一．引言

      隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展過程中對(duì)鋼鐵需求的數(shù)量與質(zhì)量與日俱增。我國(guó)的鋼鐵生產(chǎn)工藝正向數(shù)字化的高新技術(shù)方向發(fā)展。作為整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，高爐煉鐵工藝中高新技術(shù)的應(yīng)用尤為重要。其技術(shù)指標(biāo)如何，對(duì)整個(gè)鋼鐵工藝流程有著直接和顯著的影響。其中又以高爐上料主卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)為整個(gè)高爐的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)原料的輸送。對(duì)卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)采用高新技術(shù)進(jìn)行合理控制與優(yōu)化便成為現(xiàn)代鋼鐵工藝中的一個(gè)重要課題。本次卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以FRB6000高性能矢量變頻器作為傳動(dòng)部分的核心控制部件，并與主控PLC自動(dòng)化系統(tǒng)緊密結(jié)合使用，從而達(dá)到了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與操控靈活性的完善結(jié)合。

二．系統(tǒng)介紹

      以遷安松汀鋼鐵廠卷?yè)P(yáng)上料主系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。此次承接項(xiàng)目高爐容積為750m3，屬于中小型高爐，采用斜橋式料車上料系統(tǒng)。斜橋式料車上料機(jī)主要由斜橋、料車、卷?yè)P(yáng)電機(jī)三部分組成。

      料車在斜橋上的運(yùn)動(dòng)分為起動(dòng)、加速、穩(wěn)定運(yùn)行、減速、傾翻和制動(dòng)六個(gè)階段。在整個(gè)過程中包括兩次加速和兩次減速，即第一次加速點(diǎn)、第二次加速點(diǎn)的高速給定值使料車加速；第一次減速點(diǎn)、第二次減速點(diǎn)的低速給定值使料車減速。

       料車提升一次所需時(shí)間與料車的運(yùn)動(dòng)速度和加速度有關(guān)，其變化曲線為圖所示。

      (1) t1時(shí)間內(nèi)：料車起動(dòng)，重料車開始上行，同時(shí)空料車自爐頂極限位置下行。此時(shí)，鋼繩自卷筒退出的加速度不應(yīng)超過料車的加速度，以免產(chǎn)生鋼繩松弛現(xiàn)象。此段時(shí)間對(duì)應(yīng)于斜橋的A區(qū)域，由于此處軌道較陡，在給定值相同的情況下加速度α1只為0.2～0.4m/s2，以較低的加速度加速運(yùn)行。

     (2) t2時(shí)間內(nèi)：重料車?yán)^續(xù)上行，通過A區(qū)域，進(jìn)入了斜橋的B區(qū)域，此處軌道傾角比A區(qū)域小，則加速度α2會(huì)變大升至0.4～0.8m/s2。料車以較高加速度加速到最大速度υ。

     (3) t3時(shí)間內(nèi)：料車以最大速度υ穩(wěn)定運(yùn)行。

     (4) t4時(shí)間內(nèi)：重料車進(jìn)入卸料曲軌道之前的第一次減速時(shí)間，加速度α4=-0.4～0.8m/s2。如圖2.5所示，在第一次減速點(diǎn)，取消之前的卷?yè)P(yáng)電機(jī)高速給定，轉(zhuǎn)而給卷?yè)P(yáng)電機(jī)接入低速給定值，通過電機(jī)的回饋制動(dòng)使料車減速至υp。

    (5) t5為重料車在卸料曲軌段等速走行時(shí)間，速度υp=1m/s左右。

    (6) t6為重料車第二次減速到停車的時(shí)間，一般加速度α6=-0.4～0.8m/s2。如圖2.5所示，在第二次減速點(diǎn)，要將此時(shí)的速度與預(yù)先的給定值進(jìn)行比較。如果速度降低到預(yù)期之內(nèi)則可進(jìn)行第二次減速；如果此時(shí)速度過大，超過了預(yù)期值則要通過調(diào)速器進(jìn)行報(bào)警。

 料車式上料機(jī)的工作特點(diǎn)為：

      工作過程中，兩個(gè)料車交替上料，當(dāng)裝滿爐料的料車上升時(shí)，空料車下行，空車重量相當(dāng)于一個(gè)平衡錘，平衡了重料車的車箱自重。這樣，當(dāng)上行或下行二個(gè)料車用一個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)拖動(dòng)時(shí)，不但節(jié)省了拖動(dòng)電機(jī)功率，而且，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，總有一個(gè)重料車上行，沒有空行程。從而，使得電動(dòng)機(jī)總是處于電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行，免去了電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)所帶來(lái)的種種問題。

三．控制系統(tǒng)構(gòu)成

      根據(jù)廠家要求，主卷?yè)P(yáng)上料系統(tǒng)必須獨(dú)立于主系統(tǒng)而自成一套獨(dú)立系統(tǒng)，并通過PLC系統(tǒng)通訊，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制與數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)傳輸。電氣傳動(dòng)裝置選擇的是西門子標(biāo)準(zhǔn)型變頻器FRB6000G-110兩臺(tái)，為一備一用狀態(tài)，可以通過轉(zhuǎn)換開關(guān)來(lái)時(shí)時(shí)切換兩臺(tái)裝置，保證了運(yùn)行的可靠性。變頻器電壓等級(jí)為380V，功率為110KW。由于考慮到卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)為大慣量位能性負(fù)載特性，配置了制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻，以保證料車停車過程中能量的回饋不會(huì)造成直流母線電壓升高從而造成故障。制動(dòng)單元為FRK-DR-3SA，配合使用峰值制動(dòng)功率可達(dá)到135KW,可以滿足傳動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)要求。

四．運(yùn)行原理及功能

      我們采用了FRB6000高性能變頻調(diào)速裝置，運(yùn)用矢量控制方式，實(shí)現(xiàn)了精確的速度控制。系統(tǒng)配置了制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻，采用能耗制動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)了卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)的制動(dòng)。主傳動(dòng)部分為兩臺(tái)變頻調(diào)速柜實(shí)現(xiàn)一備一用，通過主控制柜實(shí)現(xiàn)裝置之間的切換。每個(gè)變頻器的控制信號(hào)通過切換柜的電氣設(shè)備來(lái)完成基本聯(lián)鎖及控制，在主PLC與切換柜之間、操作臺(tái)與切換柜之間利用繼電器相互隔離，使料車的控制可以由PLC或操作臺(tái)分別控制系統(tǒng)，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。抱閘由FRB6000裝置中的抱閘專用控制功能來(lái)實(shí)現(xiàn)料車運(yùn)行中的抱閘控制及聯(lián)鎖控制。料車定位系統(tǒng)由主令控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，主令控制器分別記錄料車在上行和下行過程中的特定位置如：加速點(diǎn)，減速點(diǎn)，檢測(cè)點(diǎn)等。并將這些位置信號(hào)以開關(guān)量的形式傳送至主控柜內(nèi)的傳動(dòng)PLC，再由其統(tǒng)一負(fù)責(zé)邏輯計(jì)算后控制變頻器的動(dòng)作。

      為了保證控制系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，避免料車失控發(fā)生飛車事故進(jìn)而導(dǎo)致高爐停產(chǎn)，休風(fēng)等嚴(yán)重事故的發(fā)生，本系統(tǒng)將一系列可能發(fā)生的故障和可能導(dǎo)致危險(xiǎn)發(fā)生的情況的開關(guān)量進(jìn)行串連匯總與一個(gè)零壓保護(hù)回路中。在不出現(xiàn)任何狀況下，零壓回路為閉合狀態(tài)，此時(shí)主回路接通，系統(tǒng)才可以正常工作；如果出現(xiàn)在零壓回路中的任何一種危險(xiǎn)則零壓回路斷開，此時(shí)串連至主回路中的觸點(diǎn)斷開，變頻器進(jìn)線側(cè)的主回路斷電，這個(gè)系統(tǒng)停止工作，抱閘電機(jī)將卷?yè)P(yáng)電機(jī)的傳動(dòng)軸抱死，整個(gè)傳動(dòng)裝置馬上停止，從而避免了可能危險(xiǎn)的發(fā)生。

      下面來(lái)介紹一下料車運(yùn)行的整個(gè)控制與傳動(dòng)順序：將要上料的一個(gè)料車在料坑底部，已經(jīng)裝好備料（礦石或焦炭），另一料車在斜橋頂部。爐頂布料器料空，申請(qǐng)上料，由主PLC發(fā)出命令給控制柜內(nèi)的傳動(dòng)PLC，在綜合各種情況并判斷零壓回路閉合后，傳送運(yùn)行命令至變頻器FRB6000在接到開車命令后系統(tǒng)解封。通過FRB6000系統(tǒng)中的抱閘控制功能，建立在抱閘狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩限幅給出的啟車力矩電流后，F(xiàn)RB6000系統(tǒng)發(fā)出打開抱閘命令，使抱閘打開，實(shí)現(xiàn)料車的平穩(wěn)啟動(dòng)。

      當(dāng)料車啟動(dòng)運(yùn)行后，由于起始階段斜橋坡度較大、所帶負(fù)載慣量較大，電機(jī)先以高速運(yùn)行。在運(yùn)行至第一減速點(diǎn)時(shí)，由主令控制器返回位置信號(hào)至PLC處理后輸出低速信號(hào)至FRB6000變頻器開關(guān)量輸入端子，選擇低速給定。此時(shí)電動(dòng)機(jī)開始減速運(yùn)行繼續(xù)提升負(fù)載。料車?yán)^續(xù)上行，當(dāng)通過檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，變頻器在內(nèi)部將實(shí)際速度值與給定在此位置的設(shè)定減速值進(jìn)行比較，如果實(shí)際速度小于等于設(shè)定值則變頻器輸出一個(gè)低速到達(dá)信號(hào)至PLC，在綜合各種情況后如果判斷系統(tǒng)工作在一個(gè)正常條件下則料車?yán)^續(xù)上行，如果速度超常或者其它非正常情況發(fā)生則系統(tǒng)停機(jī)，抱閘電機(jī)抱死主運(yùn)行軸。料車在正常條件下繼續(xù)向上運(yùn)行通過停車點(diǎn)，此時(shí)主令開關(guān)將停車位置傳送至PLC，處理后發(fā)送停車指令至變頻器，變頻器開始停車，抱閘閉合，此時(shí)料車的停車位置應(yīng)是工藝要求的角度，即能將車內(nèi)的爐料倒凈而又不撞上超極限彈簧。

五. 結(jié)束語(yǔ)

      通過此次高爐卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)項(xiàng)目，我在獨(dú)立設(shè)計(jì)和分析問題的全面性等方面受益甚夥。卷?yè)P(yáng)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)了高爐生產(chǎn)全過程自動(dòng)控制的基礎(chǔ)，通過采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)以及穩(wěn)定的PLC控制技術(shù)大大提高了這個(gè)高爐生產(chǎn)最重要環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)一直穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)高爐穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，降低成本，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度起著重要作用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。