45 t轉(zhuǎn)爐氧槍機(jī)械升降裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)

王海帆

（河鋼唐鋼公司 河北 唐山 063000）

0 引言

任何一項(xiàng)生產(chǎn)都需要完備的設(shè)施作為支撐，在轉(zhuǎn)爐實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)作中，直流電機(jī)作為控制轉(zhuǎn)爐氧槍的驅(qū)動(dòng)方式被廣泛使用，也是重要的單體設(shè)備，在生產(chǎn)運(yùn)行中極為關(guān)鍵。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷革新，交流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)逐漸引入生產(chǎn)實(shí)踐中來(lái)控制轉(zhuǎn)爐氧槍的升降[1]。交流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)有著獨(dú)特的優(yōu)越性能，運(yùn)行中能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整，并且隨著升降速度的不同發(fā)生改變[2]。與高速升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，低速升降所用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)局限性更為明顯，不僅占用空間大并且耗時(shí)較長(zhǎng)，制動(dòng)性能也未能達(dá)到最佳狀態(tài)[3]。高低速之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程也不能順暢過(guò)渡。在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中還會(huì)因?yàn)樽饔昧χg的關(guān)系不匹配而造成設(shè)備受損[4]。這一過(guò)程無(wú)論對(duì)生產(chǎn)的精準(zhǔn)性還是成本耗量都會(huì)產(chǎn)生重要影響。在現(xiàn)代化生產(chǎn)作業(yè)模式下，交流變頻調(diào)速技術(shù)所充當(dāng)?shù)慕巧兊迷絹?lái)越重要，無(wú)論是中型轉(zhuǎn)爐養(yǎng)槍升降還是小型轉(zhuǎn)爐氧槍升降，交流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)都能發(fā)揮出重要的作用[5]。不僅使生產(chǎn)成本得到了控制，設(shè)備的內(nèi)耗問(wèn)題也會(huì)因此減緩，使用起來(lái)也更為方便快捷。本文以某鋼廠45 t轉(zhuǎn)爐氧槍升降自動(dòng)控制系統(tǒng)為例進(jìn)行研究，分析交流變頻調(diào)速技術(shù)在生產(chǎn)中所扮演的重要角色。

1 工藝過(guò)程

轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中，每套氧槍的轉(zhuǎn)換點(diǎn)之間的作用關(guān)系基本相同，無(wú)論是氧槍的配套參數(shù)，還是光電編碼器，每一個(gè)部分都是嚴(yán)格按照配比關(guān)系來(lái)進(jìn)行，它們之間的作用關(guān)系是保障安全生產(chǎn)必備裝置。凸輪控制器、行程開(kāi)關(guān)缺一不可。氧槍位見(jiàn)表1。

表1 氧槍槍位

以氧槍由換槍點(diǎn)至吹煉點(diǎn)為例。氧槍的作用力發(fā)揮，首要起始點(diǎn)源于0速啟動(dòng)，這種啟動(dòng)方式在以往的生產(chǎn)運(yùn)用中并未進(jìn)入到實(shí)踐化操作。伴隨煉鋼工藝的不斷改進(jìn)，該啟動(dòng)方式已得到普遍應(yīng)用。一旦啟動(dòng)成功，換槍點(diǎn)便開(kāi)始運(yùn)行。設(shè)備在運(yùn)行中速度頻率不斷提升，升降的速率也逐漸進(jìn)入到高速運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)生產(chǎn)需要改變時(shí)，該速率可切換至低速運(yùn)行狀態(tài)，并將變速點(diǎn)進(jìn)行下降調(diào)節(jié)，當(dāng)換槍點(diǎn)調(diào)節(jié)到一定位置后即可進(jìn)入到吹煉點(diǎn)，速度在不斷下降的過(guò)程中逐漸調(diào)整并停止。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 硬件配置

PLC：本系統(tǒng)PLC采用新品Control Logix5450，該產(chǎn)品的應(yīng)用與其他同類產(chǎn)品相比更具優(yōu)越性，在控制轉(zhuǎn)爐氧槍升降過(guò)程中，這種性能更為突出，受到許多鋼鐵企業(yè)受眾群體青睞。不但性能高效，運(yùn)行整體狀態(tài)也極其平穩(wěn)，應(yīng)用范圍主要針對(duì)轉(zhuǎn)爐氧槍升降控制系統(tǒng)設(shè)備來(lái)完成。該系統(tǒng)CPU模塊精心采用1684-L1M2型號(hào)：這是一款高端模塊組，有了該模塊組生產(chǎn)效能將變得更高，這在以往生產(chǎn)中并未被投入使用[6]。而Control Net通信模塊采用1766-CNBR；Device Net通信模塊采用1766-DNB。

工作站：45 t轉(zhuǎn)爐氧槍機(jī)械升降裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)工作站配備研華工控機(jī)，CPU主頻2.8 GHz，內(nèi)存512 M，配備了三套硬盤系統(tǒng)，均為1 T存儲(chǔ)量，50倍速光驅(qū)，內(nèi)置Control Net網(wǎng)卡，顯示器采用22英寸華碩顯示器。該工作站不僅能夠滿足普通生產(chǎn)中的應(yīng)用，還能作為科研器械來(lái)進(jìn)行使用。例如它作為編輯器進(jìn)行應(yīng)用，滿足生產(chǎn)的自動(dòng)化控制需求。除此之外，該系統(tǒng)采用了EPSONLQ-1600K針式打印機(jī)對(duì)日常數(shù)據(jù)進(jìn)行打印分析，這樣很多近期數(shù)據(jù)就能利用此種方式實(shí)時(shí)進(jìn)行打印輸出，實(shí)現(xiàn)信息傳播的快捷性和精準(zhǔn)性，也保證了數(shù)據(jù)的時(shí)效性。

通信：本系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸采用同軸電纜傳輸方式，通過(guò)與PLC之間的關(guān)聯(lián)通信進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，使用的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為Control Net，傳輸速率可達(dá)到5M bit/s，有效地保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與及時(shí)性。在系統(tǒng)中賴以支撐的是Device Net，它是變頻器與PLC之間所需的設(shè)備通信裝置。通信介質(zhì)為Device Net專用的5芯粗纜。

2.2 軟件配置

PLC編程軟件：45 t轉(zhuǎn)爐氧槍機(jī)械升降裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)的PLC編程軟件采用RS Logix5000 Ver 12.02這一最新款產(chǎn)品，該軟件應(yīng)用較方便，非常易于上手，在使用中用戶可在較短的時(shí)間內(nèi)完成。操作界面清晰直觀，通過(guò)各項(xiàng)指令設(shè)定能夠較為輕松地進(jìn)行使用。

上位監(jiān)控軟件：本系統(tǒng)的上位監(jiān)控軟件采用了RS View32中文Ver 6.30.16這一款最新圖形開(kāi)發(fā)工具。該軟件在生產(chǎn)應(yīng)用中極其方便，所有參與工作人員通過(guò)該軟件可詳盡地掌握到所需信息內(nèi)容，不僅如此，它的數(shù)據(jù)既可以做到歷史記錄保存，又可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，工作人員可以隨時(shí)掌握生產(chǎn)信息源。所調(diào)取的數(shù)據(jù)可以生成多種形式，一旦發(fā)現(xiàn)與實(shí)際生產(chǎn)不符的狀況便會(huì)產(chǎn)生報(bào)警[7]。最為關(guān)鍵的是它還能根據(jù)需要進(jìn)行口令功能的設(shè)定，以適應(yīng)更為廣泛的生產(chǎn)需求。

通信軟件：本系統(tǒng)的通信軟件為了便于后期的升級(jí)維護(hù)，采用最新產(chǎn)品 RSLinx Ver 2.39，RSNetWorx for Control Net Ver4.20，RSNetWorx for Device Net Ver 4.21。該軟件具有診斷功能，與上位監(jiān)控軟件的作用一樣，也能起到監(jiān)控的作用，并且所呈現(xiàn)出的圖像更為清晰直觀。

操作系統(tǒng)軟件：以上全部軟件工具均在Windows 2000及中文Office 2002操作系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行安裝運(yùn)行。

2.3 變頻器

本系統(tǒng)采用最新產(chǎn)品1336 IMPACT變頻器。該變頻器采用的技術(shù)為FORCE技術(shù)，能將控制電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)獨(dú)立分隔開(kāi)，并且轉(zhuǎn)矩效應(yīng)也能作為獨(dú)立的個(gè)體進(jìn)行掌控。這樣即便是變頻器處于0速狀態(tài)，也可達(dá)到滿轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)需要。如果將設(shè)定的編碼進(jìn)行調(diào)速，配置它的作用范圍能夠達(dá)到1 000：1。并且調(diào)速范圍越低，它的精準(zhǔn)性越高。例如當(dāng)調(diào)速范圍控制在100：1以內(nèi)時(shí)，這時(shí)的調(diào)速精準(zhǔn)性將得到進(jìn)一步提升，轉(zhuǎn)矩調(diào)整率也會(huì)因此得到提升。

3 PLC與變頻器之間的數(shù)據(jù)通信

3.1 PLC與變頻器之間數(shù)據(jù)通信特點(diǎn)

在本系統(tǒng)中，1336 IMPACT變頻器通過(guò)自帶的1203- GK5 Device Net通信接口與PLC機(jī)架上的1756-DNB Device Net通信模塊實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的信息通信與傳輸。通過(guò)通信電纜即可實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器之間的數(shù)據(jù)交換，大幅度降低生產(chǎn)所需成本，使生產(chǎn)變得更為安全高效，不僅操作方便，還能使系統(tǒng)的性能得到大幅提升。PLC輸入映像見(jiàn)表2。

表2 PLC輸入映像表

3.2 PLC與變頻器之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)

PLC的功能實(shí)現(xiàn)需要作用媒介通過(guò)調(diào)整電機(jī)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)整，當(dāng)電機(jī)所轉(zhuǎn)換的信息資源被PLC讀取時(shí)便形成了可視映像，這些資源數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸功能線進(jìn)入到PLC系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)變頻器與PLC之間的信息轉(zhuǎn)換。變頻器狀態(tài)字見(jiàn)表3。PLC輸出映像見(jiàn)表4。

表3 變頻器狀態(tài)字

表4 PLC輸出映像表

3.3 變頻器相關(guān)參數(shù)設(shè)定

系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)通過(guò)變頻器操作面板上設(shè)置參數(shù)來(lái)完成，這些參數(shù)可以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。每個(gè)參數(shù)值范圍都有它特定的含義，標(biāo)志著該變頻器的精準(zhǔn)性及操作范圍劃定。變頻器控制字見(jiàn)表5。

表5 變頻器控制字

例如：參考頻率3設(shè)定為8 Hz，對(duì)應(yīng)的速度值為每分鐘8 m；參考頻率4設(shè)為45 Hz，所運(yùn)行的速度范圍值為每分鐘40 m。加速過(guò)程為1 m/s設(shè)定為3 s，減速過(guò)程為1 m/s設(shè)定為3 s。變頻器的頻率—時(shí)間特性曲線見(jiàn)圖1。

圖1 變頻器的頻率—時(shí)間特性曲線

4 PLC程序及功能

4.1 PLC程序功能

有了PLC程序生產(chǎn)操作性程序，所有的實(shí)時(shí)功能都變得更為靈活多變，它的操作方式可以有多種選擇，無(wú)論是自動(dòng)還是手動(dòng)都能實(shí)現(xiàn)。一旦選定了某種生產(chǎn)運(yùn)行方式，便可進(jìn)行預(yù)設(shè)，設(shè)定的程序會(huì)隨著設(shè)定的起始點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。從起始點(diǎn)運(yùn)動(dòng)減速到停止需完整的生產(chǎn)過(guò)程[8]。如果選定了吹煉位置，氧槍可進(jìn)行微調(diào)，以滿足槍位的精準(zhǔn)瞄準(zhǔn)目標(biāo)。

4.2 工作站畫(huà)面功能

工作站畫(huà)面有了此功能，將更高效地在運(yùn)行中呈現(xiàn)出氧槍槍位以及升降變頻器狀態(tài)等各個(gè)實(shí)時(shí)畫(huà)面。工作人員可隨意調(diào)度取用，隨時(shí)監(jiān)控各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的氧槍狀況，通過(guò)畫(huà)面更為直觀掌握各運(yùn)行參數(shù)，并可清晰地捕捉。一旦發(fā)生異樣情況，可根據(jù)截取畫(huà)面采取有效措施進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)系統(tǒng)的報(bào)警功能就發(fā)揮了重要作用。它能在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)及時(shí)反饋一些不安全因素，從而保證生產(chǎn)的順利完成。

5 防墜落控制裝置

在防墜落控制裝置中，起關(guān)鍵性作用的是安裝在氧槍升降小車上的摩擦制動(dòng)防墜落機(jī)械裝置，該裝置之所以能夠起到防護(hù)作用，關(guān)鍵在于它能通過(guò)螺栓之間的咬合以及齒輪之間的咬合形成了環(huán)環(huán)相扣的制動(dòng)能力。有了這種制動(dòng)力升降小車在上下運(yùn)行過(guò)程中，能有效避免意外狀況的發(fā)生。特別是在安裝導(dǎo)向輪以及立柱上的導(dǎo)軌設(shè)置，能使咬合幾乎達(dá)到完美程度。而運(yùn)行軌跡也會(huì)沿著這些咬合齒輪印跡進(jìn)行，這樣便能有效降低生產(chǎn)不安全因素。

轉(zhuǎn)爐氧槍摩擦制動(dòng)防墜落裝置安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2中1為防墜落機(jī)械裝置、2為齒條、3為齒條安裝梁。

圖2 轉(zhuǎn)爐氧槍摩擦制動(dòng)防墜落裝置安裝結(jié)構(gòu)

防墜落機(jī)械裝置升降小車在上下運(yùn)行時(shí)增加了安全可靠性，有效地降低了事故發(fā)生率，而齒輪之間的咬合裝置也使得氧槍升降小車能夠平穩(wěn)地沿著運(yùn)行軌跡上下活動(dòng)。應(yīng)注意的是這種咬合角度需要實(shí)時(shí)進(jìn)行檢查，一旦出現(xiàn)咬合錯(cuò)開(kāi)以及脫軌現(xiàn)象，就要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和修正，否則制動(dòng)力強(qiáng)度就會(huì)削減，從而影響了生產(chǎn)安全性。

摩擦制動(dòng)防墜落裝置的可靠性與安全性有目共睹，它為生產(chǎn)的高質(zhì)量以及安全做出了有效保障。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，帶氧槍小車的運(yùn)行安全系數(shù)會(huì)大幅度提升，確保生產(chǎn)順利進(jìn)行，其作用不容忽視。特別是當(dāng)兩廂小車的運(yùn)行速度超過(guò)既定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，這種防護(hù)裝置便會(huì)啟動(dòng)。在啟動(dòng)過(guò)程中，升降小車所產(chǎn)生的拉力能夠確保小車在原有軌跡上運(yùn)行，而這種咬合齒塊也會(huì)增強(qiáng)平穩(wěn)性，使防護(hù)裝置起到安全作用。一旦發(fā)生鋼繩斷裂事件，升降小車便會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象，這才是摩擦制動(dòng)防護(hù)裝置真正起到作用的關(guān)鍵時(shí)刻——摩擦制動(dòng)防墜落裝置因意外摩擦力而形成自動(dòng)化的啟動(dòng)裝置，使墜落的小車快速地將速度調(diào)整到一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài)。但齒塊式防墜落裝置并沒(méi)有因此而啟動(dòng)，主要原因在于鋼絲繩還存有拉力的作用。

齒輪安全器防護(hù)機(jī)械裝置在運(yùn)行中并不會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備造成磨損或者更多的傷害，因?yàn)樗倪\(yùn)行原理完全依靠于內(nèi)部摩擦力，而不是機(jī)械之間的磨損力來(lái)達(dá)到控制目的。當(dāng)生產(chǎn)中因?yàn)椴僮鞑划?dāng)出現(xiàn)氧槍掉落到轉(zhuǎn)爐中的情況時(shí)，也可通過(guò)該設(shè)置將氧槍及時(shí)提起，這樣就能有效避免危險(xiǎn)事故的發(fā)生。有了這個(gè)防墜落裝置，相當(dāng)于給生產(chǎn)做了一個(gè)安全防護(hù)工程，它不但操作極其簡(jiǎn)單快捷，還能夠確保生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，45 t轉(zhuǎn)爐氧槍機(jī)械升降裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)自投入使用以來(lái)，在生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用，不僅大幅度提升了生產(chǎn)的效率，還使生產(chǎn)成本得到了有效控制。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的高效性與精準(zhǔn)性。因此該系統(tǒng)與同類生產(chǎn)操作系統(tǒng)相比更容易維護(hù)，其優(yōu)越性明顯，值得推廣。