韋荔甫

摘 要：本文以某公司高爐卷揚(yáng)上料控制系統(tǒng)改造、設(shè)計為例，把施耐德M340 PLC、組態(tài)監(jiān)控軟件和ABB ACS800型變頻器有機(jī)結(jié)合起來，以矢量控制方式實現(xiàn)了對上料小車的精確控制，供電模式通過主回路上的倒閘來獨(dú)立實現(xiàn)，互不干擾，提高了卷揚(yáng)上料系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對高爐穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，降低成本起到關(guān)鍵作用，確保較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

關(guān)鍵詞：PLC 變頻器 卷揚(yáng) 上料

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

0 引言

上料主卷揚(yáng)系統(tǒng)是高爐煉鐵設(shè)備中的主要組成部分，是高爐原料輸送的重要裝置，它的穩(wěn)定性是保證整個煉鋼工藝過程中的關(guān)鍵。如何進(jìn)行高爐上料卷揚(yáng)系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化，已成為現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)工藝中的一個重要課題。

目前，國內(nèi)許多中小型高爐的上料形式主要是皮帶上料。皮帶上料作為標(biāo)準(zhǔn)上料設(shè)備是國內(nèi)中小型企業(yè)采用的最原始的一種上料方法。生成中，要求上料設(shè)備要具備足夠的運(yùn)送能力，即上料速度要滿足高爐生產(chǎn)的要求：1、運(yùn)行可靠，耐用，保證高爐能連續(xù)生產(chǎn)；2、能夠?qū)崿F(xiàn)上料自動化；3、結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便；4、一旦投產(chǎn)上料，設(shè)備就不能中途暫停，必須一直運(yùn)行，保證原料不斷地運(yùn)上高爐。否則，系統(tǒng)因不穩(wěn)定而造成慢風(fēng)、休風(fēng)、停產(chǎn)等問題。為了降低生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題，本設(shè)計通過M340 PLC和ABB ACS800型變頻器的有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)對上料系統(tǒng)精確、可靠的控制，來提高卷揚(yáng)上料系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效地解決了長期因卷揚(yáng)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定而造成的慢風(fēng)、休風(fēng)、停產(chǎn)等問題，降低上料系統(tǒng)的故障率。

本設(shè)計高爐卷揚(yáng)機(jī)上料系統(tǒng)主要由主令控制器、變頻電機(jī)、變速箱、抱閘、靠背輪和主卷揚(yáng)組成，如圖1.1所示。卷揚(yáng)機(jī)動力驅(qū)動主要依靠三相異步電機(jī)通過減速器帶動鋼絲繩卷筒轉(zhuǎn)動，料車分左車和右車，左車、右車的上下移動由鋼絲繩牽引。上料時，各種原料經(jīng)過槽下配料后進(jìn)入中間料斗，再送到料坑，供料至料車，此時，中間料閘門關(guān)閉到位。當(dāng)爐頂準(zhǔn)備好后，料車啟動，經(jīng)過加速→勻速→一級減速→二級減速→到達(dá)爐頂停車、制動。牽引兩個上料小車的鋼絲繩由同一個卷筒驅(qū)動，假如左車（裝料車）上行時，右車（空料車）下行，左車到頂，對應(yīng)的右車到底，沒有空行程，如圖1.2所示。

1總體設(shè)計

系統(tǒng)改進(jìn)時采用施耐德M340 PLC和ABB ACS800型變頻器來控制左右上料車。其特點：自帶啟動引導(dǎo)程序，具有自定義編程功能，即內(nèi)置有可編程模塊、濾波器、斬波器及電抗器，是目前最先進(jìn)的交流異步電機(jī)的控制方式。組態(tài)監(jiān)控軟件使用IFIX，IFIX的作用是采集和傳遞工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)集中顯示和遠(yuǎn)程操作。其最大的優(yōu)勢就是具有強(qiáng)大的開放式功能和完善的通訊協(xié)議以及用戶權(quán)限管理功能，能夠很好支持各類PLC。完善之后高爐上料系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控實現(xiàn)的功能如圖1.2所示，由料車系統(tǒng)、探尺系統(tǒng)、皮帶系統(tǒng)、小鐘系統(tǒng)和大鐘系統(tǒng)組成。

1.1設(shè)計要求

以某公司某車間為例：該車間每天二十四小時都處于工作狀態(tài)，每小時上6批料，每車料用時60秒，其中料車運(yùn)行時間為45秒，料車停、運(yùn)和槽下裝料的時間為12秒。這樣，主卷揚(yáng)電機(jī)反復(fù)啟動→快速加速（5～10S）→高速運(yùn)行（30～20S）→快速減速（5～10S）→低速運(yùn)行（5S）→停止，工作工況于正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)反復(fù)交換，工作條件惡劣。主卷揚(yáng)電機(jī)由變頻器驅(qū)動，變頻器必須經(jīng)受住每天二十小時反復(fù)地啟動時大電流的沖擊和減速時的高電壓沖擊而不出現(xiàn)問題。根據(jù)產(chǎn)能和技術(shù)經(jīng)驗，該設(shè)計時選用了2臺重載功率為110KW ABB ACS800型的變頻器作調(diào)速裝置（一臺備用）。在運(yùn)行過程中，該裝置通過矢量控制方式來實現(xiàn)精確的速度控制。同時，系統(tǒng)還配置了制動單元和制動電阻來實現(xiàn)卷揚(yáng)系統(tǒng)的制動。主傳動部分由兩臺變頻調(diào)速柜組成，一臺主用，一臺備用。在實際生產(chǎn)中，通過主控制柜實現(xiàn)兩個裝置之間的切換，來解決因系統(tǒng)故障不能運(yùn)行而造成停產(chǎn)的問題。同時實現(xiàn)每個變頻器的控制信號均通過雙向切換電氣設(shè)備來完成基本的聯(lián)鎖及控制功能，在主PLC與切換柜之間、操作臺與切換柜之間還有繼電器相互隔離，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。

1.2系統(tǒng)主回路控制電路的實現(xiàn)

兩臺卷揚(yáng)變頻器的主回路靠0DK倒閘切換來獨(dú)立供電，互不干擾，徹底杜絕了供電主回路共用時主回路的自動空氣斷路器、接觸器、快速熔斷器任何一個元件損壞而導(dǎo)致上料停止的事故發(fā)生。兩臺主卷揚(yáng)變頻器的輸出回路都接至雙投隔離開關(guān)2DK上，經(jīng)2DK的倒閘切換可將任一臺主卷揚(yáng)變頻器的輸出回路與主卷揚(yáng)電機(jī)接通，如圖1.3所示。

1.3變頻控制功能的實現(xiàn)

① 主卷揚(yáng)變頻器的啟?？刂疲ㄒ宰筌嚿闲屑巴Ｖ篂槔臆嚺c左車同）：變頻器啟動的前提條件為變頻器無故障，控制回路DC24V電源Z+、Z-正常且變頻器主回路供電輸入AC380V正常。左車上行，繼電器1001K、1002K得電后動作，變頻器的RUN FOR控制端子為高電平（DC24V），則變頻器啟動并正向運(yùn)轉(zhuǎn)，料車左車上行。左車上行到位，主令控制器XK到位停車點（第2點）斷開或左車上行位置檢測絕對值編碼器檢測到左車上行到位，而輸出繼電器1014K（自動停止左車上行繼電器）得電動作使左車上行繼電器1001K、1002K失電，變頻器立即停止工作輸出。當(dāng)受料斗繼電器K1009得電動作，此時，料車禁止上行，直至接收到解除料車禁止上行信號為止，如圖1.3所示。

② 抱閘制動器控制（以1#變頻器工作、左車上行到位后抱閘為例，右車與左車同）：抱閘制動器打開，保證控制線路電源正常得電21KA，即：變頻控制回路（1DK）合閘正確，變頻輸出回路（2D）合閘正確，抱閘制動器供電回路（3DK）合閘也正確。在滿足上述的條件后，1#變頻器正確合閘，繼電器1XLJ得電。當(dāng)左車上行方向繼電器1012K得電動作后，1#變頻器啟動運(yùn)行，1RU N得電。1#變頻器輸出力矩繼電器1TORQ也得電，這時，繼電器26KA得電自保，抱閘制動接觸器ZDC閉合，抱閘制動器液壓泵電機(jī)得電運(yùn)轉(zhuǎn)，抱閘制動器打開。當(dāng)左車上行到位，主令控制器XK的到位制動點（第七點）斷開或左車上行位置的絕對值編碼器檢測到左車上行到位，該制動輸出繼電器1010K（左車自動定位抱閘繼電器）得電，抱閘制動接觸器ZDC便斷開，抱閘制動器液壓泵電機(jī)失電停止運(yùn)轉(zhuǎn)，則抱閘制動器抱閘，實現(xiàn)抱閘功能。

③ 變頻器的速度控制（以左車上行及停車為例，右車控制同）：變頻器左重車啟動前4KA、5KA得電動作，則變頻器的SPEED SEL1控制端為低電平（DC0V），1007K失電則變頻器的SPEED SEL2控制端子亦為低電平（DC0V），啟動后變頻器按重車高速：45～50HZ的給定頻率加速（5～10S）到給定頻率，重車高速運(yùn)行（30～20S），4KA、5KA相繼失電，則變頻器的SPEED SEL1控制端子為高電平（DC24V），變頻快速減速（5～10S）至重車低速給定頻率：5～15HZ，直至到位停車。變頻器左空車啟動時1007K得電，變頻器的SPEED SEL2控制端子為高電平（DC24V），變頻快速加速（5～10S）至空車高速給定頻率：35～40HZ，空車高速運(yùn)行（30～20S），5KA一失電則變頻器的SPEED SEL1控制端子為高電平（DC24V），變頻快速減速（5～10S）至空車低速給定頻率：5～15HZ，直至到位停車。

④ 料車定位控制。主卷揚(yáng)上料車定位控制有兩種方式，一是依靠與卷筒同軸轉(zhuǎn)動的無觸點主令控制器，這種方式簡單、可靠。另一種采用絕對值編碼器控制方式，該編碼器采用現(xiàn)場總線傳輸至PLC控制站，實現(xiàn)料車定位的數(shù)字化控制，定位精度高（±1cm）且調(diào)整、調(diào)試簡單，只須通過鍵盤就可更改定位點；另外通過鍵盤還可設(shè)定定位的最大、最小值，這樣就可避免料車沖頂而造成嚴(yán)重的事故。

⑤ 系統(tǒng)安全聯(lián)鎖

a、在N7（料車主卷揚(yáng)低壓柜）上設(shè)置有緊急停車按鈕TA。 b、左（右）車上行方向超極限保護(hù)有XK的第1點、第9點。 c、當(dāng)出現(xiàn)鋼繩的松繩故障時，松繩檢測開關(guān)1SK或2SK動作，變頻器合閘主接觸器斷開，變頻器失電，抱閘制動器失電抱閘。 d、抱閘制動器液壓泵電機(jī)供電主回路空氣開關(guān)跳閘，則試變頻器合閘主接觸器無法合閘或跳閘，變頻器失電，抱閘制動器失電抱閘。 e、當(dāng)出現(xiàn)以下任一故障：制動系統(tǒng)故障、超速故障、運(yùn)行方向故障、減速頻率錯誤故障時，16KA均得電引起變頻器合閘主接觸器斷開，變頻器失電，抱閘制動器失電抱閘。 f、過流繼電器1001GL1、1001GL2或非門1002GL1、1002GL2任一動作時，均引起變頻器合閘主接觸器斷開，變頻器失電，抱閘制動器失電抱閘。g、快速熔斷器R1、R2、R3或R4、R5、R6任一動作時，均引起變頻器合閘主接觸斷開，變頻器失電，抱閘制動器失電抱。

1.4 PLC控制功能的實現(xiàn)

PLC控制流程圖如圖1.4所示。本控制系統(tǒng)通過改造設(shè)計實現(xiàn)了振篩振動下料、各倉閘門的關(guān)與開、變頻器工作與電機(jī)調(diào)速、料車的上下行、料車倒料和裝料、大小鐘的關(guān)閉與打開的自動控制。其中：

① 振篩控制

PLC的信號：料倉稱重傳感器為“0”，表示倉閘門已關(guān)到位，當(dāng)震動下料，料倉稱重傳感器為“1”時，振篩的振動就停止。

② 倉閥門控制

中間倉閥門關(guān)閉，料倉稱重傳感器為“1”，同時中間倉閥門稱重傳感器為“0”，PLC控制倉閥門打開；反之，PLC控制倉閥門關(guān)閉，則料倉稱重傳感器為“0”。

③ 變頻器控制

變頻器正、反轉(zhuǎn)由PLC控制實現(xiàn)。小車停在斜橋底部，當(dāng)料滿載后，PLC控制變頻器正轉(zhuǎn)，加速上行；小車空載且在斜橋頂部，PLC控制變頻器反轉(zhuǎn)，加速下行。中間過程還有勻速和減速控制，靠限位開關(guān)給PLC輸入，改變料車運(yùn)行狀態(tài)。

④ 大小鐘控制

小車倒料完畢，PLC控制小鐘開，延時12S后，小鐘關(guān)閉。小鐘關(guān)閉后，PLC控制大鐘開，延時10S后，大鐘關(guān)閉。

⑤ 故障和報警

為避免料車失控、變頻器故障、松繩和設(shè)備異常等故障，本系統(tǒng)設(shè)置了相應(yīng)的檢測等裝置，顯示故障并采取了電機(jī)抱閘等安全控制措施。

2 結(jié)論

本設(shè)計通過PLC與變頻器及編碼器的有機(jī)結(jié)合實現(xiàn)了倉閘門的開與關(guān)、變頻器調(diào)速、大、小鐘的開與關(guān)的控制。通過一年多的生產(chǎn)運(yùn)行，無論是正常啟動還是中途停車再啟動，均能實現(xiàn)高爐上料的平穩(wěn)運(yùn)行。同時，能按照工藝流程完成從料倉經(jīng)運(yùn)礦皮帶運(yùn)至中間倉、從中間倉下落至料車、由料車運(yùn)至高爐頂卸料至高爐進(jìn)行冶煉的過程，達(dá)到全自動控制的目的。年產(chǎn)值比改造前提升了20%以上，對高爐穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，降低成本起到關(guān)鍵作用，確保較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱安遠(yuǎn).高爐料車主卷揚(yáng)及探尺卷揚(yáng)電力傳動方式淺析[J]，基礎(chǔ)自動化，1996（1）：47-51.

[2] 張燕賓.變頻調(diào)速應(yīng)用實踐[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3] 姬廣盈，祝兆華.設(shè)備管理與維修雜志編輯部[J]，北京：設(shè)備管理與維修，2006（2）：（31-32）

[4] Siemens.S7-200系統(tǒng)手冊[M]，2004.

[5] 胡健.深入淺出西門子S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M]，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[6] 許國玲， 高爐料車主卷揚(yáng)的變頻控制 ，城市建設(shè)理論研究：電子版：2013.