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(wàn)t碳鋼和72萬(wàn)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(méi)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(gè)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(dòng)機(jī)的低速軸上配以專(zhuān)用的同步發(fā)送器(編碼器)和同步凸輪控制器來(lái)進(jìn)行位置控制.并通過(guò)FL-net方式與其他系統(tǒng)主PLC(ACS 200))通信，氧副槍3臺(tái)逆變器和本體PLC通過(guò)T-Link網(wǎng)一起構(gòu)成高性能傳動(dòng)控制系統(tǒng)。氧槍升降的調(diào)速部分和轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)、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(guò)公共直流母線構(gòu)成，配以速度傳感器來(lái)測(cè)量升降電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。從而構(gòu)成電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)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(tái)150 kW傾動(dòng)電動(dòng)機(jī)、2臺(tái)110 kW氧槍傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)和l臺(tái)110kW副槍傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，每2套整流裝置互為備用。

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

　　在PLC向逆變器發(fā)出開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)的同時(shí)，為了滿足工藝的要求，逆變器又需要通過(guò)與電動(dòng)機(jī)同軸的速度傳感器和PG卡，對(duì)電動(dòng)機(jī)完成速度榆測(cè)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(hào)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，并可以根據(jù)A、B脈沖的頻率測(cè)出電動(dòng)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(dòng)抱閘，此抱閘由電-液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或緊急情況下由氣動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)打開(kāi)，在緊急情況下，緊急氣動(dòng)電動(dòng)機(jī)投入代替電氣變頻電動(dòng)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(chǎng)控制和中央控制兩種，而中央控制又可分為中央自動(dòng)、中央手動(dòng)、緊急提升三種。

　　(1)操作地點(diǎn)為便于現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)選擇，使操作人員能在現(xiàn)場(chǎng)控制氧槍升降小車(chē)的運(yùn)行。現(xiàn)場(chǎng)控制方式的操作在氧槍升降傳動(dòng)裝置旁(50 m平臺(tái))的現(xiàn)場(chǎng)操作箱1上和氧槍人孔位置(25 Ill平臺(tái))的現(xiàn)場(chǎng)操作箱2上。現(xiàn)場(chǎng)模式可以在兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)操作箱中的任一個(gè)上進(jìn)行選擇，把選擇開(kāi)關(guān)由“中央”切換到位置“現(xiàn)場(chǎng)”。進(jìn)行選擇后，現(xiàn)場(chǎng)操作箱1或2上的信號(hào)燈“LOCAL”顯示，同時(shí)在中央主操作室CRT的氧槍操作畫(huà)面上顯示氧槍在現(xiàn)場(chǎng)的操作模式。從現(xiàn)場(chǎng)模式返回到中央模式時(shí)，把現(xiàn)場(chǎng)操作箱1和2上的選擇開(kāi)關(guān)從“現(xiàn)場(chǎng)”再切換到“中央”，即兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)操作箱上的選擇開(kāi)關(guān)都位于“中央”位置，同時(shí)在中央主操作室CRT的氧槍操作畫(huà)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(chǎng)操作箱1和2上的“REMOTE”信號(hào)燈全部顯示，同時(shí)在中央主操作室CRT的氧槍操作畫(huà)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(dòng)方式。只能在中央操作室操作站(CRT畫(huà)面)上操作，即在轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中，當(dāng)吹煉條件滿足時(shí)，PLC就接受來(lái)自上位機(jī)的指令，通過(guò)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(cè)到的機(jī)械位置轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并將它連接至同步凸輪控制器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(shí)減速、停車(chē)值時(shí)停車(chē)，完成向下的全程運(yùn)行。當(dāng)吹氧完了后，電動(dòng)機(jī)作反向運(yùn)行，原計(jì)數(shù)器做減計(jì)數(shù)，減至停車(chē)值時(shí)，電動(dòng)機(jī)停車(chē)并完成一個(gè)循環(huán)動(dòng)作。

　　2)手動(dòng)高速方式。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，通過(guò)CRT上的操作按鈕或現(xiàn)場(chǎng)操作箱的手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)，來(lái)對(duì)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(cè)到的機(jī)械位置轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并將它連接至同步凸輪控制器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)和內(nèi)部設(shè)定值進(jìn)行比較，到減速值時(shí)減速、停車(chē)值時(shí)停車(chē)，完成全程運(yùn)行。

　　3)手動(dòng)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(dòng)低速操作方式時(shí)，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(gè)的升降過(guò)程全部都是低速。只有操作方式選用手動(dòng)高速時(shí)，氧槍在整個(gè)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(dòng)態(tài)平衡、定位精度高、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、起停無(wú)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(shí)將響應(yīng)時(shí)間控制在10ms以?xún)?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(dòng)完成平滑的加、減速過(guò)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以以低速、高速進(jìn)行下降和上升，氧槍升降的速度通過(guò)PLC給定，PLC分別給定兩個(gè)傳動(dòng)氧槍上升或下降命令的指令和兩個(gè)高低速速度指令通過(guò)T-Link通信，發(fā)送至逆變器的交流傳動(dòng)控制板，氧槍根據(jù)高低速速度指令開(kāi)始上下高低速移動(dòng)，在自動(dòng)或手動(dòng)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(gè)系統(tǒng)的可靠性，便于維修人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和判別故障，我們充分利用PLC的功能，由PLC對(duì)氧槍升降小車(chē)的絕對(duì)位置進(jìn)行狀態(tài)數(shù)碼顯示，以便對(duì)氧槍的整個(gè)行程進(jìn)行監(jiān)控。

　　2.3 張力檢測(cè)

　　氧槍在上下升降的過(guò)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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一套鋼絲繩的張力檢測(cè)系統(tǒng)，它由兩個(gè)壓力傳感器和張力顯示儀來(lái)進(jìn)行監(jiān)控。在氧槍的運(yùn)行過(guò)程中，壓力傳感器始終輸出標(biāo)準(zhǔn)的毫伏信號(hào)，并分別送至相應(yīng)的張力顯示儀，張力顯示儀將這個(gè)信號(hào)在內(nèi)部轉(zhuǎn)換成實(shí)際重量信號(hào)，與內(nèi)部設(shè)定值進(jìn)行比較，輸出一個(gè)鋼絲繩壓力正?；虍惓５男盘?hào)給PLC參與聯(lián)鎖控制;同時(shí)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(shí)顯示。信號(hào)監(jiān)控為：該值超過(guò)6.7 t即為過(guò)負(fù)荷，低于1.4 t即為鋼絲繩松弛。當(dāng)兩個(gè)壓力傳感器，任何一個(gè)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(shí)，則氧槍將不能再進(jìn)行下降操作，操作者必須到現(xiàn)場(chǎng)將氧槍以低速提升至“待機(jī)位置”，并在CRT操作畫(huà)面及現(xiàn)場(chǎng)操作箱上同步顯示鋼絲繩張力報(bào)警信號(hào)。

　　2.4 緊急控制

　　(1)自動(dòng)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(shí)，氧槍將被自動(dòng)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(dòng)緊急提升。氣動(dòng)緊急系統(tǒng)包括一個(gè)進(jìn)氣管道輸氣給緊急電動(dòng)機(jī)。此管道由電磁閥開(kāi)斷，主進(jìn)氣管道上裝有一壓力監(jiān)控器，在儲(chǔ)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(shí)，操作工按下中央操作臺(tái)或現(xiàn)場(chǎng)操作箱上的“緊急提升”按鈕，氣動(dòng)系統(tǒng)由電磁閥打開(kāi)，氣動(dòng)電動(dòng)機(jī)立即運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)直流制動(dòng)裝置(DC220v制動(dòng)電源由UPS供電)將同時(shí)打開(kāi)，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(tái)上顯示緊急提升的報(bào)警信號(hào)。

　　2.5 與其他系統(tǒng)的信息交換

　　(1)與傾動(dòng)系統(tǒng)之問(wèn)的聯(lián)鎖。當(dāng)氧槍位置高于待機(jī)位H1點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)爐可以?xún)A動(dòng);同理，當(dāng)轉(zhuǎn)爐不在垂直位置時(shí)，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(shí)，氧槍不允許下降;當(dāng)氧氣流量低時(shí)，氧槍將緊急提升;當(dāng)OG系統(tǒng)發(fā)出緊急停止信號(hào)時(shí)，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(kāi)始/結(jié)束的信號(hào)后，氧槍開(kāi)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(hào)時(shí)，氧槍根據(jù)吹煉情況自動(dòng)調(diào)整吹煉位置;當(dāng)吹煉過(guò)程中，氧氣的消耗量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，氧槍自動(dòng)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(shí)，氧槍將緊急提升。同時(shí)氧槍在吹煉時(shí)，當(dāng)本體PLC控制的氧槍冷卻水發(fā)出流量低報(bào)警信號(hào)時(shí)，氧槍也會(huì)緊急提升;當(dāng)氧槍更換臺(tái)車(chē)不在工作位時(shí)，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(chē)是由交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)卷?yè)P(yáng)裝置，帶動(dòng)升降小車(chē)在固有軌道中作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)由于高溫、多塵等原因環(huán)境惡劣，用限位開(kāi)關(guān)等來(lái)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(dòng)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(hào)發(fā)送至安裝在PLC柜中的TA4440N110同步凸輪控制器組合使用來(lái)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(chē)的位置檢測(cè)主要由TA4470N1同步發(fā)送器、TA4440N110同步凸輪控制器和PLC來(lái)完成，同時(shí)配備必要的上下極限限位、校準(zhǔn)位接近開(kāi)關(guān)和反映氧槍升降小車(chē)初始位的限位開(kāi)關(guān)來(lái)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(shí)，電動(dòng)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(cè)到的機(jī)械位置轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并將它連接至同步凸輪控制器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(chē)在任意狀態(tài)控制器都能一一跟蹤，同時(shí)為確保定位準(zhǔn)確性，在待機(jī)位到吹煉開(kāi)始位之間安裝一個(gè)校準(zhǔn)位接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)氧槍升降小車(chē)的每一次循環(huán)都經(jīng)過(guò)該信號(hào)對(duì)控制器強(qiáng)行復(fù)位，從而消除計(jì)數(shù)積累誤差。