任朝暉

中冶南方工程技術(shù)有限公司

基于西門子 PLC的轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)

任朝暉

中冶南方工程技術(shù)有限公司

任朝暉（1978-）中冶南方工程技術(shù)有限公司自動化二所，工程師，主要從事煉鋼工藝電氣傳動控制，研究方向：工業(yè)自動化與系統(tǒng)集成。

本文介紹了轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)，介紹了基于西門子公司S7-400 PLC和S120變頻器的300t轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)的方案選擇和硬件配置，重點(diǎn)討論了轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多電機(jī)驅(qū)動的控制策略。工程實(shí)踐表明該控制系統(tǒng)配置合理、可靠性高，運(yùn)行效果較好。

轉(zhuǎn)爐傾動裝置是轉(zhuǎn)爐煉鋼的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是在兌鐵水、加廢鋼、除渣、出鋼等過程中傾動爐體，完成煉鋼的工藝操作。目前國內(nèi)主流的轉(zhuǎn)爐傾動機(jī)構(gòu)采用4臺交流電機(jī)傳動，可驅(qū)動轉(zhuǎn)爐主體在±360℃的范圍內(nèi)任意轉(zhuǎn)動。如何保證四臺電機(jī)同步啟、制動及力矩均衡，是轉(zhuǎn)爐控制的關(guān)鍵。

本文對采用西門子S7-400 PLC和S120變頻器設(shè)計(jì)的某鋼廠300t轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)作簡要介紹。

轉(zhuǎn)爐傾動負(fù)載特性

轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)一般采用4臺傾動電機(jī)，通過一兩次減速機(jī)剛性相連，并采用全懸掛4點(diǎn)嚙合柔性傳動方式，驅(qū)動特點(diǎn)如下。

（1）4臺傾動電機(jī)間為剛性連接，要求主從控制為轉(zhuǎn)矩同步，進(jìn)行均勻的負(fù)荷分配，確保4臺電機(jī)同步運(yùn)行，同步啟停，運(yùn)行平穩(wěn)。

（2）當(dāng)1臺或2臺電機(jī)出現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)，PLC立即對剩余的運(yùn)行電機(jī)的速度設(shè)定等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保轉(zhuǎn)爐能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)3臺以上的電機(jī)出現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)爐立即停止傾動。

（3）轉(zhuǎn)爐傾動過程中，在不同的角度下傾動電機(jī)有時(shí)出于電動狀態(tài)，有時(shí)出于發(fā)電狀態(tài)，需要解決能量消耗回饋問題。

（4）轉(zhuǎn)爐傾動裝置具有大慣量、重載的運(yùn)行特點(diǎn)，還兼具位能負(fù)載的部分特點(diǎn)，要求傳動裝置能與機(jī)械抱閘協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟停。

系統(tǒng)介紹

以山東某鋼廠300t轉(zhuǎn)爐為例，轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)由上位工控機(jī)、PLC、四臺變頻器、交流電機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)等組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，其硬件配置及主要功能如下。

1） 基礎(chǔ)級：實(shí)現(xiàn)傳動裝置電氣連接、電機(jī)驅(qū)動及現(xiàn)場操作等功能。本系統(tǒng)采用4臺西門子S120變頻器分別驅(qū)動4臺交流異步電機(jī)，采用帶編碼器的速度環(huán)與轉(zhuǎn)矩環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。變頻器配備制動單元和制動電阻進(jìn)行能耗制動以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)制動，控制電源采用UPS供電。

2） 控制級：主要完成對現(xiàn)場設(shè)備的控制及控制策略的實(shí)施。主控制設(shè)備PLC采用西門子公司的S7-400 PLC，PLC通過Profibus-DP總線控制4臺S120變頻器，為保證快速性，DP總線通信波特率設(shè)為最高的12M/S。

3） 信息級：主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)間及其與PLC的數(shù)據(jù)通信，用于操作人員遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制。PC機(jī)通過西門子以太網(wǎng)模塊連接PLC，可以實(shí)現(xiàn)與PLC數(shù)據(jù)通信，工控機(jī)間及與系統(tǒng)各設(shè)備間也通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖1　轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)簡圖

控制策略

負(fù)荷均衡

轉(zhuǎn)爐傾動驅(qū)動裝置采用四臺S120變頻器“一對一”控制四臺交流電機(jī)，為了滿足負(fù)荷均衡，采用主從控制方式。四臺變頻器共用一個(gè)速度控制器，任意選擇選取一臺變頻器作為主變頻裝置，轉(zhuǎn)爐PLC通過Profibus-DP總線給定主變頻裝置啟停命令和速度給定值，同時(shí)接受主變頻器裝置的速度控制器的PID輸出值傳給從變頻裝置，作為從變頻裝置轉(zhuǎn)矩控制器的轉(zhuǎn)矩給定值；另外三臺變頻器作為從變頻裝置，僅配置轉(zhuǎn)矩控制器，轉(zhuǎn)矩由主變頻裝置給定。各個(gè)變頻裝置轉(zhuǎn)矩均來自主變頻裝置的速度調(diào)節(jié)器輸出，因此實(shí)際轉(zhuǎn)矩可以較容易的達(dá)到基本一致?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　主從控制框圖

PID控制器參數(shù)整定

PID控制是模擬系統(tǒng)中最常用的控制器，PID控制器數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，P為PID回路輸出，K為比例系數(shù)，iT為積分時(shí)間，dT為微分時(shí)間，eΔ為偏差。

轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)采用的PI控制器是由變頻器內(nèi)部CPU實(shí)現(xiàn)的。由于本系統(tǒng)中，從變頻裝置的輸入轉(zhuǎn)矩給定值是由主變頻裝置的速度控制器輸出給定，因此主變頻裝置的速度調(diào)節(jié)器PI參數(shù)整定對整個(gè)系統(tǒng)的動態(tài)性能和控制效果有很大影響。如果輸出調(diào)整過大，系統(tǒng)超調(diào)量大，且系統(tǒng)易不穩(wěn)定；輸出過小，過渡過程較長，響應(yīng)慢，甚至不能達(dá)到理想穩(wěn)定狀態(tài)。PI參數(shù)整定工程上常用的是經(jīng)驗(yàn)整定方法，通過現(xiàn)場反復(fù)試驗(yàn)，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，得到響應(yīng)曲線，不斷改變參數(shù)直至系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定且符合工藝要求成。此整定方法比較繁瑣。

本控制系統(tǒng)采用“對稱法”計(jì)算PI控制器參數(shù)。S120變頻器帶著傾動電機(jī)空載做完靜態(tài)優(yōu)化和動態(tài)優(yōu)化后，還需做一次速度調(diào)節(jié)器的優(yōu)化，以獲取系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)的、對額定轉(zhuǎn)矩下的啟動時(shí)間。優(yōu)化完畢后，查看S120變頻器參數(shù)r0345，然后根據(jù)“對稱法”得出如下公式：

r0345為變頻器啟動時(shí)間參數(shù)，P1470為變頻器PI控制器的P參數(shù)，P1472為I參數(shù)。

這時(shí)得到的PI仍然是傳動系統(tǒng)不帶負(fù)載的參數(shù)，這時(shí)還需手工調(diào)整：適當(dāng)減小增益P（減小響應(yīng)速度）、加大積分時(shí)間I（減小超調(diào)）。一般選擇P1470 小于10，根據(jù)公式計(jì)算得到P1472；這里注意的是單位換算，s與ms要對應(yīng)。參數(shù)r0345的單位是s，而P1472的單位是ms，要注意量綱的統(tǒng)一。

抱閘控制

在正常傾動控制過程中，為防止搖爐失控和溜車現(xiàn)象，一般都利用S120變頻器內(nèi)部的抱閘功能塊。啟動時(shí)，先啟動變頻器，等變頻器勵(lì)磁電流建立，變頻器輸出一定大小的轉(zhuǎn)矩后再打開抱閘，停止時(shí)，先使變頻器減速，等變頻器減速至一個(gè)極小值時(shí)關(guān)閉抱閘，等抱閘完全抱住后再停止變頻器。

調(diào)試抱閘控制時(shí)，啟動時(shí)的抱閘打開合理的閾值P1220設(shè)為達(dá)到電流額定值的30%，抱閘關(guān)閉是以電機(jī)的轉(zhuǎn)速為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行關(guān)斷，速度閥值P1225設(shè)為20rpm，抱閘打開時(shí)間P1216設(shè)為100ms，抱閘關(guān)閉時(shí)間P1217設(shè)為600ms，這4個(gè)值非常關(guān)鍵，如果調(diào)整不好將會損壞抱閘，導(dǎo)致鋼水傾倒發(fā)生事故。

快速搖爐功能

在正常轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中，特別是出鋼過程中，需要點(diǎn)動轉(zhuǎn)爐，使轉(zhuǎn)爐快速小角度搖動，既要快速性又要保證穩(wěn)定性。如果按常規(guī)方法啟動變頻器，則變頻器啟動后需要約3S左右的勵(lì)磁時(shí)間，然后還需要約1S左右的時(shí)間來建立力矩，從搖動轉(zhuǎn)爐手柄到轉(zhuǎn)爐搖動差不多約4S的時(shí)間，完全不能滿足工藝生產(chǎn)需要，為此本系統(tǒng)采用了一種“轉(zhuǎn)爐快速搖爐功能”。

圖3　快速搖爐功能流程圖

操作臺選擇開關(guān)旋至本地，便啟動變頻器開始勵(lì)磁，但此時(shí)轉(zhuǎn)速設(shè)定值 （p1142） 和轉(zhuǎn)速控制器 （p0856）處于鎖定狀態(tài)。電機(jī)已勵(lì)磁，因而省去了變頻器通常需要的勵(lì)磁時(shí)間，大約1～3s?，F(xiàn)在，在搖爐手柄偏轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)爐傾動之間只間隔了抱閘打開時(shí)間。一旦搖爐手柄偏轉(zhuǎn)，便發(fā)出“來自控制系統(tǒng)的設(shè)定值使能”，立即使能轉(zhuǎn)速設(shè)定值及轉(zhuǎn)速控制器。搖爐手柄處于零位時(shí)，轉(zhuǎn)速設(shè)定值被鎖定，驅(qū)動會沿著斜坡函數(shù)發(fā)生器的下降斜坡減速，一旦低過靜止?fàn)顟B(tài)檢測閾值（p1226），抱閘立即閉合。在抱?閘閉合時(shí)間（p1217） 結(jié)束后，轉(zhuǎn)速控制器被鎖定。選擇開關(guān)旋至遠(yuǎn)程時(shí)，停止變頻器。流程圖如圖3所示。

圖4　傾動電機(jī)電流曲線

結(jié)束語

本系統(tǒng)采用主從控制方式，利用西門子PLC與S120變頻器通過DP總線通訊實(shí)現(xiàn)了自動主從切換，保證了系統(tǒng)工作中的穩(wěn)定性和可靠性。在某鋼廠300t轉(zhuǎn)爐的實(shí)際應(yīng)用中，該傾動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，動態(tài)響應(yīng)快，速度控制精確，電機(jī)間轉(zhuǎn)矩平衡性好，運(yùn)行平穩(wěn)。實(shí)際應(yīng)用效果如圖4所示。

上式物理量的計(jì)算及其意義見文獻(xiàn)。其他一些套管內(nèi)防砂篩管完井下的產(chǎn)能公式與公式（10）基本一致。

幾種完井方式下的產(chǎn)能比較

根據(jù)某井的地層參數(shù)，進(jìn)行對比計(jì)算：

油層厚度h=16m，水平滲透率Kh=0.32um2，垂向滲透率Kv=0.11um2，原油密度ρO=0.974g/cm3，原油粘度μo=71.6mPa·s，原油體積系數(shù)Bo=1.076；分支井?dāng)?shù)n=2，分支水平井長度L=300m，泄油半徑re=1000m，井徑rw=0.107m，機(jī)械表皮系數(shù)Sv=3，分支水平井到油層底部的距離zw=11m。

分析表1中的結(jié)果可以知道，考慮了鉆完井影響的真實(shí)井產(chǎn)能都要比理想井產(chǎn)能低。由于鉆井液和完井液對地層的污染和射孔損害，使得射孔完井的產(chǎn)能要比理想井低16.7%；繞絲篩管完井的產(chǎn)能在此基礎(chǔ)上還要低6.7%；而套管內(nèi)預(yù)充填礫石篩管完井的產(chǎn)能是防砂完井方式中最低的。

結(jié)語

（1）本文通過運(yùn)用等值滲流阻力的方法和勢的疊加原理，在輻射狀三分支水平井自然產(chǎn)能公式的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了套管射孔完井、套管內(nèi)下繞絲篩管完井、套管內(nèi)預(yù)充填礫石篩管完井和其他一些防砂篩管完井方式下的產(chǎn)能研究。

（2）結(jié)合現(xiàn)場實(shí)例，將適用于分支水平井射孔系列完井方式下的產(chǎn)能與理想井產(chǎn)能進(jìn)行比較，表明了數(shù)學(xué)模型的正確性。并指出應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況考慮地層損害和完井方式對產(chǎn)能的影響，這對于正確指導(dǎo)分支井鉆完井設(shè)計(jì)具有重要意義。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.043