交流变频器在120吨转炉炼钢氧枪控制中的应用

摘要：近年来，随着变频技术和控制技术的不断发展，变频技术以精度高、通用性强、工艺先进、操作方便以及公认的显著节能效果，被认为是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。随着电力电子和微型计算机价格的下降，变频控制应用更加普及，因此发展十分迅速，在工业领域尤其在冶金行业的应用日益广泛。氧枪升降的变频调速控制系统，是转炉炼钢控制系统中变频技术应用的技术含量最高的控制系统。氧枪升降是典型的位能负载，靠钢丝绳牵引，按照炼钢工艺专业的要求，氧枪在升降过程中要实现慢速到快速以及快速到慢速的转换，且其停经的工艺检测点较多，在各工艺点要求准确停车。尤其是在吹炼点，氧枪的枪位直接影响到炼钢的质量。因此，应用变频器控制氧枪升降是氧枪调速控制系统的理想之选。下面以本溪北营钢铁（集团）股份有限公司（下称北营公司）120吨转炉为例，设计以西门子6SE70系列变频器在氧枪升降设计中的应用以及在实际应用中出现的一些问题并提出改进措施。

关键词：交流变频器、控制、应用、改进

中图分类号： TN77 文献标识码： A

1.1工作原理

北营公司120吨转炉设备氧枪控制设计2套变频控制氧枪，在固定导轨升降，每台变频器都可以通过切换驱动两根氧枪,实现两套氧枪的灵活备用。每套氧枪升降系统由一台110kW交流电动机传动，在生产过程中当工作氧枪发生故障时，可快速通过横移换枪等操作，使用备用氧枪继续生产。氧枪系统有一套事故提升装置，不接入电网，由事故电池作为电源驱动事故电机升降，当氧枪系统停电时，可切换到事故电机将氧枪提起，氧枪停车时有抱闸系统实现。由于1台变频器通过切换可以分别驱动1#、2#氧枪,变频器需定义2套电机参数组MDS,通过P578、P579来选择。当变频器和氧枪对应时,B16(DigIn 4)=0选择第一套MDS,采用速度闭环控制;当变频器和氧枪交叉对应时,B16=1选择第二套MDS。通过P590来选择2套BICO参数组。[1]

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1.2通信及连锁

氧枪控制驱动系统选用2台6SE70矢量型变频器来分别驱动每套氧枪升降装置电动机。采用2种方法联系控制。一种是硬线控制，就是变频器本身的端子就有控制启停和几个内部IO的点，可以通过硬线控制并读取状态。

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另一种办法是通过DP网，通常需要在购买变频器的时候购买DP通讯模板，有的变频器自带了这个DP通讯功能，然后就可以在SIMENSE S7 PLC组态的时候直接组态变频器，类似一个普通远程站[2]。现场同轴电缆布线链接，实现信号及数据通讯。

PLC程序发出指令读写变频控制字，变频器通过自身软件识别输出动作，驱动氧枪电动机动作。SIEMENS变频器通过PROFIBUS有6对WORD的PZD过程数据与PLC进行交换,在PLC最好建专门的数据块与之通讯。如新建DB**用于和2台变频器进行数据通讯,结构“Lance_1_Status”读取变频器状态、“Lance_1_Control” 是发送给变频器的命令。分别调用系统功能块SFC14、SFC15执行通讯功能[3]。同时变频器可以反馈给PLC检测及功能信号及数据，供PLC作为控制依据。变频器与计算机控制系统之间的信号与数据传输采用DP网络进行通讯，而不是采用以往常用的控制电缆硬线连接的方式，这样，节省了许多控制电缆，而且在实际工作中也证明了这种通讯方式大大方便了变频器与计算机控制系统之间的信号采集与数据传输。氧枪升降系统是转炉控制系统中最重要的部分，安全性要求极高，易出现生产及人身伤害事故，联锁条件较多。部分工作程序和联锁控制通过计算机控制系统（PLC）实现，部分特别重要的连锁条件不经PLC程序，而是直接作用于变频器控制，防止PLC通讯出现异常时产生误操作、误动作，极大地增加控制的安全性、可靠性。

1.3升降控制

氧枪升降可在2个地点操作，即主控室（9.6米）和现场就地操作台（42米），主控室在转炉正前方，PLC和HMI有关操作通过HMI进行,所有信息也都在HMI显示。用主令控制器操作氧枪吹炼过程；现场就地操作台是按钮操作，主要是为氧枪换枪及维修时用，所以只有2个速度。操作台作为PLC的远程站，在SIMENSE S7 PLC软件硬件组态通过同轴电缆通信。在氧枪卷筒处安装绝对值编码器,测量实际枪位。通过Profibus DP现场总线连接PLC、变频器、位置编码器,实现数据的灵活传输。

氧枪升降由主控室主令控制器控制，过程中有五个速度，分别为零速、低速、中速、高速、高高速，由PLC给定变频器控制字对应。在PLC中在不同高度给定不同的速度，给变频控制信号实现工艺点的速度变化。主控室监控画面可以采集变频器的故障信号和工作状态以及变频速度，也可以对变频复位合闸，便于故障处理及操作。氧枪实际枪位的检测由脉冲编码器和计算机系统高速计数模块实现，同时有对应的接近开关与之比较使用，这样软硬件配合使用，既增加控制精度有提高安全系数。在现场设氧枪上、下极限接近开关检测氧枪换枪位，确保氧枪在一定范围内升降。氧枪的电机轴安装速度编码器，脉冲信号反馈到变频器与PLC高速技术模块中，用以显示氧枪实际运行速度，参与氧枪调速控制，实现PID闭环控制。一个完整的升降动作控制过程：操作人员在监控画面合闸，信号到PLC后经程序判断满足条件时给变频器合闸信号，同时变频器合闸接触器吸合，操作主令控制器信号到PLC经程序判断满足动作条件时给变频器解封信号，变

频器处于预励磁状态，氧枪抱闸打开，PLC给变频器控制字一定的速度，变频器驱动电机转动。当主令控制器回零后，PLC给变频器零速控制字，变频无输出，氧枪抱闸抱死，氧枪停止工作。同时为了保证氧枪紧急情况停车，在主控室及现场操作台设置紧急停车按钮，此信号不经过PLC控制，直接给变频停机信号，保证紧急停车的需要，紧急停车信号按钮带显示灯及自锁功能，拍下急停按钮后按钮指示灯闪烁并自锁，变频器分闸停车，同时报故障码，通过故障码可查询到故障原因，待故障处理后变频器才可以复位合闸，氧枪继续动作，增加氧枪运行可靠性。增加氧枪切换控制柜,以实现每台变频器都可以通过切换驱动两根氧枪,两台变频器增加PROFIBUS网卡实现数据通讯。当变频器1、2分别驱动1#、2#氧枪时变频器采用有编码器的速度闭环控制方式,当交叉驱动、即变频器1驱动2#氧枪或变频器2驱动1#氧枪时,变频器采用无编码器的频率控制。这样如果1台变频器故障可由另一台驱动,现场的电机速度编码器故障、可选择交叉驱动采用无编码器的控制方式,灵活备用、可将故障对生产的影响减少到最低。

1.4在实际运行中存在问题及改进方法

1、变频控制在大电流情况下，测速及高度编码器等弱电信号信号易受到干扰，导致控制出错，所以在防止电磁干扰方面要加强，在实际应用中为了抑制电源侧过电压以及变频器对其它设备的高频干扰，减少电流畸变，在变频器输入侧配有共模扼流圈、进线电抗器，在变频器输出侧配有输出电抗器。信号电缆与动力电缆要分电缆桥架铺设，增加电缆与动力电缆之间距离，编码器用符合条件的有防干扰层的电缆，接地电阻在施工时应该按规定规范施工并测量合格。

2、接近开关等弱点信号易受到干扰，因为这些开关信号直接参与程序控制，可导致装置无故分闸或是操作人员产生误操作，所以应重点解决。方法是可将低电压接近开关改为220伏，然后转换为24伏进PLC模板。

3、由于东北地区冬季寒冷，夏季炼钢高温环境导致现场的PLC模板及编码器工作不正常。所以应该加强设备冬季保暖，夏季降温。

参考文献:

[1] 《北台钢铁（集团）有限公司炼钢连铸异地改建工程初步设计》 北京钢铁 吧设计研究院 2003.8

[2] 《使用STEP7 编程》[Z].手册.SIEMENS.2007,8.

[3] 《SIMOVERT MASTERDRIVERS.矢量控制使用大全》[Z].SIEMENS.2000,6.