1、 一、高炉卷扬上料及布料过程简介 高炉上料的形式主要有两种：一是卷扬料车上料，二是皮带上料，由于料车上料占地面积小，在中小高炉中得到广泛的应用，如中型高炉卷扬系统采用双电机控制，小高炉采用单电机控制。卷扬上料系统的主要过程是：各种原料经过槽下配料后放入中间料斗，料车到料坑后，中间斗把料放入料车，中间斗闸门关到位并且炉顶准备好后，料车启动，经过加速匀速（高速）减速 1减速 2，到达炉顶。 二、控制系统方案 （一）上料及炉顶系统主要电气设备 1卷扬机构交流电机功率 160kW，三相交流 380 伏一台。 2冷却风机电机 3.7kW，三相交流 380 伏一台。 3料车制动器 1kW，两相交流 380
2、 伏两台。 4料车行程编码器，OMRON 一台 5智能主令控制器一台 6料车切换柜一面、交流变频传动柜 2 面，一用一备，制动电阻柜一面 7料车变频器选西门子 6SE70 200kW 两台，配套制动单元（二）基本工艺要求 1料车卷扬机：料车卷扬机按料车行程曲线运行； 2在 PLC 及操作台手 动方式下，满足高、中、低速调速要求； 3料车启动、停车及加、减速应平稳，速度控制受负载（空载或满载）影响较小； 4主卷扬有钢绳松弛保护和极限张力保护装置（过流保护）； 5料车有行程极限,超极限保护装置，低速检查保护； 6料车尚未到达行程终点的卷筒反转保护；在卡车的状态下,可允许停车或有控下行。（三）设计方
3、案 系统框图如图 1 所示： 图 1 系统框图1主卷扬变频调速装置 我们采用西门子公司的 6SE70 全数字交流变频调速供电装置。系统配置了配套制动单元和独立的制动电阻柜，采用能耗制动方式实现卷扬系统的制动。供电装置的工作方式选用一备一用方式，通过切换柜中的三刀双掷刀开关完成备用切换。每个变频器的控制信号通过切换柜的电气设备来完成基本联锁及控制，在主 PLC 与切换柜之间、操作台与切换柜之间利用继电器相互隔离，使料车的控制可以由 PLC 或操作台分别控制系统，提高整个系统的可靠性。抱闸由 6SE70 装置中的抱闸专用控制功能来实现料车运行中的抱闸控制及联锁控制。调速装置的交流进线是通过交流进线
4、电抗器解耦，并且进线电抗器设置在电源切换柜中，相当于两套变频器共用一台进线电抗器。在切换开关后面分别接两台出线电抗器，消除出线高次谐波，保护电机。 料车定位采用绝对值编码器来完成，信号是格雷码，以开关量的形式送给 PLC；主令控制器采用增量式编码器，脉冲信号送给主令控制器的内部小 PLC。料车定位编码器器通过 Profibus-DP 与 PLC 联网。2料车定位 高炉卷扬料车的传统定位方式是机械式的主令控制器，目前来看，使用起来有很多问题，定位精度差，现场环境恶劣，机械触点容易氧化，位置发生变化后，必须休风，跑几次空车，调整料车位置。我们现在采用的方案是智能主令控制器与编码器（PLC）结合对料
5、车进行定位，通过数字面板来调整料车位置，如料车位置发生变化，只需在数字面板上改变料车位置的数值即可完成对料车的定位。同时，主令控制器所检测到的数据与主 PLC 中的数据相比较，误差小于允许值时认为定位准确。3料车运行简介 料车在料坑底部（另一料车在顶部），备料装好后，地坑闸门关闭，炉顶受料斗料空，申请上料，由主 PLC 发出命令给变频器，6SE70 在接到开车命令后系统解封。通过 6SE70系统中的抱闸控制功能，建立在抱闸状态下的转矩限幅给出的启车力矩电流后，6SE70 系统发出打开抱闸命令，使抱闸打开，实现料车的平稳启动。当料车启动运行后，所需的运行力矩电流大于启车力矩电流后，原来建立的转矩
6、限幅将恢复到正常的限幅值。启车后，料车将以启车加速度 a1=0.25m/s2 进行加速至 V2.36m/s。待炉顶另一料车退出分歧轨后，当上行料车运行至接近炉顶时，由主令控制器发出减速 1 信号给切换柜，由切换柜发给6SE70 使料车按 a3=0.25m/s2 减速至 V=1.0m/s 的中速运行。当上行料车进入分歧轨前，主令控制器发出减速 2 的命令，使料车以 a3=0.2m/s2 减速，在此过程中主令控制器器还会发出低速检查命令，6SE70 系统此时会根据料车在此点的实际运行速度作出比较判断，料车运行至炉顶时，主令控制器发出停车命令，由 PLC 控制 6SE70 完成停车，抱闸闭合，此时料
7、车的停车位置应是工艺要求的角度，即能将车内的炉料倒净而又不撞极限弹簧。4料车运行保护 所有使用卷扬上料的厂家，最担心的就是料车失控，产生飞车事故，一旦出现此类事故，那么所造成的停产时间和损失都无法估算，为避免这样的事故发生，我们重要采取的措施是松绳检测和低速检查保护。有松绳现象出现时，松绳开关会立刻给 PLC 发出信号，PLC 收到松绳信号以后，立刻给供电装置发出停车命令，并同时给抱闸发出停车的命令。作为卷扬上料无论是直流装置还是交流装置，都是用速度闭环的方式，在工艺要求低速的地方增加主令控制信号，该信号触发变频器的速度比较功能，一旦出现飞车失控的现象，比较值大于设定值测速装置就会向供电装置发
8、出真实的速度信号，装置通过对速度信号鉴别，发现本给定所需要的反馈信号不符，那么装置就会自动关闭，并同时向控制它的 PLC发出故障信号，接到信号以后，PLC 马上发出停车抱闸的指令，并按程序设定进行断电等其它保护措施。 5、系统特点系统将 PLC 技术与变频器技术相结合，极大地提高系统性能，成为生产控制的坚实基础。在此基础上开发出以下几个有特色的功能。 （1）设备故障检测报警：这一功能由两部分构成：PLC 中的实时检测程序和计算机上的报警及记录程序。 （2）料车定位：采用主令控制器与编码器（PLC）结合对料车进行定位，定位准确，调整方便，在约 60m 长的轨道上定位精度可达 0.6cm。 （3）
9、 料车启动控制：料车启动前，必须提前判断炉顶状态，防止在轨道中间停车。目前为追求产量，都是大料批上料，料车如在轨道中间停车，再启动时较危险。（4） 安全独立操作方式：由主 PLC 和操作台分别独立控制主卷扬系统，并且与切换柜相互隔离，提高降低系统的故障率。 （5）开抱闸控制：开抱闸采用力矩电流的百分值由变频器 BICO 参数输出给抱闸接触器，来控制打开，通过现场调试测定合适的力矩值，在变频器建立起该力矩后，再打开抱闸，可有效的防止误动作及溜车故障。 （四）应用效果 卷扬控制系统是实现了高炉生产全过程自动控制的基础，通过采用先进的传感器技术以及稳定的 PLC 控制技术大大提高了这个高炉生产最重要
10、环节的准确性和稳定性。系统自投入运行以来一直稳定运行，对高炉稳产、高产，降低成本，减轻工人劳动强度起着重要作用，取得了较好的经济效益和社会效益。 一引言随着我国现代化进程的不断加快，在各个领域的发展过程中对钢铁需求的数量与质量与日俱增。我国的钢铁生产工艺正向数字化的高新技术方向发展。作为整个钢铁生产中的重要环节，高炉炼铁工艺中高新技术的应用尤为重要。其技术指标如何，对整个钢铁工艺流程有着直接和显著的影响。其中又以高炉上料主卷扬系统为整个高炉的核心设备，负责原料的输送。对卷扬系统采用高新技术进行合理控制与优化便成为现代钢铁工艺中的一个重要课题。本次卷扬系统的设计是以 MM440 标准型变频器作为
11、传动部分的核心控制部件，并与主控 PLC 自动化系统紧密结合使用，从而达到了系统的稳定性与操控灵活性的完善结合。二系统介绍接下来对此次工程的控制主体，卷扬上料主系统进行简要的介绍。此次承接项目高炉容积为750m3，属于中小型高炉，采用斜桥式料车上料系统。斜桥式料车上料机主要由斜桥、料车、卷扬电机三部分组成。料车在斜桥上的运动分为起动、加速、稳定运行、减速、倾翻和制动六个阶段。在整个过程中包括两次加速和两次减速，即第一次加速点、第二次加速点的高速给定值使料车加速；第一次减速点、第二次减速点的低速给定值使料车减速。料车提升一次所需时间与料车的运动速度和加速度有关，其变化曲线为图 2.1 所示。(1
12、) t1 时间内：料车起动，重料车开始上行，同时空料车自炉顶极限位置下行。此时，钢绳自卷筒退出的加速度不应超过料车的加速度，以免产生钢绳松弛现象。此段时间对应于斜桥的 A 区域，由于此处轨道较陡，在给定值相同的情况下加速度 1只为 0.20.4m/s2，以较低的加速度加速运行。(2) t2 时间内：重料车继续上行，通过 A 区域，进入了斜桥的 B 区域，此处轨道倾角比 A 区域小，则加速度 2会变大升至 0.40.8m/s2。料车以较高加速度加速到最大速度 。(3) t3 时间内：料车以最大速度 稳定运行。(4) t4 时间内：重料车进入卸料曲轨道之前的第一次减速时间，加速度 4=-0.40.
13、8m/s2。如图 2.5所示，在第一次减速点，取消之前的卷扬电机高速给定，转而给卷扬电机接入低速给定值，通过电机的回馈制动使料车减速至 p。(5) t5 为重料车在卸料曲轨段等速走行时间，速度 p=1m/s左右。(6) t6 为重料车第二次减速到停车的时间，一般加速度 6=-0.40.8m/s2。如图 2.5 所示，在第二次减速点，要将此时的速度与预先的给定值进行比较。如果速度降低到预期之内则可进行第二次减速；如果此时速度过大，超过了预期值则要通过调速器进行报警。料车式上料机的工作特点为：工作过程中，两个料车交替上料，当装满炉料的料车上升时，空料车下行，空车重量相当于一个平衡锤，平衡了重料车的
14、车箱自重。这样，当上行或下行二个料车用一个卷扬机拖动时，不但节省了拖动电机功率，而且，电机运转时，总有一个重料车上行，没有空行程。从而，使得电动机总是处于电动状态运行，免去了电动机处于发电运行状态所带来的种种问题。三控制系统构成根据厂家要求，主卷扬上料系统必须独立于主系统而自成一套独立系统，并通过以太网与主PLC 系统通讯，从而实现网络控制与数据时时传输。电气传动装置选择的是西门子标准型变频器6SE64402UD420GA1 两台，为一备一用状态，可以通过转换开关来时时切换两台装置，保证了运行的可靠性。变频器电压等级为 380V，功率为 200KW。由于考虑到卷扬系统为大惯量位能性负载特性，配
15、置了制动单元与制动电阻，以保证料车停车过程中能量的回馈不会造成直流母线电压升高从而造成故障。制动单元为 6SE70327EB872DA0，制动电阻为 6SE70327ES872DC0，配合使用峰值制动功率可达到255KW,可以满足传动系统的制动要求。由于采用矢量控制方式需要速度反馈值，变频器选装了脉冲编码器模块 6SE64000EN000AA0，将电机侧编码器反馈回的信号经由此模块转换传送给变频器。传动逻辑控制的 PLC 为西门子 200 系列 PLC，主机为 CPU226，配扩展 I/O 模块，及 EM243-1 以太网通讯模块与上级 PLC 系统通讯。四运行原理及功能我们采用了西门子 MM
16、440 标准型变频调速装置，运用矢量控制方式，实现了精确的速度控制。系统配置了制动单元与制动电阻，采用能耗制动方式实现了卷扬系统的制动。主传动部分为两台变频调速柜实现一备一用，通过主控制柜实现装置之间的切换。每个变频器的控制信号通过切换柜的电气设备来完成基本联锁及控制，在主 PLC 与切换柜之间、操作台与切换柜之间利用继电器相互隔离，使料车的控制可以由 PLC 或操作台分别控制系统，提高整个系统的可靠性。抱闸由 MM440 装置中的抱闸专用控制功能来实现料车运行中的抱闸控制及联锁控制。料车定位系统由主令控制器来实现，主令控制器分别记录料车在上行和下行过程中的特定位置如：加速点，减速点，检测点等
17、。并将这些位置信号以开关量的形式传送至主控柜内的传动 PLC，再由其统一负责逻辑计算后控制变频器的动作。为了保证控制系统的安全性与稳定性，避免料车失控发生飞车事故进而导致高炉停产，休风等严重事故的发生，本系统将一系列可能发生的故障和可能导致危险发生的情况的开关量进行串连汇总与一个零压保护回路中。在不出现任何状况下，零压回路为闭合状态，此时主回路接通，系统才可以正常工作；如果出现在零压回路中的任何一种危险则零压回路断开，此时串连至主回路中的触点断开，变频器进线侧的主回路断电，这个系统停止工作，抱闸电机将卷扬电机的传动轴抱死，整个传动装置马上停止，从而避免了可能危险的发生。下面来介绍一下料车运行的
18、整个控制与传动顺序：将要上料的一个料车在料坑底部，已经装好备料（矿石或焦炭），另一料车在斜桥顶部。炉顶布料器料空，申请上料，由主 PLC 发出命令给控制柜内的传动 PLC，在综合各种情况并判断零压回路闭合后，传送运行命令至变频器，MM440 在接到开车命令后系统解封。通过 MM440 系统中的抱闸控制功能，建立在抱闸状态下的转矩限幅给出的启车力矩电流后，MM440 系统发出打开抱闸命令，使抱闸打开，实现料车的平稳启动。当料车启动运行后，由于起始阶段斜桥坡度较大、所带负载惯量较大，电机先以高速运行。在运行至第一减速点时，由主令控制器返回位置信号至 PLC 处理后输出低速信号至 MM440 变频器
19、开关量输入端子，选择低速给定。此时电动机开始减速运行继续提升负载。料车继续上行，当通过检测点时，变频器在内部将实际速度值与给定在此位置的设定减速值进行比较，如果实际速度小于等于设定值则变频器输出一个低速到达信号至 PLC，在综合各种情况后如果判断系统工作在一个正常条件下则料车继续上行，如果速度超常或者其它非正常情况发生则系统停机，抱闸电机抱死主运行轴。料车在正常条件下继续向上运行通过停车点，此时主令开关将停车位置传送至 PLC，处理后发送停车指令至变频器，变频器开始停车，抱闸闭合，此时料车的停车位置应是工艺要求的角度，即能将车内的炉料倒净而又不撞上超极限弹簧。五变频器的主要调试参数在本章主要介
20、绍一下在调试过程中需要重点注意的一些参数。1. 快速调试及系统优化。在快速调试中，输入电机的各个铭牌参数，首先以 P1910=0，P3900=1 结束快速调试。其结果是重新计算并改写了电机参数 P0300-P396 的内容。这些计算结果完全是根据你输入的铭牌参数通过电机数学模型得到的，这些数值是将会参与运行时刻的实际控制的。但是，有些数值不是正确的实际值，仅仅是按数学模型计算出来的。因此，需要通过 P1910=1 进行自动测定得到实际值。输入 P1910=1,启动变频器。变频器自动对每一相检测（电机不会转动）并且将测试的每相结果保存到 r19120，1，2-r1915，也就是定子电阻（U、V、
21、W 相）、时间常数、电感等等。同时也修改了上面按模型计算的结果。这样使控制更能接近真实。通过以上调试建立了比较接近实际的电机模型。当控制采用非 V/f 控制的时候，就有了一个比较好的模型。在经过快速调试得到电机真是模型后即 可按照所需功能设定相应参数。2.用 MM440 的 16 种速度给定值可以实现高低速度的切换。 P1000=3 选择固定频率给定作为频率主设定值，P1001=70%，作为起始阶段的高速速度给定；P1003=15%作为经过减速点后的低速速度给定。P1020=1，P1021=722.1，P702=99，用数字量输入 2 作为低速选择的开关，当数字量输入 2 置为 1 时选择 P
22、1003 的速度给定值。3.抱闸的控制也是这此工程中的一个重点内容。抱闸系统为主控制主电动机制动的装置，在启动系统时需要首先打开抱闸而后主卷扬运行提升料车，在系统停止时，需要变频器与抱闸相互配合以达到变频器停止时抱闸将主轴抱死达到制动的目的。在控制过程中，由于带动的是大惯量位能性负载如果变频器刚一启动就打开抱闸，由于在低频时变频器所出力矩还未达到要求值所以有可能发生溜车现象。为了放置这种现象的发生，设计了抱闸控制参数以使变频器达到一定的力矩输出后再打开抱闸，从而避免危险的发生。P1215=1，使能抱闸控制功能； P12163s，在变频器运行 3s 后再输出抱闸允许的开关量，再打开抱闸；P1217=0s，表示变频器停机后马上闭合抱闸将主轴抱死。六. 应用体会通过此次高炉卷扬系统项目，我在独立设计和分析问题的全面性等方面受益甚夥。卷扬控制系统是实现了高炉生产全过程自动控制的基础，通过采用先进的传感器技术以及稳定的 PLC 控制技术大大提高了这个高炉生产最重要环节的准确性和稳定性。系统自投入运行以来一直稳定运行，对高炉稳产、高产，降低成本，减轻工人劳动强度起着重要作用，取得了较好的经济效益和社会效益。七. 现场应用照片应用变频器外型图参考文献：矿冶
