变频调速在韶钢120吨转炉的应用

一、概述

韶钢两座120吨氧气顶吹转炉由重庆钢铁设计院设计，于2000年8月11日开始动工兴建，于2003年3月22日一次性热负荷试车成功。转炉本体系统是炼钢车间的核心设备，包括：倾动系统、倾动油润滑系统、氧枪横移系统、氧枪升降系统、活动烟罩横移、升降系统及氧枪刮渣器、副原料加料系统、炉前及炉后挡火门、钢水罐车炉下导渣装置、灌沙引流装置、转炉二次除尘气动阀、转炉炉腹空冷风机。两座转炉设计相同，它运用了全PLC方式进行控制，其它与整个系统有联锁关系的设备控制均通过PLC进行控制。而其中转炉倾动系统及氧枪升降系统则是核心的主要组成部分。

二、控制方式简介

1．转炉自动化结构简介

转炉本体的自动化系统主要分为三个层次。

(1)第一层为控制站层，这一层主要由四个控制站主成。它们分别是：

1)1号转炉控制站（包括电气和仪表）

2)2号转炉控制站（包括电气和仪表）

3)2号转炉共用设备电气控制站（包括副原料上料，铁合金，余热锅炉）

4)2号转炉共用设备仪表控制站（包括副原料上料，铁合金，余热锅炉）

这一层主要用于计算机对设备的控制和数据采集。主要硬件配置处理器为西门子的处理器s7-400，机架为ET200。机架之间的通讯是通过DP总线进行的。转炉本体的控制站与倾动变频器。氧枪变频器、倾动编码器、氧枪编码器之间也是通过DP总线进行通讯的。控制站与服务器之间通过CP1613通讯卡以及OLM网卡和工业ethert网进行通讯。软件采用西门子STEP7 V5.0软件。    

(2)第二层为服务器层

这一层主要由两个服务器和一个工程师站组成。服务器用于第一层与第三层通讯的中转作用。两台服务器互为热备，即平时只用一台，当这台服务器有问题时，另一台可自动投入。工程师站用于软件保存和软件维护。服务器与操作站之间通过一个双速交换机和ethert网与操作站进行通讯。这一层的主要硬件配置为工控机。软件为STEP7 V5.0和画面软件WINCC。

(3)第三层为操作站层

这一层主要由6个操作站组成，1、2号转炉各两个操作站，1、2号转炉共用部分两个操作站。这些操作站可将控制站层采集的数据和设备状态通过服务器层中转后显示在画面上，并将操作人员发出的指令通过服务器层中转至控制站层，并通过控制器层对设备进行控制。这一层的硬件配置主要为工控机，软件为WINCC画面软件。

三、倾动系统的控制以及在调试中遇到的问题

(1)倾动系统控制方式的组成

倾动系统的控制主要由主PLC S7-400、变频PLC s7-300组成。主PLC主要是收集现场的信号，包括氧枪高度及倾动角度信号，并进行整个系统的控制；变频PLC主要用于具体对整套变频装置中的主电源合、分闸，整流装置的起停控制，逆变装置中的起停控制，四台倾动电机的单动、联动，主从控制以及氧枪升降系统的起停、升降控制，各运行状态监控等，也对一些辅助设备进行控制，例如电动机抱闸，变频装置通风风扇等。

主PLC与变频PLC通讯是采用MPI接口进行的；主要用于传输变频器的起停、软件上的紧急停止控制指令以及接收变频器反馈的各种状态信息。而四台倾动逆变器的速度给定值则是主PLC通过DP总线传输的。

(2)倾动电动机的主、从控制

倾动的变频系统比较复杂，在于倾动系统由四台交流变频电动机提供动力，当在倾动过程中，由于四台电动机是钢性连接，因此四台电动机的转速一定是一样的，但随着炉子的重心的偏移以及四台电动机的机械特性和传动特性的不一样，可能导致四台电动机的出力情况不一样，有的电动机出力可能很大，有的电动机出力很小，甚至有的电动机被拖着运行处于向电网馈电状态。出力的不同反映到电动机上就是电动机的电流不一样，出力大的电流必然大，大电流通过电动机必然会缩短电动机的寿命，甚至会烧掉电动机，为了防止这种情况的发生，在设计时必须考虑四台电动机的转矩平衡问题，即要求四台电动机在任何时候出力必须一样。因此将每一台电动机设置成双环反馈系统，即速度环和电流环。对电动机的任何给定均应通过这两个反馈环的整定后才最终作用于电动机上。速度环是通过电动机上的速度编码器（增量型编码器）实现的。四台电动机设置成一主三从的方式，将主电动机的电流反馈到其他三台从电动机的电流环上，即三台从电动机上的电流与主电动机的电流一致，这样就实现了转矩平衡。

倾动电动机的主、从控制主要是由变频300PLC通过程序以及逆变器的参数设置来实现的。在下，当进行倾动控制时，主PLC通过DP总线同时向四台倾动电动机逆变器发速度的给定，但只有被设置为主的逆变器接收到的速度给定是有效的，其余三台从的逆变器接收到的速度给定只是接收，不执行输出。而主逆变器通过CBP通讯板接收到的给定，通过内部的调整之后，将自身的电流环给定输出通过SCB通讯板传输给其余三台从逆变器。三台从逆变器通过SCB通讯板接收到来自主电动机的电流给定信号，执行输出。这样就实现了四台倾动电动机倾动时它们之间的出力是一致的，这样就实现了转矩平衡。

当1#逆变器出现故障跳闸之后，2#逆变器通过软件上的控制，会被自动设置为主逆变器，此时它接收到的速度给定通过内部调整之后，将电流环上的信号通过SCB2通讯板输出到另外两台逆变器，从而实现倾动的主、从自动切换操作控制。

(3)倾动的起停以及紧急停止控制

倾动的起停信号由不同操作地点的操作手柄按钮来实现的。当选择该操作地点操作时，该手柄按钮按下，即将起动逆变器的信号传入主PLC，主PLC接收到该信号，通过MPI接口通讯，将该指令传给变频PLC，变频PLC接收到指令后，执行输出，控制逆变器起动运行。

倾动的紧急停止停号，设计有两个紧停信号，一个是通过主PLC的MPI接口向变频PLC发送的信号，当接收到这个信号时，变频PLC输出紧停信号。另一个是现场操作地点的紧停信号，当现场紧停按钮按下时，执行输出。两个信号串联在一起，当它们任何一个动作时，逆变器均紧停动作。

(4)调试中遇到的问题及解决办法

在进行倾动时，四台电动机同时运行将产生大的电流，以及当频率变化时产生的各次谐波对其他设备尤其是信号回路将产生严重的干扰。例如在干扰严重时，倾动的角度编码器会暂时掉失和主PLC的数据联系，即出现掉站现象。掉站后主PLC也会暂时停止进行自检工作，此时变频器会因为无法与PLC进行数据交换而报F082故障，同时将停止工作。为了避免这种情况的发生，采取了以下步骤：

1)所有信号回路的电缆均应选取屏蔽电缆，并应将屏蔽层两端可靠地接地，电缆在敷设时尽量不要被断开。

2)信号回路的电缆在敷设时应穿钢管，钢管应可靠接地。

3)变频电动机的电缆应选取专用变频动力电缆，电缆屏蔽层两端均应可靠接地。

4)在敷设过程中，变频动力电缆与信号电缆尽量不要平行敷设，如果必须平行敷设，则两条电缆之间的距离必须在0.2m以上。如果必须在一个电缆桥架内敷设，则两电缆之间必须设金属隔板隔板必须可靠接地。

5)如果电缆两端的接地电位不一样，可敷设一条大于10mm2的专用接地电缆将两端连接起来

四、氧枪升降系统的控制以及在调试中遇到的问题

(1)氧枪升降系统控制方式的组成

氧枪升降系统也主要由主PLC、变频PLC(与倾动系统为同一个PLC)，两套逆变装置、两套(A，B枪)升降装置组成。而1#、2#逆变装置及A、B枪是互为备用的，即任一台逆变器可以自动切换带在工作位使用的氧枪。变频PLC传输的信号相对倾动装置多了一个换枪操作的自动切换。

(2)氧枪升降控制

氧枪升降系统的控制要求主要是安全可靠、速度快、停位准，为了实现这个控制要求，就必颏有可靠的位置检测装置。氧枪的位置检测装置主要有：编码器（绝对型）、主令开关和行程开关。编码器为主要的位置检测装置，它可通过连续的编码计算出氧枪的位置，并可在操作画面上显示出来，其误差小于2mm。主令开关作为辅助的检测装置，它的精度不高，只能检测出几个固定的区域。在这里主令开关的几个检测区域是氧枪的上下减速点、上下工作点、上下极限点，主令开关在这几个点与编码器同时起作用，当氧枪编码器出故障时，主令开关也可起作用使氧枪减速或停止。主令的精度虽然不高，但应尽量调准，误差一般不应超过100mm，精度不够会引起或者不起保护作用或者影响设备的正常运行。行程开关作为最后的保护措施，行程开关只能对点检测而不能检测区域，所以行程开关只能做氧枪上下极限点起保护作用。为了实现氧枪升降的安全可靠、速度快、停位准，氧枪的速度控制也是很重要的。一般来说氧枪速度分为三档，高速、低速、微速。高速一般为40～50Hz (30～40m/min)，低速为8～10Hz (6～8m/min)，微速为1Hz (0.8m/min)。氧枪正常为高速运行，当距目的地1m（根据设备的惯性来定）时转为低速，当距目的地0.2m（根据设备的惯性来定）时转为微速，这样可使运行时间少且氧枪停位很准，误差不超过2mm。

(3)氧枪换枪及逆变器切换的操作

氧枪设有1#、2#逆变装置及A枪、B枪两支互为备用氧枪，操作人员只需要在操作站电脑画面上进行切换操作，将在工作位使用的氧枪在换枪点解锁后，移至待机位，将要使用的另一支枪移位工作位，锁紧后即可进行正常使用。

两台逆变器均可以带在工作位使用的A枪或B枪，而使用哪一台逆变器则是由电气维护人员手工进行切换，确定使用哪一台逆变器之后，逆变PLC将信号通过MPI通讯传回给主PLC，主PLC将根据所使用的逆变器的Profibus地址，通过DP总线传输控制该台逆变器的速度。对于该台逆变器所带的氧枪则是由主PLC检测到工作位的是A枪或B枪，确定后，将该信号通过MPI传给变频PLC，变频PLC接收到该信号后，控制输出进行切换完成两支氧枪在同一台逆变器上所带工作位氧枪的编码器信号及输出电动机的工作。

(4)氧枪的起停、紧急停止以及紧急提升控制

氧枪的起停信号由操作人员在操作站上对服务器的画面上进行操作，指令由服务器输入到主PLC，主PLC接收到指令后，由程序判断出是进行升氧枪还是降氧枪，同时通过MPI接口通讯，将该指令传给变频PLC，变频PLC接收到指令后，执行输出，控制在用的氧枪逆变器起动运行。

氧枪的紧急停止停号，设计有三个紧停信号，一个是通过主PLC的MPI接口向变频PLC发送的信号（包括了仪表检测并发出的紧停信号），当接收到这个信号时，变频PLC输出紧停信号。一个是现场操作地点的紧停信号，当现场紧停按钮按下时，执行输出。另一个是氧枪各检测点检测到的极限信号。三个信号串联在一起，当它们任何一个动作时，逆变器均紧停动作。

氧枪的紧急提升控制，有两个操作方式，一个是操作站的操作台上设有紧急提升按钮，当操作人员按下此按钮时，指令输入到主PLC，主PLC接收到指令后，由程序判断并执行，发出运行指令，将氧枪提升至换枪点。另一个是仪表检测信号，当检测到不满足生产工艺要求时，在使用的氧枪将自动进行上述的操作。

(5)调试中遇到的问题及解决办法

氧枪编码器在运行过程中也可能受到干扰，报F082通讯故障，处理方法如倾动系统上所诉。如果在运行过程中报F053故障，即速度信号发生器信号的允许变化值被超过两倍，这时应检查测速机电缆是否断线，接地是否按上所诉接好，如果效果还不好可将氧枪的高速值适当下降。

五、结束语

在转炉的倾动系统和氧枪系统中，变频调速和PLC控制以及工业以太网通讯等技术得到了广泛的应用，经过近两年多的运行，情况良好，为今后转炉工程的设计和现代自动控制技术发展起到一定的借鉴作用。