DriveWindow是一種用于ACS600、ACS800、ACS6000 和 DCS600 調(diào)試和維護(hù)的Windows應(yīng)用程序），在干熄焦主控室安裝1套光纖通訊系統(tǒng)和后臺(tái)機(jī)，PC直接和傳動(dòng)的CH3通過RUSB-02光纖轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接，使整個(gè)干熄焦提升機(jī)變頻拖動(dòng)系統(tǒng)形成星形網(wǎng)絡(luò)。在變頻室能夠在線實(shí)時(shí)檢測(cè)各臺(tái)整流、逆變單元的設(shè)備狀態(tài)；完成對(duì)提升機(jī)各個(gè)裝置的速度控制，系統(tǒng)操作控制，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)、曲線監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)、備份或修改等功能。通過安裝后臺(tái)監(jiān)測(cè)軟件，增加對(duì)故障情況的分析、診斷手段，提高對(duì)變頻器運(yùn)行性能的監(jiān)控，方便日常維護(hù)和故障處理，提升工作效率。

4 改進(jìn)效果

（1）從2016年4月開始，優(yōu)化改進(jìn)后的提升機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)開始在鞍鋼煉焦總廠1#、2#干熄焦現(xiàn)場(chǎng)投入使用，至2018年5月，無(wú)掉罐事故發(fā)生，事故時(shí)間平均降低150 h/年，降低事故損失約300萬(wàn)元/(套·年)，提高干熄率約1%～2%。

（2）優(yōu)化改進(jìn)后，主控室工控計(jì)算機(jī)上可觀察提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，不僅可通過觀察程序分析故障原因，也可通過后臺(tái)監(jiān)測(cè)軟件直接判斷故障原因,實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障的查詢、分析和判斷，使日常維護(hù)和故障處理更加方便快捷。

5 結(jié)語(yǔ)

鞍鋼煉焦總廠針對(duì)干熄焦提升機(jī)溜車、掉罐現(xiàn)象，對(duì)1#、2#140 t/h干熄焦提升機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，應(yīng)用ACS800系列變頻器、DriveWindow測(cè)試工具及Johannes HUBNER的設(shè)備和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)抗干擾、故障追蹤等功能，提高了提升機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，為干熄焦穩(wěn)定生產(chǎn)提供了時(shí)間和技術(shù)保證。