西门子自动化产品在高炉上料系统中的应用.docx

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西门子自动化产品在高炉上料系统中的应用

西门子自动化产品在高炉上料系统中的应用

发布时间：

2010-07-12　浏览次数：

847

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胡年松，邹渊，汪萌

（湖北新冶钢有限公司二期工程指挥部，湖北黄石435001）

摘 要：

介绍西门子6SE70变频器和s7-200及S7-400PLC在湖北新冶钢二炼铁厂2#高炉上料主卷扬系统中的应用。

该系统利用现代计算机技术将PLC与变频器紧密结合在一起，实现了PLC与变频器控制的统一，解决了因卷扬控制系统不稳定丽造成的休风、停产问题。

提高了卷扬上料系统的稳定性，降低了上料系统的故障率，成为高炉实现稳产、高产的基础。

关键词：

高炉上料系统；变频器；可编程控制器

0 前言

高炉上料系统是保证高炉正常生产的命脉。

高炉冶炼原料必须通过上料系统的主卷扬料车输送到高炉炉缸内，所以它的稳定和顺行直接关系到高炉的正常运行。

湖北新冶钢二炼铁厂2#高炉上料系统的自动控制采用西门子自动化产品，实现了上料的全自动过程控制，系统可靠性非常高，使该高炉一直保持稳产高产的水平。

1 高炉卷扬上料及布料过程

高炉上料的形式主要有两种：

一种是卷扬料车上料，一种是皮带上料。

由于卷扬料车上料占地面积小，目前在中小高炉中得到广泛的应用，中型高炉卷扬系统一般采用双电机控制，小高炉则采用单电机控制的方式。

卷扬料车上料的主要过程是：

各种原料经过槽下配料后放人中间料斗，料车到料坑后，中间斗把料放人料车，中间斗闸门关到位并且高炉炉顶准备好后，料车即启动，经过加速一匀速（高速）一1减速一2减速，到达炉顶后倒料。

2 控制系统方案

2．1 上料及炉顶系统主要电气设备

（1）卷扬机构交流电机一台：

200kW，三相交流380V；

（2）冷却风机电机一台：

3．7kw，三相交流380V：

（3）料车制动器两台：

1kW，两相交流380V；

（4）料车行程编码器一套：

Omron；

（5）智能主令控制器一台：

采用西门子200PLC；

（6）料车切换柜一面、交流变频传动柜丽面，一用一备，制动电阻柜一面；

（7）料车变频器两台：

西门子6SE70315kw。

配套制动单元和制动电阻；

（8）PLC硬件配置：

智能主令控制器系统采用西门子S7—200PLC，CPU224加TD200操作面板，槽下上料布料主控制系统采用西门子S7-400PLC，主要配置如表1所示。

2．2 基本工艺要求

（1）料车卷扬机按料车行程曲线运行，料车行程曲线由智能主令控制器设定；

（2）在PLC自动和操作台手动控制方式下。

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，超极限保护装置以及低速检测保护；

（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。

2．3 设计方案

系统原理框图如图1所示。

在该系统中采用西门子公司的6SE70全数字交流变频调速供电装置。

Siemens公司的SIMVORTMASrrERDRIVES6SE70矢量控制变频装置，由模块化及高性能元件组成，这类装置是具有IGBT逆变器、PwM方式调制、全数字技术的有电压中间回路的矢量控制型变频器，具有参数计算、温度补偿等功能，直流制动、变频器间同步运转等功能保证了工作的可靠性；优点是控制可靠、调节精度高、功耗小、节能，具有很好的经济效益。

系统配置了配套的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、智能主令控制器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，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阿控制及联锁控制。

调速装置的交流进线通过交流进线电抗器解耦，并且进线电抗器设置在变频凋速柜中，即每台变频器配一台交流进线电抗器，防止传动系统对公用电网的污染。

在切换柜中卷扬电机主接触器、的后面接一台出线电抗器，以消除出线高次谐波，从而保护主卷扬电机。

2．3．1 料车定位

高炉卷扬料车的传统定位方式是机械式的凸轮控制器，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，需要来回跑好几次空车来调整料车位置。

新冶钢二炼铁厂采用的是智能主令控制器与欧姆龙绝对值旋转编码器相结合对料车进行定位控制。

该智能主令控制器的系统原理如图2，它具有运行可靠、保护功能齐全、分辨率高、抗干扰能力强、响应速度快、调整方便迅速、可在运行中调整、全数字显示、远程通信等优点。

（1）运行可靠。

该智能主令由先进、可靠的西门子可编程序控制器（S7-200PLc）与欧姆龙绝对型旋转编码器组成，通过旋转编码器产生的格雷码实现对现场物体位移的检测，然后经PLC译码、运算、分析，以产生不同的控制信号和各种保护输出。

老式主令控制器由凸轮和触点组成，其中触点部分故障较多，调整不便。

而该主令设计思想是用弱电控制强电，用程序逻辑代替机械凸轮的动作，以无触点代替有触点，这样就避免了许多机械故障，从而提高了主令控制器运行的可靠性。

（2）保护功能齐全。

该主令设有超速保护、零速保护和溜车保护。

当受控设备失控，超过所设定的最高速度时以及当没有电机运行信号但受控设备发生移动时，该主令都可发出停车信号，防止发生溜车故障及其它意外事故；当电机正常运转时，卷扬因故障不随动或传感器（现场变送单元）不工作时，该主令也能发出停车信号进行保护。

（3）分辨率高。

该智能主令的分辨率可以达到mm级，精确度非常高，能够适应需要精确定位和精确限位控制的场合。

而老式主令采用凸轮闭合、断开触点，其精度很低，不能适应自动控制过程精确控制的需要。

（4）抗干扰能力强。

由于采用欧姆龙绝对型旋转编码器，此种编码器可以把受控设备的位移转化成格雷码送到PLC，受控设备的某一位置对应一个唯一的码值。

即使某一时刻受到干扰，但下一时刻就可以把丢失的码找回来，不会因为干扰而产生累计误差。

（5）响应速度快。

该智能主令由于采用可编程序控制器进行控制，因此其响应速度非常快，可达μs级

（6）调整方便迅速。

该智能主令的调节无需任何工具，仅需对TD200操作面板进行操作，即可达到调整的目的，熟练的操作者只需几秒钟即可完成，与老式主令相比，调整方便，可以节约时间、减少劳动强度，从而提高经济效益。

（7）可在运行中调整。

该智能主令可在设备运行状态中进行调整，设备不必停车即可对控制信号的输出位置通过TD200操作面板进行微调。

（8）全数字显示。

在受控设备运行期间可以方便地从操作面板蚴上观察出其所处的位置。

（9）远程通信。

该主令具有远程通信功能，可以直接和其它控制系统（如：

PLC系统、工业控制网络系统）相连接。

智能主令控制器系统的工作原理：

当受控设备运动时，受控设备通过现场变送单元的传动机构带动编码器一起旋转，编码器将受控设备的位移转化成格雷码（其转化精度视现场需要而定）送到可编程序控制器（PLC）的输入端，PLC将采集到的格雷码进行译码、累加等数学运算处理，并将受控设备的位移通过操作面板TD200中所显示的“当前位”间接的表示出来，同时把“当前位”与TD200中显示的可调的设定参数相比较，在合适的位置发出相应的控制信号，从而实现受控设备的精确定位；另一方面PLC还对采集到的信号进行分析，判断受控设备是否出现超速、零速或溜车等故障，如出现故障立即发出停车信号，可以有效防止恶性事故的发生。

数字概念（以单斗上料小车为例，见图3）：

小车在斜桥上运行的同时，同步带动编码器旋转，PLC采集到的是一系列的编码，确定了“原点”之后，小车在斜桥上整个行程中任一位置都在PLC中有一个唯一的相对于“原点”的编码，这些编码按十进制整数连续排列（一32767一+32767之间），这些编码都反映了小车当前位置与原点之间的距离关系（编码数），也就是用数字反应了小车在斜桥上的实际位置，通过精度（mm/点）可以计算出当前位置距原点位置的距离。

可以理解为一个斜方向的坐标轴，以“原点”为坐标原点，从小到大范围是一32767到+32767。

“原点”：

（相当于一个坐标原点）是一个参考点，对应小车在斜桥上整个行程中一个具体的物理位置，在PLC中的编码为“0”，根据需要可以把小车在行程中任一位置所对应的编码改为0，设定为原点（一般把斜桥底部小车装料位置设为原点），TD200上所显示的“当前位”及其他设定的限位都是以“原点”为参考点的。

当“原点”所对应的实际物理位置变化时，“当前位”及其它限位所反映的实际物理位置都会发生相应变化。

“当前位”：

确定了“原点”之后，小车所在斜桥上实际位置对应的编码我们称之为小车的“当前位”，它反映了小车当前所在斜桥上以参考点“原点”为坐标的位置（编码数）。

如小车在“原点”位置时对应的编码是“O”，我们称“当前位”是“0”，相对于“原点”的距离是0点；小车运行到斜桥中间时，对应的编码是“1000”，也就是与原点“0”的距离是l000个点。

小车在运行当中位置不断变化，“当前位”也随之不断变化。

精度计算：

计算当卷筒旋转一周时旋转编码器旋转几周，假设一卷简直径为1200mm，当卷筒，旋转一周时旋转编码器也旋转一周，由于旋转编码器旋转一周为256个码，所以主令精度为3．14×l200／256一15mm。

也就是“当前位”每增加1个点，小车实际运行约15mm；每减少1个点小车反向运行约15mm。

限位区间：

区间是指从小到犬韵一个数字区间，“当前位”编码在某一范围内时，主令控制器输出点接通，参与系统控制或连锁，起到限位的作用，这一范围用两个数字表示。

如：

当Q0.0设为“10一>1100”时，则“当前位”编码在大于lO并且小于1100的区间范围内时Q0．0接通，不在这一范围内时Q0.O断开。

下例中Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5分别作为系统中的常闭下限位、常闭上加速、常闭下减速、常闭上减速、常闭下加速、常闭上限位使用。

当小车上升时，“当前位”编码连续增加，当“当前位”编码上升到大于200以后“上加速”限位Q0．1对应接点断开，控制系统控制小车以高速运行，上升到大于1500以后“上减速”Q0．3断开，控制系统控制小车以低速运行，上升到大于l800时，“上限位”Q0．5断开，控制小车停止。

当小车下降时，“当前位”编码连续减少，椰当前位”小于l600时，“下加速”限位QO．4断开，小车被控制以高速运行，小车继续下降，“当前位”小于300时，“下减速”限位Q0．2断开，小车被控制以低速运行，下降到小于20时，“下限位”Qo．0断开，小车停止运行。

例：

Q0．O 下限位  20一>9999；‘

Q0．1 上加速  一9999一>200；

Q0．2 下减速  300一>9999；

Q0．3 上减速  一9999一>1500；

QO．4 下加速  l600一>9999；

Q0.5 上限位  一9999一>l800。

TD200操作使用界面见图4，使用该面板操作非常方便。

2．3．2 料车运行控制

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，原来建立的转矩限幅将恢复到正常的限幅值。

启车后，料车将以启车加速度口。

=0．25—n／82进行加速至y=2．36ln／8。

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l信号给切换柜，由切换柜发给6SE70使料车按02=0．25In／s2减速至y=1．0ln／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o：

=0．2m／82减速，在此过程中主令控制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，控制6SE70完成停车，抱闸闭合，此时料车的停车位置应是工艺要求的角度，既能将车内的炉料倒净而又不撞极限弹簧。

料车运行的速度曲线（以料车1上行为例）见图5。

图5中，料车运行在变频器频率6—50Hz的范围内，其中高速选择在变频器频率50Hz范围内，中速选择在频率20—50Hz范围内，低速选择在频率6—20Hz范围内，而机械抱闸是在变频器频率低于6Hz时才动作。

2．3．3 料车运行保护

使用卷扬上料，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。

3 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）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，可有效地防止误动作及溜车故障。

4 结束语

卷扬控制系统是实现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，同时通过变频技术的使用，节约了大量的电能，取得了较好的经济效益和社会效益，为新冶钢的生产经营起到了极其重要的作用