PLC和變頻器控制的氧槍升降系統(tǒng)

為改善生產(chǎn)環(huán)境，淘汰落后工藝，1999年寶山鋼鐵股份有限公司計(jì)劃在不銹鋼分公司建立新的擁有230萬t碳鋼和72萬t不銹鋼生產(chǎn)能力的煉鋼廠，其中碳鋼線采用了日本著名的鋼鐵制作公司KHI設(shè)備。其中兩座150t BOF碳鋼頂?shù)状缔D(zhuǎn)爐采用了當(dāng)今碳鋼牛產(chǎn)最先進(jìn)的脫磷脫碳雙聯(lián)法冶煉工藝，是碳鋼生產(chǎn)線的關(guān)鍵沒備之一。

1 系統(tǒng)組成和功能要求

　　系統(tǒng)主要由富土電機(jī)公司的ACS—PC2000系列PLC、FRIENIC 4000CM5整流器、FRENIC 4000VM5逆變器及其輔助設(shè)備組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　由圖2可以看出，該系統(tǒng)主要由兩個部分組成，其中氧槍系統(tǒng)和副槍系統(tǒng)配置了一套獨(dú)立的ACS 2000 PLC用于邏輯聯(lián)鎖，并在電動機(jī)的低速軸上配以專用的同步發(fā)送器(編碼器)和同步凸輪控制器來進(jìn)行位置控制.并通過FL-net方式與其他系統(tǒng)主PLC(ACS 200))通信，氧副槍3臺逆變器和本體PLC通過T-Link網(wǎng)一起構(gòu)成高性能傳動控制系統(tǒng)。氧槍升降的調(diào)速部分和轉(zhuǎn)爐傾動、副槍系統(tǒng)共同選用Fuji電機(jī)公司的FRENIC系列高性能的矢量控制變頻器，由4套547 kW的整流裝置、7套225 kV·A逆變器通過公共直流母線構(gòu)成，配以速度傳感器來測量升降電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。從而構(gòu)成電動機(jī)的閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的交流變頻調(diào)速運(yùn)行。為了確保生產(chǎn)，整流單元容量按每座轉(zhuǎn)爐4臺150 kW傾動電動機(jī)、2臺110 kW氧槍傳動電動機(jī)和l臺110kW副槍傳動電動機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)，每2套整流裝置互為備用。

　　PLC首先接收來自要求氧槍操作的各種信號，然后根據(jù)這些輸入信號的狀態(tài)，通過內(nèi)部一系列復(fù)雜的控制程序，對各種信號的邏輯關(guān)系有序地進(jìn)行處理，最后向逆變器和各類控制設(shè)備適時地發(fā)出開關(guān)量控制信號，對氧槍進(jìn)行升降的位置控制。

　　在PLC向逆變器發(fā)出開關(guān)量控制信號的同時，為了滿足工藝的要求，逆變器又需要通過與電動機(jī)同軸的速度傳感器和PG卡，對電動機(jī)完成速度榆測及反饋，形成閉環(huán)系統(tǒng)。速度傳感器輸出A、B兩相脈沖，Pc}接收到脈沖信號以后，再將此反饋給逆變器內(nèi)部，以便進(jìn)行運(yùn)算調(diào)節(jié)。根據(jù)A、B脈沖的相序，可判斷出電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，并可以根據(jù)A、B脈沖的頻率測出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　為保持穩(wěn)定或緊急情況下進(jìn)行抱閘，提升齒輪箱裝有機(jī)械制動抱閘，此抱閘由電-液壓傳動機(jī)構(gòu)或緊急情況下由氣動傳動機(jī)構(gòu)打開，在緊急情況下，緊急氣動電動機(jī)投入代替電氣變頻電動機(jī)。

　　2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

　　2.1 操作方式

　　根據(jù)系統(tǒng)的控制特點(diǎn)，氧槍控制方式可分為現(xiàn)場控制和中央控制兩種，而中央控制又可分為中央自動、中央手動、緊急提升三種。

　　(1)操作地點(diǎn)為便于現(xiàn)場調(diào)試、檢查以及根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，設(shè)立中央/現(xiàn)場選擇，使操作人員能在現(xiàn)場控制氧槍升降小車的運(yùn)行?，F(xiàn)場控制方式的操作在氧槍升降傳動裝置旁(50 m平臺)的現(xiàn)場操作箱1上和氧槍人孔位置(25 Ill平臺)的現(xiàn)場操作箱2上?，F(xiàn)場模式可以在兩個現(xiàn)場操作箱中的任一個上進(jìn)行選擇，把選擇開關(guān)由“中央”切換到位置“現(xiàn)場”。進(jìn)行選擇后，現(xiàn)場操作箱1或2上的信號燈“LOCAL”顯示，同時在中央主操作室CRT的氧槍操作畫面上顯示氧槍在現(xiàn)場的操作模式。從現(xiàn)場模式返回到中央模式時，把現(xiàn)場操作箱1和2上的選擇開關(guān)從“現(xiàn)場”再切換到“中央”，即兩個現(xiàn)場操作箱上的選擇開關(guān)都位于“中央”位置，同時在中央主操作室CRT的氧槍操作畫面上將操作模式設(shè)定為中央模式，這樣進(jìn)行選擇后，現(xiàn)場操作箱1和2上的“REMOTE”信號燈全部顯示，同時在中央主操作室CRT的氧槍操作畫面上顯示氧槍在中央的操作模式。

　　(2)操作方式控制系統(tǒng)滿足煙罩在工作位、轉(zhuǎn)爐在垂直位、控制電源正常、編碼器正常、鋼絲繩壓力正常、不在緊停狀態(tài)、不在緊提狀態(tài)的條件后，操作人員操縱各相應(yīng)的按鈕，即可正常運(yùn)行。

　　1)自動方式。只能在中央操作室操作站(CRT畫面)上操作，即在轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，當(dāng)吹煉條件滿足時，PLC就接受來自上位機(jī)的指令，通過T-Lnk通信，逆變器就獲得設(shè)定的正向給定，氧槍高速向下運(yùn)行，與減速機(jī)同軸的同步發(fā)送器進(jìn)行高速計(jì)數(shù)，將同步檢測到的機(jī)械位置轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并將它連接至同步凸輪控制器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號和內(nèi)部設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較結(jié)果發(fā)送給PLC，到減速值時減速、停車值時停車，完成向下的全程運(yùn)行。當(dāng)吹氧完了后，電動機(jī)作反向運(yùn)行，原計(jì)數(shù)器做減計(jì)數(shù)，減至停車值時，電動機(jī)停車并完成一個循環(huán)動作。

　　2)手動高速方式。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，通過CRT上的操作按鈕或現(xiàn)場操作箱的手動操作開關(guān)，來對氧槍進(jìn)行上升或下降的操作，這樣逆變器就獲得設(shè)定的正向/反向給定，氧槍高速向上/向下運(yùn)行，與減速機(jī)同軸的同步發(fā)送器進(jìn)行高速計(jì)數(shù)，將同步檢測到的機(jī)械位置轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并將它連接至同步凸輪控制器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號和內(nèi)部設(shè)定值進(jìn)行比較，到減速值時減速、停車值時停車，完成全程運(yùn)行。

　　3)手動低速方式。為便于觀察氧槍運(yùn)行的實(shí)際情況，在選用手動低速操作方式時，不管上升還是下降，氧槍升降速度不受升降位置的限制，整個的升降過程全部都是低速。只有操作方式選用手動高速時，氧槍在整個的行程中，才能根據(jù)升降的位置圖不斷調(diào)整升降的速度。調(diào)速系統(tǒng)采用矢量控制方式，具有負(fù)荷動態(tài)平衡、定位精度高、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、起停無沖擊平衡控制、安全聯(lián)鎖等特點(diǎn)，氧槍的速度控制精度優(yōu)于1%，同時將響應(yīng)時間控制在10ms以內(nèi)。氧槍調(diào)速系統(tǒng)能夠根據(jù)程序預(yù)設(shè)置(APC方式)自動完成平滑的加、減速過程，并形成目標(biāo)位置的快速跟蹤，為轉(zhuǎn)爐安全高效生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。氧槍升降裝置由交流變頻電動機(jī)驅(qū)動，可以以低速、高速進(jìn)行下降和上升，氧槍升降的速度通過PLC給定，PLC分別給定兩個傳動氧槍上升或下降命令的指令和兩個高低速速度指令通過T-Link通信，發(fā)送至逆變器的交流傳動控制板，氧槍根據(jù)高低速速度指令開始上下高低速移動，在自動或手動模式下，氧槍速度取決于氧槍所處的位置，高低速位置切換如圖3所示。

 為提高整個系統(tǒng)的可靠性，便于維修人員及時發(fā)現(xiàn)和判別故障，我們充分利用PLC的功能，由PLC對氧槍升降小車的絕對位置進(jìn)行狀態(tài)數(shù)碼顯示，以便對氧槍的整個行程進(jìn)行監(jiān)控。

　　2.3 張力檢測

　　氧槍在上下升降的過程中，必須要保證鋼絲繩的壓力一直處于正常狀態(tài)，因此我們專門設(shè)計(jì)了一套鋼絲繩的張力檢測系統(tǒng)，它由兩個壓力傳感器和張力顯示儀來進(jìn)行監(jiān)控。在氧槍的運(yùn)行過程中，壓力傳感器始終輸出標(biāo)準(zhǔn)的毫伏信號，并分別送至相應(yīng)的張力顯示儀，張力顯示儀將這個信號在內(nèi)部轉(zhuǎn)換成實(shí)際重量信號，與內(nèi)部設(shè)定值進(jìn)行比較，輸出一個鋼絲繩壓力正常或異常的信號給PLC參與聯(lián)鎖控制;同時為便于日常點(diǎn)檢和維護(hù)，鋼絲繩的實(shí)際重量在張力顯示儀上進(jìn)行實(shí)時顯示。信號監(jiān)控為：該值超過6.7 t即為過負(fù)荷，低于1.4 t即為鋼絲繩松弛。當(dāng)兩個壓力傳感器，任何一個高于或低于極限即為故障條件。當(dāng)鋼絲繩壓力發(fā)生報(bào)警時，則氧槍將不能再進(jìn)行下降操作，操作者必須到現(xiàn)場將氧槍以低速提升至“待機(jī)位置”，并在CRT操作畫面及現(xiàn)場操作箱上同步顯示鋼絲繩張力報(bào)警信號。

　　2.4 緊急控制

　　(1)自動緊急提升。當(dāng)生產(chǎn)中發(fā)生緊急情況，如氧槍冷卻水流量異常、OG風(fēng)機(jī)跳閘、系統(tǒng)被中斷或氧氣流量低等報(bào)警時，氧槍將被自動提升至待機(jī)位Hl點(diǎn)。電氣緊急提升裝置以最大加速度上升至最大速度。

　　(2)氣動緊急提升。氣動緊急系統(tǒng)包括一個進(jìn)氣管道輸氣給緊急電動機(jī)。此管道由電磁閥開斷，主進(jìn)氣管道上裝有一壓力監(jiān)控器，在儲存緩沖箱上進(jìn)行壓力監(jiān)視。當(dāng)轉(zhuǎn)爐在吹煉情況下，設(shè)備突然發(fā)生異常緊急情況時，操作工按下中央操作臺或現(xiàn)場操作箱上的“緊急提升”按鈕，氣動系統(tǒng)由電磁閥打開，氣動電動機(jī)立即運(yùn)轉(zhuǎn)，同時直流制動裝置(DC220v制動電源由UPS供電)將同時打開，氧槍立即以最高速度提升至待機(jī)位H1點(diǎn)，并在中央操作臺上顯示緊急提升的報(bào)警信號。

　　2.5 與其他系統(tǒng)的信息交換

　　(1)與傾動系統(tǒng)之問的聯(lián)鎖。當(dāng)氧槍位置高于待機(jī)位H1點(diǎn)時，轉(zhuǎn)爐可以傾動;同理，當(dāng)轉(zhuǎn)爐不在垂直位置時，氧槍不可以下降，但可以在待機(jī)位

　　H1點(diǎn)以上提升。

　　(2)與OG系統(tǒng)之間的聯(lián)鎖。轉(zhuǎn)爐煙罩不在工作位時，氧槍不允許下降;當(dāng)氧氣流量低時，氧槍將緊急提升;當(dāng)OG系統(tǒng)發(fā)出緊急停止信號時，氧槍也將緊急提升。

　　(3)與上底吹系統(tǒng)的聯(lián)鎖。當(dāng)上底吹系統(tǒng)發(fā)出吹煉開始/結(jié)束的信號后，氧槍開始按系統(tǒng)設(shè)定的位置進(jìn)行上下升降;當(dāng)上底吹系統(tǒng)發(fā)出吹煉調(diào)整信號時，氧槍根據(jù)吹煉情況自動調(diào)整吹煉位置;當(dāng)吹煉過程中，氧氣的消耗量達(dá)到設(shè)定值時，氧槍自動提升至待機(jī)位;當(dāng)氧氣流量低或吹煉系統(tǒng)發(fā)生緊急情況時，氧槍將緊急提升。同時氧槍在吹煉時，當(dāng)本體PLC控制的氧槍冷卻水發(fā)出流量低報(bào)警信號時，氧槍也會緊急提升;當(dāng)氧槍更換臺車不在工作位時，氧槍也不允許升降等。

　　3 定位控制的實(shí)現(xiàn)方法

　　氧槍升降小車是由交流電動機(jī)拖動卷揚(yáng)裝置，帶動升降小車在固有軌道中作往復(fù)直線運(yùn)動，現(xiàn)場由于高溫、多塵等原因環(huán)境惡劣，用限位開關(guān)等來實(shí)現(xiàn)定位，其安裝困難，易損壞，可靠性差，一旦失控將撞壞生產(chǎn)機(jī)械，影響正常作業(yè)。因此我們采用在氧槍傳動機(jī)構(gòu)低速軸上安裝TA4470Nl同步發(fā)送器，由同步發(fā)送器輸出位置信號發(fā)送至安裝在PLC柜中的TA4440N110同步凸輪控制器組合使用來進(jìn)行定位，效果良好。

　　定位系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

　　如上圖所示，氧槍升降小車的位置檢測主要由TA4470N1同步發(fā)送器、TA4440N110同步凸輪控制器和PLC來完成，同時配備必要的上下極限限位、校準(zhǔn)位接近開關(guān)和反映氧槍升降小車初始位的限位開關(guān)來共同組成一套完整的氧槍定位系統(tǒng)。

　　當(dāng)氧槍在進(jìn)行升降運(yùn)行時，電動機(jī)低速軸上的同步發(fā)送器不斷進(jìn)行高速計(jì)數(shù)，將同步檢測到的機(jī)械位置轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺⑺B接至同步凸輪控制器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號和內(nèi)部設(shè)定值進(jìn)行比較。計(jì)數(shù)值與預(yù)定值的比較是由TA4440N110同步凸輪控制器內(nèi)部完成，控制器具有失電數(shù)據(jù)保持，這樣氧槍升降小車在任意狀態(tài)控制器都能一一跟蹤，同時為確保定位準(zhǔn)確性，在待機(jī)位到吹煉開始位之間安裝一個校準(zhǔn)位接近開關(guān)，當(dāng)氧槍升降小車的每一次循環(huán)都經(jīng)過該信號對控制器強(qiáng)行復(fù)位，從而消除計(jì)數(shù)積累誤差。