潘金華

（攀鋼煉鐵廠，四川攀枝花617022）

1 引言

高爐要實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，爐喉料面保持平穩(wěn)的料線，是確保精確布料和高爐正常操作的重要條件。料線過(guò)低，會(huì)使?fàn)t頂煤氣顯著升高，不利于爐頂設(shè)備正常運(yùn)行；料線過(guò)高，影響料面煤氣分布，甚至造成爐頂布料設(shè)備事故。探尺控制系統(tǒng)是測(cè)量爐內(nèi)料面，并實(shí)時(shí)顯示料線、狀態(tài)，是判斷爐況及布料進(jìn)程的重要設(shè)備，其控制要求速度穩(wěn)定、準(zhǔn)確。曾采用分離插件式可控硅整流模擬控制系統(tǒng)，由于組件受環(huán)境溫度、電磁干擾等影響，裝置調(diào)試、維護(hù)較為困難，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性難以保障。采用ABB DCS500數(shù)字化直流調(diào)速控制裝置，在實(shí)際應(yīng)用中很好地滿足了生產(chǎn)工藝。

2 控制原理

探尺為用鐵鏈吊掛的鑄鋼圓柱重砣，由直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)卷筒，由纏繞在卷筒上的鏈索牽引著重砣，借助于卷筒傳動(dòng)，控制重砣上升和下降。探尺有三種工作狀態(tài)：提尺、放尺和跟蹤料面。其系統(tǒng)圖及三種狀態(tài)受力分析如圖1所示。Md為電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的牽引力、Mg為重砣重力、Mf為系統(tǒng)摩擦阻力、Mz為料面支撐力。

測(cè)量行程由安裝在減速機(jī)軸上的增量編碼器將脈沖信號(hào)上傳至上位機(jī)，測(cè)量行程大于6m，超極限由主令控制器上的點(diǎn)引至傳動(dòng)裝置。圖1所示為探尺系統(tǒng)及工作時(shí)三種狀態(tài)受力分析示意圖。

圖1 探尺系統(tǒng)及工作時(shí)三種狀態(tài)受力分析示意圖

探尺工作三種狀態(tài)控制原理分析如下。

（1）提尺：根據(jù)高爐冶煉工藝，上料系統(tǒng)每向爐內(nèi)布一批料之前，裝置以恒速將重砣提升至電氣零位，避免重砣被掩埋，此時(shí)處于提尺狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，工作在第一象限，當(dāng)重砣以勻速上升時(shí)，滿足Md＝Mg＋Mf，電動(dòng)機(jī)電磁力矩和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向相同，可控硅處于整流工作狀態(tài)，改變給定源，即可控制速度大小和方向，提尺指令及速度給定由應(yīng)用程序功能塊（const ref）輸入，當(dāng)裝置將重砣提升到位時(shí)，抱閘線圈失電，電磁抱閘停車。提尺速度為 0.5-0.7m/s。

（2）放尺：每次布料完成后，上位機(jī)發(fā)出放尺指令，抱閘線圈得電，電磁抱閘打開，裝置以恒速將重砣下放至料面，以探測(cè)爐內(nèi)料面高度，電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)行，電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)，工作在第四象限。當(dāng)重砣勻速下放時(shí)，滿足Md＝Mg-Mf，電磁轉(zhuǎn)距與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向相反，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，放尺指令及速度給定由應(yīng)用程序功能塊（const ref）輸入。放尺速度為 0.2-0.3m/s。

（3）跟蹤料面（扶尺狀態(tài)）：重砣下放至料面時(shí)，系統(tǒng)處于跟蹤料面過(guò)程，電磁抱閘為打開狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)料線大于或等于設(shè)定數(shù)據(jù)時(shí)，上位機(jī)自動(dòng)發(fā)出提尺指令；當(dāng)檢測(cè)料線小于設(shè)定數(shù)據(jù)時(shí)，探尺將自動(dòng)跟蹤料面，此時(shí)Md＝Mg-Mz-Mf，可控硅處于整流工作狀態(tài)。由于爐缸原料被冶煉，料面逐漸下降，Mz減小甚至為0時(shí)，在Mg的作用下，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，可控硅又進(jìn)入逆變工作狀態(tài)，重砣繼續(xù)下降，直到重新直立于料面上，最終達(dá)到新的平衡，這一過(guò)程稱為探尺跟蹤料面。隨著冶煉的繼續(xù)，探尺裝置不斷地調(diào)整重砣與料面的接觸狀態(tài)，滿足工藝要求。

探尺跟蹤料面的性能是判斷探尺系統(tǒng)好壞的一條重要依據(jù)。如果牽引力偏小，就會(huì)發(fā)生倒砣甚至重砣被埋現(xiàn)象，倒砣時(shí)，不能真實(shí)地測(cè)量料面深度；重砣被埋時(shí)，提尺過(guò)程電機(jī)堵轉(zhuǎn)，甚至造成重砣被燒毀的設(shè)備事故。如果牽引力偏大，重砣就不能實(shí)現(xiàn)隨料面跟蹤，發(fā)生重砣懸浮現(xiàn)象，探尺也不能反映料面實(shí)際深度。

在設(shè)備調(diào)試時(shí)，調(diào)節(jié)直流裝置輸出電磁轉(zhuǎn)矩的大小，決定探尺的扶尺性能。利用ABB DCS應(yīng)用程序功能塊中外部力矩選擇（torq_ref_selection）和速度與力矩切換（tree_hnd）兩個(gè)功能塊共同完成。在探尺提升時(shí)，采用速度環(huán)控制，為了實(shí)現(xiàn)探尺跟蹤料面功能，避免了倒砣現(xiàn)象，在放尺過(guò)程中，采用力矩環(huán)控制，跟蹤料面時(shí)，其參數(shù)的大小可以根據(jù)實(shí)際進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到準(zhǔn)確控制。

3 系統(tǒng)硬件組成

直流裝置的電樞單元采用ABB DCS502B-0050-41傳動(dòng)模塊，變流器采用可控硅三相全控橋反并聯(lián)邏輯無(wú)環(huán)流整流結(jié)構(gòu)，6脈沖、4象限運(yùn)行。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置的脈沖相位，改變整流輸出電壓，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。柜內(nèi)配有直流抱閘整流單元，控制現(xiàn)場(chǎng)抱閘線圈，抱閘線圈得電，電磁抱閘打開，失電時(shí)功能相反。抱閘整流單元型號(hào)為NDPA-50A/220V-M，電磁抱閘吸合電壓DC220V，保持電壓DC22-220V連續(xù)可調(diào)。用2套傳動(dòng)裝置來(lái)分別控制2臺(tái)探尺直流電機(jī)（4kW），電機(jī)型號(hào)：Z3-52，額定功率：4kW，電樞額定電壓 220V，額定電流 22.3A，轉(zhuǎn)速：1000rpm；最大勵(lì)磁電流 5A；他勵(lì)方式。

ABB DCS500傳動(dòng)裝置由上位機(jī)控制，上位機(jī)輸出信號(hào)到DCS500的I/O接口端子。電樞單元電源為交流AC380V電壓，直流輸出電流范圍為0-50 A，勵(lì)磁單元供電電源為AC220V，勵(lì)磁輸出電流為3-16 A，ABB DCS500數(shù)控裝置主要組件型號(hào)如下：

（1）電源板SDCS-POW-1：為主控制板及I/O接口板提供直流電壓。

（2）主控制板SDCS-CON-2：控制板上裝有七段數(shù)碼顯示器，用于顯示傳動(dòng)裝置的狀態(tài)；系統(tǒng)程序和參數(shù)值保存在閃速存儲(chǔ)器D33和D34中，應(yīng)用功能塊和參數(shù)值保存在閃速存儲(chǔ)器D35中。ABB DCS500主要測(cè)量和控制功能在ASIC中完成，其主要功能與控制板通訊（RS485）、與勵(lì)磁單元通訊（RS485）、測(cè)量、看門狗功能、A/D和D/A轉(zhuǎn)換控制、晶閘管觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。

（3）功率接口板SDCS-PIN-41：通過(guò)電流互感器測(cè)量電樞電流回路、晶閘管保護(hù)用緩沖回路、通過(guò)PTC傳感器測(cè)量散熱器溫度額定電流,零電流檢測(cè)的比例換算和硬件類型編碼。帶6個(gè)脈沖觸發(fā)回路和脈沖變壓器，與功率接口板（SDCS-PIN-21）配套使用。

（4）勵(lì)磁單元板（SDCS-FEX-2）：由晶閘管和二極管組成的半控橋式整流模塊。

（5）通信板（SDCS-COM-5）：用于 PROFIBUS或MODBUS通訊，該板是ABB DCS500變流器調(diào)試與維護(hù)時(shí)的通訊接口。

（6）數(shù)字I/O板:SDCS-IOB-23有8個(gè)數(shù)字輸入口和8個(gè)數(shù)字輸出口，DCS-IOE-1為8個(gè)數(shù)字量輸入擴(kuò)充板，輸入信號(hào)經(jīng)濾波后通過(guò)光電耦合進(jìn)行隔離，信號(hào)狀態(tài)通過(guò)LED顯示；SDCS-IOB-3包括5個(gè)模擬輸入口和3個(gè)模擬輸出口，6個(gè)隔離的脈沖編碼器接口和一個(gè)給溫度測(cè)量裝置供電用的電流源輸出口。

（7）輔助組件：整流變壓器、風(fēng)扇、開關(guān)、快熔、接觸器等。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示為探尺電控系統(tǒng)接口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖2 探尺系統(tǒng)接口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

ABB DCS500系統(tǒng)與上位機(jī)通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊連接，提尺及放尺指令由上位機(jī)發(fā)出，也可由操作臺(tái)上轉(zhuǎn)換開關(guān)發(fā)出提放探尺信號(hào)。當(dāng)放尺信號(hào)發(fā)出時(shí)，抱閘線圈得電，電磁抱閘打開，同時(shí)DCS500根據(jù)輸入信號(hào)，速度大小由應(yīng)用程序功能塊給定，輸出整流電壓，探尺勻速下放，至料面時(shí)進(jìn)行跟蹤。當(dāng)提尺信號(hào)發(fā)出時(shí)，探尺勻速上升至電氣零位，此時(shí)抱閘線圈失電，抱閘停車。當(dāng)裝置檢測(cè)到故障時(shí)，由DCS500開出模塊發(fā)出故障信號(hào)，主接觸器分閘，同時(shí)直流抱閘整流單元失電，裝置停止運(yùn)行。

5 系統(tǒng)軟件

5.1 DCS500 功能模塊

ABB變流器單元的基本軟件主要由速度控制、轉(zhuǎn)矩控制以及傳動(dòng)邏輯等部分組成，實(shí)際速度采用EMF反饋信號(hào)，由變流器根據(jù)其輸出電壓計(jì)算得到。ABB DCS500系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制方式，內(nèi)部控制程序是用功能模塊表示，包括標(biāo)準(zhǔn)程序（SP）功能塊及應(yīng)用功能塊。

探尺控制系統(tǒng)應(yīng)用了傳動(dòng)邏輯、主給定選擇、速度調(diào)節(jié)、斜率發(fā)生器、轉(zhuǎn)矩/電流限幅、電流調(diào)節(jié)、電勢(shì)調(diào)節(jié)等標(biāo)準(zhǔn)程序功能模塊。

還采用了應(yīng)用功能塊如：邏輯塊、算術(shù)塊、選擇塊、時(shí)鐘塊、比較塊、常數(shù)傳遞塊（如：用戶參數(shù)PAR)等。根據(jù)工藝需求，利用ABB傳動(dòng)裝置所采集的數(shù)字信號(hào)，選擇所需要的功能塊，通過(guò)各功能塊之間的管腳相連，完成探尺傳動(dòng)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

5.2 主要功能塊功能

（1）主給定選擇

提尺和放尺指令由上位機(jī)開出，在速度給定邏輯功能中設(shè)定速度大小和方向，提尺速度為400r/min，放尺速度為-300r/min。

（2）斜率發(fā)生器

根據(jù)選擇的時(shí)間常數(shù)來(lái)完成系統(tǒng)加速、減速斜率的調(diào)節(jié)。

（3）傳動(dòng)邏輯

控制全數(shù)字直流調(diào)速裝置的起動(dòng)和停止，控制裝置的主接觸器、磁場(chǎng)接觸器、風(fēng)機(jī)接觸器、系統(tǒng)急停、復(fù)位、報(bào)警、傳動(dòng)裝置狀態(tài)輸出等。當(dāng)出現(xiàn)外部故障時(shí)，通過(guò)傳動(dòng)邏輯功能塊使主斷路器分閘，電磁抱閘制動(dòng)，對(duì)設(shè)備起著保護(hù)作用。勵(lì)磁單元檢測(cè)信號(hào)通過(guò)RS485與電樞主控板通訊，當(dāng)勵(lì)磁回路出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)傳動(dòng)邏輯功能塊封鎖調(diào)節(jié)器。

5.3 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置是DCS500應(yīng)用程序中重要環(huán)節(jié)。DCS500參數(shù)分成了48個(gè)參數(shù)組，每個(gè)參數(shù)組包含若干個(gè)參數(shù)。根據(jù)工藝所需，參數(shù)設(shè)置包括①設(shè)備參數(shù)設(shè)置：變流器的電源電壓、調(diào)速裝置工作象限、電機(jī)額定參數(shù)、磁場(chǎng)參數(shù)等。②系統(tǒng)保護(hù)參數(shù)設(shè)置，如速度保護(hù)值、電流限幅值、過(guò)電流、電壓保護(hù)值等。參數(shù)設(shè)置可以通過(guò)控制盤CDP312或安裝了CMT/DCS500工具軟件的PC機(jī)完成。應(yīng)用參數(shù)和保護(hù)參數(shù)值在調(diào)試過(guò)程中調(diào)節(jié)好，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

5.4 故障記錄

軟件還包括一個(gè)故障記錄存儲(chǔ)器，可以實(shí)時(shí)記錄100多個(gè)故障信息，相關(guān)內(nèi)部信號(hào)的信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)記錄器上，顯示在控制盤CDP312上或通過(guò)調(diào)試工具在維護(hù)軟件上查看，易于查找故障。

6 結(jié)束語(yǔ)

探尺控制系統(tǒng)采用ABB DCS500數(shù)字化直流調(diào)速裝置，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，無(wú)需調(diào)速電阻，自診斷功能、抗干擾能力強(qiáng)，調(diào)速特性平滑，精度高，維護(hù)方便，各種保護(hù)措施靈敏。自設(shè)備安裝投產(chǎn)以來(lái)，得到了用用戶的好評(píng)，為高爐正常生產(chǎn)提供了保障。