關(guān)于煉鋼鐵水測溫取樣機(jī)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

龐興利

（四川攀研技術(shù)有限公司，四川 攀枝花 617000）

以往鐵水取樣槍長3m，無向下?lián)Q槍部分，從使用情況來看，無論是在調(diào)試還是在使用過程中，都發(fā)生過取樣槍失控飛車的情況，發(fā)生該事故的主要原因是鐵水取樣限位及其它安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的缺陷，包括對限位的硬件設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)。事故造成取樣槍直接插到鋼包里面，這在煉鋼對設(shè)備的使用安全和工藝要求上都是不允許的，給使用單位和維護(hù)單位帶來了一些安全隱患，一旦出現(xiàn)故障，對煉鋼生產(chǎn)也將造成極大的影響。而目前鐵水取樣設(shè)備的長度是過去的2倍，限位點(diǎn)多，限位要求高。另外現(xiàn)場電磁干擾大，也是對取樣系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定的極大考驗(yàn)。

1 鐵水測溫取樣原理

取樣機(jī)主要由雙軸變頻電機(jī)、制動(dòng)器、渦輪減速器、傳動(dòng)箱、齒條、破渣頭、測溫取樣復(fù)合槍、取樣開關(guān)門、取樣限位器及控制系統(tǒng)組成。取樣機(jī)的工作過程：安裝好測溫取樣探頭→按下取樣按鈕→取樣開個(gè)門開→取樣頭下降到達(dá)液面進(jìn)行破渣測溫取樣→取樣頭提升復(fù)位→人工取下樣品進(jìn)行水冷→取樣頭提升復(fù)位→取樣開關(guān)。

2 機(jī)械限位裝置設(shè)計(jì)

如圖1所示，該裝置的設(shè)計(jì)目的是防止在取樣組態(tài)下取樣槍失控，以至于槍體插到鋼包底部，引發(fā)人員和設(shè)備的安全事故。該機(jī)械裝置需要配合焊接導(dǎo)軌上的擋塊一起使用，其原理是：在取樣狀態(tài)下，氣缸動(dòng)作，限位導(dǎo)向塊伸出，系統(tǒng)檢測氣缸上面的行程開關(guān)信號，伸出信號正確，取樣動(dòng)作可執(zhí)行，否則，系統(tǒng)報(bào)故障，不能執(zhí)行取樣要求；在換槍狀態(tài)下，氣缸動(dòng)作，限位導(dǎo)向塊收回，系統(tǒng)檢測氣缸上面的行程開關(guān)信號，收回信號正確，換槍動(dòng)作可執(zhí)行，否則，系統(tǒng)報(bào)故障，不能執(zhí)行換槍要求。

圖1

3 取樣電氣限位設(shè)計(jì)

取樣限位由三限位組成，一是溫度限位，二是編碼器限位，三是接近開關(guān)限位。3個(gè)限位為并聯(lián)關(guān)系，都具有相同的限位功能，即系統(tǒng)只要采集到其中1個(gè)限位信號，控制系統(tǒng)都會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，不同的是，3個(gè)限位發(fā)生時(shí)間有先后，一般情況下，首先發(fā)生效應(yīng)的是溫度限位，該限位由安在取樣頭的測溫?zé)犭娕紓髦罰LC，取樣槍進(jìn)入鋼液下降過程中，熱電偶檢測到的溫度是逐步上升的，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度并穩(wěn)定時(shí)，即溫度達(dá)到1300℃，取樣槍自動(dòng)上升。

由于鋼包鋼液面深度有差距，有些鋼包液面很低，甚至無法取樣。另外在取樣過程中，熱電偶可能發(fā)生故障，此時(shí)不能靠溫度限位，從而在溫度限位的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了另外兩種限位，編碼器限位為第二重限位，只有當(dāng)溫度限位失效時(shí)，該限位才發(fā)揮作用，接近開關(guān)為第三重限位，只有當(dāng)前兩種限位方式都失效時(shí)，該限位才發(fā)揮作用。3個(gè)限位發(fā)生的作用一樣，而發(fā)生的條件不一樣。

另外，取樣零位的控制也由3個(gè)限位組成，一是編碼器信號，二是接近開關(guān)信號，三是行程開關(guān)信號。3個(gè)限位為并聯(lián)關(guān)系，都具有相同的限位

本系統(tǒng)PLC控制選用西門子S7300CPU，取樣機(jī)電機(jī)采用變頻電機(jī)，其變頻器采用西門子的MM440，采用PROFIBUS-DP通訊方式控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。安全限位系統(tǒng)里面的各個(gè)限位數(shù)據(jù)均接入PLC控制系統(tǒng)，其中溫度數(shù)據(jù)采用4～20mA信號接入模擬量模塊，原理如圖2。

圖2

4 EMC電磁抗干擾設(shè)計(jì)

電磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility)，是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行，并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中，對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

鐵水取樣電氣系統(tǒng)所在地方，電磁干擾大，控制柜和取樣機(jī)距離遠(yuǎn)，而變頻器本身也會(huì)產(chǎn)生大的電磁干擾。一旦電磁干擾大或抗干擾設(shè)計(jì)不足，將會(huì)給系統(tǒng)的安全性造成致命的影響。本系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)包含以下幾個(gè)部分：

（1）用三相五線制，引入單獨(dú)的接地線。

（2）對所有電器元件接地。

（3）對PROFIBUS-DP通訊終端設(shè)置終端電阻。

（4）通訊波特率調(diào)低，設(shè)置為9600Kb/s。

（5）變頻器和PLC控制系統(tǒng)隔開，單獨(dú)放置。

（6）所有強(qiáng)電和控制線分開布線。

5 安全限位程序設(shè)計(jì)

用STEP7-300編程，程序模塊化，主要分為OB主程序組織塊，故障報(bào)警FC1功能塊，取樣槍主程序FC2塊，信號指示FC3功能塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換FC4功能塊，系統(tǒng)功能復(fù)位FC5塊，用于數(shù)據(jù)調(diào)用的DB數(shù)據(jù)塊等，面對取樣設(shè)計(jì)的安全取樣限位系統(tǒng)程序主要集中在FC2塊。

取樣槍安全系統(tǒng)限位FC2塊程序設(shè)計(jì)：

A "急停"

A "手動(dòng)"

A "下降"

AN "取樣下降到位"

AN "取樣下限位持續(xù)"

O

A "急停"

A "快速下降"

AN "上升標(biāo)志"

AN M 4．2

AN "快速上升"

= L 8．0

A L 8．0

JNB _001

L W#16#47F

T PQW 268

_001： NOP 0

A L 8．0

A "自動(dòng)"

= L 8．1

A L 8．1

A(

L " 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 "．speed

L 4500

)

JNB _002

L "數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 "．speed

T PQW 270

_002： NOP 0

A L 8．1

A(

L "數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 "．speed

L 4500

>=I

)

JNB _003

L 4500

T PQW 270

_003： NOP 0

A L 8．0

A "手動(dòng)"

= L 8．1

A L 8．1

A(

L MD 100

L 8．416210e+006

)

A(

L " 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 "．speed

L 4500

)

JNB _004

L "數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 "．speed

T PQW 270

_004： NOP 0

A L 8．1

A(

L MD 100

L 8．416210e+006

)

A(

L " 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 "．speed

L 4500

>=I

)

JNB _005

L 4500

T PQW 270

_005： NOP 0

A L 8．1

A(

L MD 100

L 8．416210e+006

>=R

)

JNB _006

L 1800

T PQW 270

_006： NOP 0

A L 8．0

BLD 102

R "取樣上升到位"

6 制動(dòng)電阻的選型設(shè)計(jì)

制動(dòng)電阻是波紋電阻的一種，主要用于變頻器控制電機(jī)快速停車的機(jī)械系統(tǒng)中，幫助電機(jī)將其因快速停車所產(chǎn)生的再生電能轉(zhuǎn)化為熱能。取樣機(jī)在下降過程中，由于重力的作用，取樣機(jī)會(huì)帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生大量的再生電能，如果不及時(shí)消耗掉這部分再生電能，就會(huì)直接作用于變頻器的直流電路部分，輕者變頻器會(huì)報(bào)故障，重者則會(huì)損害變頻器；制動(dòng)電阻的出現(xiàn)，很好的解決了這個(gè)問題，保護(hù)變頻器不受電機(jī)再生電能的危害。

選型計(jì)算步驟如下：

（1）電阻功率（kW）=電機(jī)千瓦數(shù)×(10%～50%)=10kW

（2）制動(dòng)電阻值（Ω）。

R=U/2I～U/I=5～10，直流回路電壓計(jì)算如下：U=380×1．414×1．1V=600V

其中，R為電阻阻值，U為直流母線放電電壓，I為電機(jī)額定電流。

（3）最小容許電阻(Ω)：max(驅(qū)動(dòng)器technical data中要求，放電電壓/額定電流)。

制動(dòng)轉(zhuǎn)矩=[(電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量+電機(jī)負(fù)載測折算到電機(jī)測的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）×（制動(dòng)前速度-制動(dòng)后速度）]/375×減速時(shí)間-負(fù)載轉(zhuǎn)矩=1333N．M

（4）制動(dòng)電阻的阻值 =制動(dòng)元件動(dòng)作電壓值的平方/（0．1047×(制動(dòng)轉(zhuǎn)矩-20%電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩）×制動(dòng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速）=6．3Ω

（5）制動(dòng)電阻選型型號為：4BC21-2EA0。

7 結(jié)語

本文從目前鐵水取樣出現(xiàn)的問題出發(fā)，分別從硬件和軟件的角度，對取樣系統(tǒng)進(jìn)行安全設(shè)計(jì)，提出了多重多位并聯(lián)式安全限位系統(tǒng)設(shè)計(jì)，EMC抗干擾設(shè)計(jì)，及制動(dòng)電阻抗再生能設(shè)計(jì)，使鐵水測溫取樣設(shè)備的安全使用系數(shù)大大提高，使用性能穩(wěn)定，為煉鋼安全生產(chǎn)提供了保障。