PLC和变频器控制的氧枪升降系统

为改善生产环境，淘汰落后工艺，1999年宝山钢铁股份有限公司计划在不锈钢分公司建立新的拥有230万t碳钢和72万t不锈钢生产能力的炼钢厂，其中碳钢线采用了日本著名的钢铁制作公司KHI设备。其中两座150t BOF碳钢顶底吹转炉采用了当今碳钢牛产最先进的脱磷脱碳双联法冶炼工艺，是碳钢生产线的关键没备之一。

1 系统组成和功能要求

　　系统主要由富土电机公司的ACS—PC2000系列PLC、FRIENIC 4000CM5整流器、FRENIC 4000VM5逆变器及其辅助设备组成，控制系统结构框图如图2所示。

　　由图2可以看出，该系统主要由两个部分组成，其中氧枪系统和副枪系统配置了一套独立的ACS 2000 PLC用于逻辑联锁，并在电动机的低速轴上配以专用的同步发送器(编码器)和同步凸轮控制器来进行位置控制.并通过FL-net方式与其他系统主PLC(ACS 200))通信，氧副枪3台逆变器和本体PLC通过T-Link网一起构成高性能传动控制系统。氧枪升降的调速部分和转炉倾动、副枪系统共同选用Fuji电机公司的FRENIC系列高性能的矢量控制变频器，由4套547 kW的整流装置、7套225 kV·A逆变器通过公共直流母线构成，配以速度传感器来测量升降电动机的转速。从而构成电动机的闭环矢量控制系统，实现电动机的交流变频调速运行。为了确保生产，整流单元容量按每座转炉4台150 kW倾动电动机、2台110 kW氧枪传动电动机和l台110kW副枪传动电动机驱动设计，每2套整流装置互为备用。

　　PLC首先接收来自要求氧枪操作的各种信号，然后根据这些输入信号的状态，通过内部一系列复杂的控制程序，对各种信号的逻辑关系有序地进行处理，最后向逆变器和各类控制设备适时地发出开关量控制信号，对氧枪进行升降的位置控制。

　　在PLC向逆变器发出开关量控制信号的同时，为了满足工艺的要求，逆变器又需要通过与电动机同轴的速度传感器和PG卡，对电动机完成速度榆测及反馈，形成闭环系统。速度传感器输出A、B两相脉冲，Pc}接收到脉冲信号以后，再将此反馈给逆变器内部，以便进行运算调节。根据A、B脉冲的相序，可判断出电动机的转动方向，并可以根据A、B脉冲的频率测出电动机的转速。

　　为保持稳定或紧急情况下进行抱闸，提升齿轮箱装有机械制动抱闸，此抱闸由电-液压传动机构或紧急情况下由气动传动机构打开，在紧急情况下，紧急气动电动机投入代替电气变频电动机。

　　2 系统功能的实现

　　2.1 操作方式

　　根据系统的控制特点，氧枪控制方式可分为现场控制和中央控制两种，而中央控制又可分为中央自动、中央手动、紧急提升三种。

　　(1)操作地点为便于现场调试、检查以及根据生产实际情况，设立中央/现场选择，使操作人员能在现场控制氧枪升降小车的运行。现场控制方式的操作在氧枪升降传动装置旁(50 m平台)的现场操作箱1上和氧枪人孔位置(25 Ill平台)的现场操作箱2上。现场模式可以在两个现场操作箱中的任一个上进行选择，把选择开关由“中央”切换到位置“现场”。进行选择后，现场操作箱1或2上的信号灯“LOCAL”显示，同时在中央主操作室CRT的氧枪操作画面上显示氧枪在现场的操作模式。从现场模式返回到中央模式时，把现场操作箱1和2上的选择开关从“现场”再切换到“中央”，即两个现场操作箱上的选择开关都位于“中央”位置，同时在中央主操作室CRT的氧枪操作画面上将操作模式设定为中央模式，这样进行选择后，现场操作箱1和2上的“REMOTE”信号灯全部显示，同时在中央主操作室CRT的氧枪操作画面上显示氧枪在中央的操作模式。

　　(2)操作方式控制系统满足烟罩在工作位、转炉在垂直位、控制电源正常、编码器正常、钢丝绳压力正常、不在紧停状态、不在紧提状态的条件后，操作人员操纵各相应的按钮，即可正常运行。

　　1)自动方式。只能在中央操作室操作站(CRT画面)上操作，即在转炉吹炼过程中，当吹炼条件满足时，PLC就接受来自上位机的指令，通过T-Lnk通信，逆变器就获得设定的正向给定，氧枪高速向下运行，与减速机同轴的同步发送器进行高速计数，将同步检测到的机械位置转变为电信号，并将它连接至同步凸轮控制器，转换为数字信号和内部设定值进行比较，将比较结果发送给PLC，到减速值时减速、停车值时停车，完成向下的全程运行。当吹氧完了后，电动机作反向运行，原计数器做减计数，减至停车值时，电动机停车并完成一个循环动作。

　　2)手动高速方式。根据现场的实际情况，通过CRT上的操作按钮或现场操作箱的手动操作开关，来对氧枪进行上升或下降的操作，这样逆变器就获得设定的正向/反向给定，氧枪高速向上/向下运行，与减速机同轴的同步发送器进行高速计数，将同步检测到的机械位置转变为电信号，并将它连接至同步凸轮控制器，转换为数字信号和内部设定值进行比较，到减速值时减速、停车值时停车，完成全程运行。

　　3)手动低速方式。为便于观察氧枪运行的实际情况，在选用手动低速操作方式时，不管上升还是下降，氧枪升降速度不受升降位置的限制，整个的升降过程全部都是低速。只有操作方式选用手动高速时，氧枪在整个的行程中，才能根据升降的位置图不断调整升降的速度。调速系统采用矢量控制方式，具有负荷动态平衡、定位精度高、经济节能、起停无冲击平衡控制、安全联锁等特点，氧枪的速度控制精度优于1%，同时将响应时间控制在10ms以内。氧枪调速系统能够根据程序预设置(APC方式)自动完成平滑的加、减速过程，并形成目标位置的快速跟踪，为转炉安全高效生产创造了条件。氧枪升降装置由交流变频电动机驱动，可以以低速、高速进行下降和上升，氧枪升降的速度通过PLC给定，PLC分别给定两个传动氧枪上升或下降命令的指令和两个高低速速度指令通过T-Link通信，发送至逆变器的交流传动控制板，氧枪根据高低速速度指令开始上下高低速移动，在自动或手动模式下，氧枪速度取决于氧枪所处的位置，高低速位置切换如图3所示。

 为提高整个系统的可靠性，便于维修人员及时发现和判别故障，我们充分利用PLC的功能，由PLC对氧枪升降小车的绝对位置进行状态数码显示，以便对氧枪的整个行程进行监控。

　　2.3 张力检测

　　氧枪在上下升降的过程中，必须要保证钢丝绳的压力一直处于正常状态，因此我们专门设计了一套钢丝绳的张力检测系统，它由两个压力传感器和张力显示仪来进行监控。在氧枪的运行过程中，压力传感器始终输出标准的毫伏信号，并分别送至相应的张力显示仪，张力显示仪将这个信号在内部转换成实际重量信号，与内部设定值进行比较，输出一个钢丝绳压力正常或异常的信号给PLC参与联锁控制;同时为便于日常点检和维护，钢丝绳的实际重量在张力显示仪上进行实时显示。信号监控为：该值超过6.7 t即为过负荷，低于1.4 t即为钢丝绳松弛。当两个压力传感器，任何一个高于或低于极限即为故障条件。当钢丝绳压力发生报警时，则氧枪将不能再进行下降操作，操作者必须到现场将氧枪以低速提升至“待机位置”，并在CRT操作画面及现场操作箱上同步显示钢丝绳张力报警信号。

　　2.4 紧急控制

　　(1)自动紧急提升。当生产中发生紧急情况，如氧枪冷却水流量异常、OG风机跳闸、系统被中断或氧气流量低等报警时，氧枪将被自动提升至待机位Hl点。电气紧急提升装置以最大加速度上升至最大速度。

　　(2)气动紧急提升。气动紧急系统包括一个进气管道输气给紧急电动机。此管道由电磁阀开断，主进气管道上装有一压力监控器，在储存缓冲箱上进行压力监视。当转炉在吹炼情况下，设备突然发生异常紧急情况时，操作工按下中央操作台或现场操作箱上的“紧急提升”按钮，气动系统由电磁阀打开，气动电动机立即运转，同时直流制动装置(DC220v制动电源由UPS供电)将同时打开，氧枪立即以最高速度提升至待机位H1点，并在中央操作台上显示紧急提升的报警信号。

　　2.5 与其他系统的信息交换

　　(1)与倾动系统之问的联锁。当氧枪位置高于待机位H1点时，转炉可以倾动;同理，当转炉不在垂直位置时，氧枪不可以下降，但可以在待机位

　　H1点以上提升。

　　(2)与OG系统之间的联锁。转炉烟罩不在工作位时，氧枪不允许下降;当氧气流量低时，氧枪将紧急提升;当OG系统发出紧急停止信号时，氧枪也将紧急提升。

　　(3)与上底吹系统的联锁。当上底吹系统发出吹炼开始/结束的信号后，氧枪开始按系统设定的位置进行上下升降;当上底吹系统发出吹炼调整信号时，氧枪根据吹炼情况自动调整吹炼位置;当吹炼过程中，氧气的消耗量达到设定值时，氧枪自动提升至待机位;当氧气流量低或吹炼系统发生紧急情况时，氧枪将紧急提升。同时氧枪在吹炼时，当本体PLC控制的氧枪冷却水发出流量低报警信号时，氧枪也会紧急提升;当氧枪更换台车不在工作位时，氧枪也不允许升降等。

　　3 定位控制的实现方法

　　氧枪升降小车是由交流电动机拖动卷扬装置，带动升降小车在固有轨道中作往复直线运动，现场由于高温、多尘等原因环境恶劣，用限位开关等来实现定位，其安装困难，易损坏，可靠性差，一旦失控将撞坏生产机械，影响正常作业。因此我们采用在氧枪传动机构低速轴上安装TA4470Nl同步发送器，由同步发送器输出位置信号发送至安装在PLC柜中的TA4440N110同步凸轮控制器组合使用来进行定位，效果良好。

　　定位系统示意图如图4所示。

　　如上图所示，氧枪升降小车的位置检测主要由TA4470N1同步发送器、TA4440N110同步凸轮控制器和PLC来完成，同时配备必要的上下极限限位、校准位接近开关和反映氧枪升降小车初始位的限位开关来共同组成一套完整的氧枪定位系统。

　　当氧枪在进行升降运行时，电动机低速轴上的同步发送器不断进行高速计数，将同步检测到的机械位置转变为电信号，并将它连接至同步凸轮控制器，转换为数字信号和内部设定值进行比较。计数值与预定值的比较是由TA4440N110同步凸轮控制器内部完成，控制器具有失电数据保持，这样氧枪升降小车在任意状态控制器都能一一跟踪，同时为确保定位准确性，在待机位到吹炼开始位之间安装一个校准位接近开关，当氧枪升降小车的每一次循环都经过该信号对控制器强行复位，从而消除计数积累误差。