陳智平  楊軍軍 彭洋

（陜鋼集團(tuán)漢鋼公司煉鐵廠）

摘要:介紹了交流變頻器控制技術(shù)在陜鋼集團(tuán)漢鋼公司1#高爐（1080m³）探尺改造中控制，以及在調(diào)試過程中探尺跟蹤料面曲線走勢(shì)不平滑做出的改進(jìn)措施。 

關(guān)鍵詞：探尺；變頻器；重錘 

引言

探尺設(shè)備在高爐生產(chǎn)中起著非常重要的作用，探尺是否能夠精確的測(cè)量出高爐料面位置，將直接影響操作人員對(duì)高爐爐況的監(jiān)測(cè)、分析與判斷，因此提高探尺的檢測(cè)控制精度是當(dāng)前急需解決的問題。傳統(tǒng)的高爐探尺控制多采用直流電機(jī)和直流裝置，但在應(yīng)用過程中會(huì)表現(xiàn)出比較明顯的缺點(diǎn)。由于探尺在高爐生產(chǎn)過程中發(fā)揮的作用越來越大，一旦探尺出現(xiàn)故障將嚴(yán)重影響高爐生產(chǎn)。為適應(yīng)高爐順行、穩(wěn)產(chǎn)及長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展要求，新型高爐探尺均采用交流變頻電機(jī)傳動(dòng)，其監(jiān)測(cè)高爐爐內(nèi)料面位置精準(zhǔn)、布料指令準(zhǔn)確，能有效提高探尺的控制精度，為高爐提供可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

概述

漢鋼公司1#高爐探尺改造前是采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)其機(jī)械設(shè)備,直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率較高，備件種類及附件多且維護(hù)困難，故予以改造。改造方案需要將原直流電機(jī)改型為交流變頻電機(jī)。探尺系統(tǒng)將原有直流控制需要改造為交流變頻控制。西門子變頻器廣泛，維修人員熟悉便于維護(hù)，因此選用西門子公司矢量控制電壓源型S120變頻器。探尺設(shè)計(jì)方案如下:

1)傳動(dòng)電機(jī)采用三相交流異步電機(jī)，型號(hào)YZTET1132M-6。電機(jī)功率:2.2Kw，電壓：380V，轉(zhuǎn)速：996轉(zhuǎn)/分，電機(jī)絕緣等級(jí)H，連續(xù)工作制。

2)減速機(jī)構(gòu)速比63，卷尺滾筒直徑667mm。正常工作時(shí)，提尺速度0~0.5m/s,放尺速度0.33~0.37m/s。

3)旋轉(zhuǎn)編碼器/卷筒軸轉(zhuǎn)速=（編碼器旋轉(zhuǎn)一圈，重錘位移2000mm）。

4)探錘質(zhì)量選用150Kg倒錐形重錘,提升高度10000mm,工作提升高度為6000mm。

5)本次改造選用西門子S120變頻器，功率模塊6SL3210-1SE21-OUA0/4KW。探尺放尺中使用力矩控制，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),需加制動(dòng)電阻6SL3201-0BE12-0AA0/和制動(dòng)單元6SL3203-0CD21-4AA0/以消耗能量。

機(jī)械探尺的工作原理

目前，1#高爐使用的機(jī)械探尺是鏈條式垂直軟探尺，又稱鏈條探尺?；窘Y(jié)構(gòu)為將鏈條固定于卷筒上，鏈條下端懸掛重錘，鏈條隨重錘下探到高爐內(nèi)部，電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)重錘上升或下降。具體工作過程分三個(gè)階段：放尺、料面跟蹤、提尺，工藝必須滿足以下方面：

1）放尺要順暢、勻速，速度不要求太快。

2）料面跟蹤時(shí)探錘緊貼料面，無倒錘現(xiàn)象，自動(dòng)跟隨料面下降，無浮錘和懸錘。

3）提尺過程迅速、穩(wěn)定，到待機(jī)位時(shí)自動(dòng)停尺。

3.1放尺過程

根據(jù)探尺受力分析，重錘重力Mg，鏈條重力ML，變頻器提張力Md，可知：Mg、ML方向垂直向下，Md方向垂直向上。放尺過程變頻器處于速度控制狀態(tài)，調(diào)節(jié)Md使重錘以恒速V下落_，受力關(guān)系滿足：Md≤Mg+ML。

3.2料面跟蹤過程

探尺在勻速下放的過程中，當(dāng)探錘觸及料面時(shí)，變頻器由速度控制切換為力矩控制。假定探錘受料面支撐力為Mz，氣流對(duì)探錘的浮力為MF，工藝要求探錘保持直立形態(tài)而不倒，電機(jī)要產(chǎn)生保持向上的張力Md拉住重錘，此時(shí)受力分析為：Md+Mz+MF=Mg+ML。探尺跟蹤料面時(shí)要求探錘隨料面下降而同步下降，并且不出現(xiàn)懸浮和傾倒的狀態(tài)。即要求選擇合適的力矩Md，若Md太小，重錘容易傾倒，如果Md太大，重錘就不能跟隨料面，發(fā)生重錘懸浮現(xiàn)象，探尺也不能反映料面的真實(shí)高度。

3.3提尺過程

當(dāng)探尺跟蹤料面降到一定高度時(shí)，探錘需要向上回收，此時(shí)變頻器切換為純速度控制控，重錘以設(shè)定速度上升到待機(jī)位，并保持在待機(jī)位，稱為提尺。提尺過程中，受力關(guān)系為：Md＞Mg+ML。

探尺的調(diào)試難點(diǎn)主要在以下兩個(gè)方面：一是探尺重錘的定位；二是重錘在不同區(qū)間段運(yùn)行時(shí)不同控制方式間的切換。探尺基本的位置有：檢修位置、待機(jī)位置、上極限、零位（0m料線）、6m料線、下極限?？梢愿鶕?jù)操作習(xí)慣選擇待機(jī)位或零位（0m料線）停機(jī)，優(yōu)選待機(jī)位停機(jī)。

探尺的變頻控制

提尺和放尺時(shí)，變頻器采用速度控制，跟蹤料面時(shí)采用轉(zhuǎn)矩控制，三個(gè)階段變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自由切換。內(nèi)部功能框圖如圖1所示。

圖1——變頻器內(nèi)部控制功能圖

提尺時(shí)，PLC發(fā)出提尺命令，控制繼電器吸合，信號(hào)通過參數(shù)r0722.1控制變頻器內(nèi)部開關(guān)K1處于“0”位，K2處于“0”位。此時(shí)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)為轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)系統(tǒng)，為主動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，通過參數(shù)P1001設(shè)定可控制探尺的提尺速度，電機(jī)50Hz運(yùn)行時(shí)1500rpm/min，設(shè)定600rpm/min。

放尺時(shí)，PLC發(fā)出放尺命令，控制柜內(nèi)繼電器吸合。放尺分為三個(gè)階段，第一階段是速度控制，信號(hào)通過參數(shù)r0722.2控制變頻器內(nèi)部開關(guān)K1處于“1”位，通過參數(shù)P1002設(shè)定可控制探尺的提尺速度，我們?cè)O(shè)定300 rpm/min。電機(jī)主動(dòng)反轉(zhuǎn)，有利于克服機(jī)械系統(tǒng)的靜摩擦，將重錘下放。第二階段，采用力矩控制：延時(shí)8s（參數(shù)r20160控制）電子開關(guān)k2切換到“1”位，電機(jī)由轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)切換為轉(zhuǎn)矩環(huán)控制，力矩略值小于重錘力矩，電磁力矩M_o+M_f=M_g+M_L，探尺被倒拉著繼續(xù)勻速下放。探尺繼續(xù)下放，直到重錘底部碰到料面被擋住。進(jìn)入第三個(gè)階段：重錘碰到料面，重錘會(huì)發(fā)生一定的傾斜現(xiàn)象，力矩變小同時(shí)滿足力矩達(dá)到下限（參數(shù)r20233控制）時(shí)，通過附加轉(zhuǎn)矩給定P1003由P1503端輸人，P1003為設(shè)定值約為3%～5%，產(chǎn)生向上的力將重錘扶起，重錘很快被扶正，直至M_s=M_g-M_z，重錘垂直立于料面上，力矩保持暫時(shí)的平衡。隨著料面下降，重錘失去料面的支撐，暫時(shí)的力矩平衡會(huì)被打破，重錘跟隨料面下降。

調(diào)試中，重點(diǎn)和難點(diǎn)依然是放尺和跟隨。放尺初始速度設(shè)定值P1002，放尺的附加轉(zhuǎn)矩給定值P1003不宜過大或過小。

調(diào)試過程中出現(xiàn)的跟蹤料面問題及解決辦法

探尺投入運(yùn)行后，跟蹤料面效果不是很好，變頻器設(shè)置的參數(shù)沒有改變的情況下，高爐爐況也無較大的波動(dòng)的情況下，有時(shí)跟蹤好無倒尺現(xiàn)象，有時(shí)重錘有倒尺現(xiàn)象，還有的會(huì)出現(xiàn)懸尺現(xiàn)象。

探尺電動(dòng)機(jī)制動(dòng)器調(diào)整不當(dāng)，有輕微的點(diǎn)剎現(xiàn)象，將制動(dòng)器重新安裝，情況有所改變。 但還是沒能達(dá)到理想狀態(tài)。隨后計(jì)算探尺的受力，探尺的卷筒力矩：M_j=F*L=9.8×105×0.636÷2≈330n·m，電動(dòng)機(jī)放尺力矩： M_d1=M_j/減速機(jī)速比=330n·m÷63≈5.24 n·m，跟蹤料面力矩為：M_d2=(M_g+ M_L-M_Z )/63≈1.97 n·m。

圖2——改造后探尺效果圖

借鑒2#高爐探尺實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為徹底解決探錘倒尺問題，改變探尺形狀和重量，一方面降低重心位置，增大探錘與料面接觸面，一方面弱化傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦力影響，探尺由圓柱體改為圓柱和圓錐結(jié)合體，重量增加60KG。改進(jìn)后探尺受力分析，探尺的卷筒力矩：M_j=F*L=9.8×165×0.636÷2≈514n·m，電動(dòng)機(jī)放尺力矩： M_d1=M_j/減速機(jī)速比=514n·m÷63≈8.16 n·m，跟蹤料面力矩為：M_d2=(M_g+M_L-M_Z )/63≈3.36 n·m，探錘質(zhì)量的增加有效克服了系統(tǒng)摩擦力影響。

探錘更換后，探尺工作狀況明顯改善，從爐內(nèi)成像觀察不再有倒錘現(xiàn)象，探尺運(yùn)行趨勢(shì)也達(dá)到理想效果，如圖2所示。

結(jié)束語

改造后，探尺本身的機(jī)械特性變化不大的情況下，隨著爐內(nèi)料位、壓力等其它因素的變化，交流探尺控制系統(tǒng)都能精確實(shí)時(shí)地探測(cè)到料面，并跟隨料面下降，不倒尺、不懸尺。現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)定其精確度達(dá)到厘米級(jí)，為確保高爐順利、穩(wěn)定生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

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