基于6SE70變頻器在高爐探尺系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙家國

（泉州閩光鋼鐵有限公司信息自動(dòng)化部，福建泉州 362411）

前言

隨著變頻技術(shù)日趨完善，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以前只有直流調(diào)速才能控制的高精度、大轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)，現(xiàn)在逐漸采用交流變頻器控制。傳統(tǒng)的機(jī)械探尺調(diào)速系統(tǒng)主要經(jīng)歷了接觸調(diào)壓器調(diào)速加主令控制—直流調(diào)速器加主令控制—至今通用的交流調(diào)速器加編碼器幾個(gè)階段。

閩光鋼鐵高爐探尺采用Siemens 6SE70 矢量變頻器來驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)來帶動(dòng)探尺減速機(jī)拖動(dòng)探錘上升和下降實(shí)現(xiàn)提尺、放尺和料面跟隨控制，其穩(wěn)定的性能、開放式的組合功能可以靈活設(shè)置，它有極高的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的參考價(jià)值。

1 高爐探尺工藝概述

探尺是用來檢測(cè)爐內(nèi)礦石與焦炭等料面高度及分布情況的重要設(shè)備，探測(cè)高爐料面的準(zhǔn)確與否，直接影響生產(chǎn)人員對(duì)高爐整個(gè)生產(chǎn)爐況的監(jiān)測(cè)和分析判斷。盡管采用直流電機(jī)調(diào)速特性穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩特性好，但維護(hù)成本較高；選用6SE70矢量變頻器驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)來帶動(dòng)探尺減速機(jī)拖動(dòng)探錘上升和下降實(shí)現(xiàn)提尺、放尺和料面跟隨控制，關(guān)鍵核心在于對(duì)料面跟隨控制；通過設(shè)置合理的變頻速度和力矩參數(shù)進(jìn)行跟隨控制，從而得到穩(wěn)定的料線，會(huì)給爐長(zhǎng)、操作人員上料計(jì)劃及維護(hù)人員提供重要參考。

2 舊探尺變頻器控制系統(tǒng)存在的不足

閩光鋼鐵高爐探尺原采用Siemens 6RA70 直流調(diào)速裝置拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)探尺減速機(jī)拖動(dòng)鏈條頂探錘上升和下降進(jìn)行料面高度探測(cè)。但雷雨季節(jié)系統(tǒng)工作會(huì)不穩(wěn)定，導(dǎo)致故障率高、料線不易控制等問題，主要如下。

（1）采用直流變頻器和直流電機(jī)控制，換向器容易壞，采購備品備件困難，維護(hù)成本較高。

（2）采用機(jī)械主令和老式接線編碼器控制，信號(hào)不穩(wěn)定，故障率高，每次更換探錘時(shí)需要重新校零位，維護(hù)工作量大。

（3）放尺采用小電壓控制，電壓波動(dòng)時(shí)，放尺速度不穩(wěn)定；當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，跟蹤料面力矩輸出不恒定，會(huì)有探錘放尺放不下，經(jīng)常要人工打手動(dòng)操作。

3 6SE70變頻器在高爐探尺系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)

根據(jù)舊探尺控制系統(tǒng)的使用經(jīng)驗(yàn)，高爐改造采用Siemens 6SE70 變頻器驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)來帶動(dòng)探尺減速機(jī)拖動(dòng)探錘上升和下降；主令控制設(shè)備做為探尺的上極限和下極限保護(hù)。對(duì)探錘頭位置檢測(cè)采用高精度總線型編碼器。其選型如下。

3.1 探尺控制原理圖

變頻器控制采用外部端子控制模式，輸入信號(hào)有PLC 給出的探尺、放尺和高低速信號(hào)。滿足一定條件時(shí)，變頻器輸出制動(dòng)器打開信號(hào)，變頻器運(yùn)行，故障信號(hào)，參與到過程連鎖控制中。如圖1所示。

圖1 探尺控制原理圖

3.2 鏈?zhǔn)教匠呒疤匠呔頁P(yáng)機(jī)設(shè)備參數(shù)

型式：鏈?zhǔn)骄硗搽p探尺，提升質(zhì)量190 kg；卷筒直徑636 mm；提升速度0.56 m/s；下降速度0.25 m/s；提升重量190 kg；工作行程11 300 mm；極限行程14 030 mm；工作壓力200～210 kPa。

3.3 控制系統(tǒng)硬件

主要配置如下：S7-400PLC 帶ET200M 擴(kuò)展一套；變頻器6SE7023-4EC61 15 kW 一臺(tái)；電動(dòng)機(jī)YTSZ112M-6 2.2 kW AC380 V 一 臺(tái)；抱 閘YWZ5-200/30 一個(gè)；增量型編碼器8.5020.D354 1024 DP 總線型一個(gè)；主令控制一套等。

3.4 高爐探尺工作流程控制狀態(tài)的分析

如圖2 所示［2］。探尺電機(jī)過程控制分為：放尺、提尺及料面跟隨三種狀態(tài)。其工作過程為：當(dāng)探錘自零位按設(shè)定的料線開始自動(dòng)下放，變頻器接收到放尺命令時(shí)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度加轉(zhuǎn)矩控制，因探錘受到的提升力和阻力小于其自身重量U＞U0時(shí)探尺加速下降。當(dāng)下降速度超過設(shè)定負(fù)向極限值U0時(shí)，變頻器會(huì)增大電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩來減小下降速度，最終探尺以恒速U0降至料面［2］。料線高度由電機(jī)軸編碼器傳至變頻器從南將將實(shí)際位置反饋給PLC。

圖2 探尺工作流程圖

探錘接觸到料面時(shí)，受到料面向上的支撐、電機(jī)提升力和自身重力，變頻器給出一個(gè)附加浮尺力矩扶正探錘，跟隨料面運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到平衡，穩(wěn)定在一個(gè)料面高度進(jìn)行精準(zhǔn)料面跟隨控制。此時(shí)變頻器退回到轉(zhuǎn)矩控制，探尺相對(duì)于料面靜止，下降速度與料面下降速度相同，跟隨料面運(yùn)動(dòng)的同時(shí)通過位置編碼器將實(shí)際位置反饋給PLC 在上位機(jī)上顯示，達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量料位的目的［2］。

探錘下探到爐內(nèi)物料即設(shè)定的料線位或出現(xiàn)爐內(nèi)榻料而達(dá)到強(qiáng)制提尺距離時(shí)，變頻器采用速度控制方式使探尺恒速快速提尺到零位，礦石與焦炭等物料依據(jù)工藝設(shè)定值向高爐爐內(nèi)下料，物料下料完成，等待下一輪下料命令；如此循環(huán)往復(fù)，使探尺穩(wěn)定在一個(gè)料面高度。

4 探尺控制的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 控制方式

選擇合理的控制方式是精準(zhǔn)測(cè)量料線的關(guān)鍵，也是整個(gè)程序設(shè)計(jì)的核心。在整個(gè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍提供恒定轉(zhuǎn)矩，在閉環(huán)控制驅(qū)動(dòng)中提供絕對(duì)的速度控制；能調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，頻率范圍，需具有較硬的機(jī)械特性；系統(tǒng)采用P100=3無速度傳感器矢量控制方式。

4.2 電機(jī)參數(shù)優(yōu)化

探尺是一個(gè)位能負(fù)載，在放尺到料面跟隨的過程中對(duì)力矩的控制、對(duì)系統(tǒng)的快速性要求較高；因此要想為獲得傳動(dòng)較好的閉環(huán)控制效果，必須對(duì)電機(jī)辨識(shí)優(yōu)化。本系統(tǒng)對(duì)電機(jī)分別完成P115=1，2，3，4或5辨識(shí)。這對(duì)電機(jī)優(yōu)化達(dá)到理想狀態(tài)有好處。

第三，服務(wù)與品牌管理。在中小零售企業(yè)電子商務(wù)商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式建立和運(yùn)行過程中，要想維持企業(yè)和客戶之間的關(guān)系，就要突出企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，并且企業(yè)要在設(shè)計(jì)實(shí)際運(yùn)行體系的過程中充分考量服務(wù)結(jié)構(gòu)，提高品牌的社會(huì)市場(chǎng)辨識(shí)度，從而提升客戶的忠誠度，促進(jìn)企業(yè)利潤(rùn)的全面優(yōu)化。

4.3 力矩控制關(guān)鍵點(diǎn)

為實(shí)現(xiàn)浮尺操作，需要保證探錘觸到料面時(shí)，不僅無倒尺現(xiàn)象的發(fā)生，而且鋼絲繩一直保持有一定的張力而張緊，同時(shí)能隨料面的下降而下降。為此，先分析負(fù)載特性，即探錘從放尺開始，到觸到料面，并跟隨料面下降這一過程中速度與力矩的變化過程。

放尺時(shí)采用速度控制，讓探尺較快的下放，是一個(gè)加速往下放的過程，當(dāng)快到觸到料面時(shí)，這時(shí)候采用力矩控制，對(duì)電機(jī)施加一較大向上的力矩，以使重錘速度為0，當(dāng)觸到料面時(shí)，自動(dòng)切換到力矩控制，給出一個(gè)附加浮尺力矩（P505=10%）扶正探錘，這時(shí)候?qū)﹄姍C(jī)施加一向上但比較小的力矩，使得與料面的支持力和重錘的重力基本相等，使重錘直立在料面上，同時(shí)鋼絲繩保持一定的張力。

當(dāng)提尺時(shí)，抱閘打開變頻器為速度控制，提尺到“零點(diǎn)”時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出停車命令；提尺的力矩大于探錘自重；通常探錘向上張力約為其重力的5%～70%時(shí)運(yùn)行效果較為理想。

4.4 系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)置

（1）變頻器啟動(dòng)專家應(yīng)用

依據(jù)電機(jī)銘牌，輸入電機(jī)基本參數(shù)。

（2）抱閘控制

當(dāng)變頻器接收到提尺和放尺并且輸出力矩達(dá)到額定力矩P611=20約20%左右，抱閘打開，反之抱閘關(guān)閉。

U951.78=4，U186.1=20 濾波后速度，U186.2=501 限幅后速度，U186.3=18，U187.2=41 固定給定值，U187.4=42固定給定值，U187.5=525；

P401=17 放尺速度，P402=0 扶尺速度，P403=60提尺高速，P404=50提尺低速。

（4）轉(zhuǎn)矩控制

起步轉(zhuǎn)矩條件：U952.38=4，U132.2=24 電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定，U132.1=46轉(zhuǎn)矩固定設(shè)定值；P406=10。

扶尺轉(zhuǎn)矩條件：U951.34=4，U281.1=661，U281.2=18，U281.3=471，P405=6。

（5）附加轉(zhuǎn)矩

U950.85=4，U166=501，U167.1=0，U167.2=K087，P506=521，P505=10%。

5 結(jié)束語

通過對(duì)探尺調(diào)速控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和調(diào)試，采用以Siemens 6SE70變頻器為核心的調(diào)速控制，方便的實(shí)現(xiàn)探尺的提尺、放尺和料面跟隨控制，料線穩(wěn)定，滿足高爐生產(chǎn)工藝的要求；降低了故障率，節(jié)約了備品備件及維護(hù)費(fèi)用，為公司帶來了良好的生產(chǎn)效益；有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和同行業(yè)學(xué)習(xí)參考價(jià)值。