馬勝武+李濤

摘 要：轉(zhuǎn)爐氧槍系統(tǒng)是轉(zhuǎn)爐煉鋼工序中的關(guān)鍵設(shè)備，氧槍系統(tǒng)的正常運(yùn)行對安全生產(chǎn)及工藝技術(shù)指標(biāo)至關(guān)重要。氧槍一旦墜落，在轉(zhuǎn)爐內(nèi)有鋼水及事故應(yīng)急處置不當(dāng)?shù)那闆r下會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)爐爆炸等重大安全事故。某公司煉鋼廠5#轉(zhuǎn)爐氧槍在投產(chǎn)后不久發(fā)生一起墜槍事故，幸未造成損失。我們先后通過修改氧槍運(yùn)行程序，將Active信號投入抱閘控制，檢查增量型編碼器及接線、變頻器投入閉環(huán)控制及對諧波干擾進(jìn)行處理，成功解決氧槍控制存在隱患問題，使5#爐氧槍多年來運(yùn)行平穩(wěn)，保持安全生產(chǎn)順行。

關(guān)鍵詞：Active；閉環(huán)控制；增量型編碼器；諧波

1、氧槍電氣控制系統(tǒng)簡介

5#轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)采用羅克韋爾1756系列PLC自動(dòng)控制。氧槍作為關(guān)鍵特種設(shè)備，一用一備，正常升降選用AB-700S-590A變頻器控制一臺(tái)315KW電機(jī)，氧槍安全聯(lián)鎖條件眾多，電氣控制復(fù)雜。

2、氧槍抱閘開、關(guān)控制

為防止出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象，制動(dòng)器打開時(shí)要求裝置先建立足夠的力矩用以在制動(dòng)器打開的瞬間承受負(fù)載及吊具的重力。而在制動(dòng)器關(guān)閉過程中，要求速度降至一定程度才能允許制動(dòng)器抱閘，以減少由于高速抱閘對系統(tǒng)及閘片本身帶來的沖擊與破壞。

3、氧槍安全聯(lián)鎖保護(hù)

氧槍安全聯(lián)鎖保護(hù)分鋼絲繩張力保護(hù)、自動(dòng)提槍及條件滿足允許降槍。

張力：氧槍鋼絲繩張力≥7T不能提槍，氧槍鋼絲繩張力≤2.5T不能降槍。經(jīng)檢查水、氣、汽及張力均無異常，安全聯(lián)鎖正常。

4、Rockwell DriveTools軟件監(jiān)控、分析

墜槍時(shí)變頻器未報(bào)故障，通過與南槍變頻器參數(shù)比較，也未發(fā)現(xiàn)異常。隨后我們打開Rockwell DriveTools軟件，監(jiān)控北槍變頻器輸入、輸出電流、頻率及變頻器Active、抱閘開關(guān)時(shí)間等多個(gè)信號，通過反復(fù)試車，觀察到存在兩個(gè)問題：

（1）變頻器為開環(huán)控制

從變頻器有輸入信號開始，到輸出電流、頻率，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，尤其輸出信號與輸入信號預(yù)期存在誤差，主要反映在電機(jī)低速區(qū)，即100 r/min時(shí)，隨后檢查變頻器參數(shù)，發(fā)現(xiàn)變頻器選為開環(huán)控制。

（2）Active信號持續(xù)時(shí)間長

從曲線圖反映出當(dāng)變頻器輸入信號停止給定，變頻器減速至輸出無頻率、電流時(shí)，在10ms—8000ms時(shí)間內(nèi)，Active信號持續(xù)為1，尤其升降動(dòng)作快速轉(zhuǎn)換頻繁時(shí)，Active信號為1時(shí)間愈長。變頻器啟動(dòng)， Active信號為1，切斷變頻器輸入信號，變頻器停止運(yùn)行，內(nèi)部檢測、運(yùn)算等工作結(jié)束，處于待機(jī)狀態(tài)，Active信號為0.圖為Rockwell DriveTools軟件監(jiān)控圖形。

5、墜槍原因分析

氧槍速度設(shè)定為高速800r/min、低速300 r/min、點(diǎn)吹速度100 r/min，煉鋼工藝專業(yè)要求，氧槍要有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度及準(zhǔn)確的速度反饋，尤其槍位在吹煉點(diǎn)以下時(shí)，每次操作均為點(diǎn)動(dòng)，升降距離僅為100mm-200mm，對氧槍自動(dòng)控制要求極高，氧槍調(diào)整槍位的速度將直接影響到吹煉周期。

結(jié)合前期調(diào)查，我們認(rèn)為，點(diǎn)吹速度100 r/min，頻率約為8HZ，n=60f/p；尤其此時(shí)操作均為點(diǎn)動(dòng)，頻率更低，僅為3-5HZ，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與頻率成正比變化，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小。

6、墜槍事故預(yù)防整改措施

經(jīng)以上檢查分析，我們研究討論后計(jì)劃從三方面做以完善

（1）提高點(diǎn)吹轉(zhuǎn)速

將電機(jī)點(diǎn)動(dòng)速度由100 r/min，頻率約3.5HZ，改為200 r/min，運(yùn)行時(shí)頻率約7HZ。

（2）將Active信號加入抱閘控制程序

Active信號作為變頻器是否工作的重要參數(shù)，串入抱閘后，避免出現(xiàn)操作頻繁快速切換帶來的低頻、低速、低轉(zhuǎn)矩下的不穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）將開環(huán)控制改為閉環(huán)控制

5#爐氧槍開閉環(huán)投切只需修改AB變頻器222#參數(shù)為0即投入閉環(huán)。

以上三項(xiàng)措施完善后，氧槍運(yùn)行平穩(wěn)，通過監(jiān)控Rockwell DriveTools軟件，輸入輸出參數(shù)趨于平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好。但隨之出現(xiàn)一個(gè)新的問題，變頻器頻繁報(bào)編碼器0丟失故障，尤其在停車時(shí)，幾乎每天都報(bào)故障，對安全生產(chǎn)帶來極大影響。查閱變頻器說明書，存在三種情況：

a、丟失編碼器

b、正交偏差

c、相位丟失

處理措施為：a、重新連接編碼器或更換編碼器

b、組態(tài)參數(shù)365（首選反饋丟失組態(tài)），參數(shù)366（備用反饋丟失組態(tài)），參數(shù)367（位置反饋丟失組態(tài)）

7、AB700S系列變頻器閉環(huán)控制與開環(huán)控制

（1）閉環(huán)控制

要了解閉環(huán)控制，首先需要了解反饋原理。所謂反饋原理，就是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進(jìn)行控制，即通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個(gè)閉合的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制是自動(dòng)控制的重要方式。閉環(huán)控制即輸出信號反饋參與輸入。氧槍升降變頻器閉環(huán)控制就是把速度信號反饋到變頻器的輸入端，與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后調(diào)整給定頻率的方法，這種控制比開環(huán)控制要精確。通過給定速度與實(shí)際的編碼器檢測速度進(jìn)行比較；然后變頻器內(nèi)部進(jìn)行自校正。氧槍實(shí)際速度與給定速度誤差很小，幾乎可以忽略，對安全生產(chǎn)、設(shè)備順行起到良好保障。

（2）開環(huán)控制

開環(huán)控制即輸出不參與輸入調(diào)整、控制。僅靠操作工人為肉眼觀察卷筒實(shí)際卷動(dòng)距離與畫面絕對值編碼器反饋槍位高低來判斷，對于氧槍速度、槍位有著較高要求的轉(zhuǎn)爐吹煉顯然無法滿足需求。

同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，閉環(huán)控制具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

（3）、AB700S系列變頻器速度模式閉環(huán)控制

速度模式是指變頻器以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速為目的，此時(shí)電機(jī)的力矩必須為保持該速度而調(diào)整。所以控制系統(tǒng)中外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。采用開環(huán)控制，則電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度是通過電壓、電流及電機(jī)模型計(jì)算出來的，所以其速度精度差，所以開環(huán)速度控制只用在對低頻速度和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)不高的場合。閉環(huán)速度控制由于使用了編碼器，速度、轉(zhuǎn)子位置可以通過編碼器直接測量，所以速度精度開環(huán)，但增加了編碼器帶來了故障點(diǎn)和成本增加，所以有些對精度要求不高的場合不使用閉環(huán)速度控制，反之則必須使用閉環(huán)速度控制。

8、增量型編碼器

要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，最重要的元器件增量型編碼器。5#轉(zhuǎn)爐氧槍電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋至變頻器采用天津宜科100P30-L4PR-1024增量型編碼器。增量型編碼器是氧槍實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的首要設(shè)備，安裝于電機(jī)伸出軸上，隨電機(jī)運(yùn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

增量型編碼器控制線接至變頻器TBI端子，選用5×2×1.0mm2雙絞屏蔽電纜。更換編碼器，問題未得到解決。

9、5#、6#轉(zhuǎn)爐氧槍系統(tǒng)閉環(huán)差異化比較

5#、6#轉(zhuǎn)爐先后于2010年4月、10月投產(chǎn)，氧槍系統(tǒng)雖自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)、施工單位不同，但均采用AB700S系列590A變頻器，增量型編碼器、電抗器、制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻、電機(jī)等均為同廠家、同型號。6#轉(zhuǎn)爐氧槍閉環(huán)控制自生產(chǎn)后一直投入，運(yùn)行平穩(wěn)無故障。排除編碼器本身及編碼器電纜故障后，我們對5#、6#轉(zhuǎn)爐氧槍系統(tǒng)全面進(jìn)行差異化比較，先后檢查發(fā)現(xiàn)僅現(xiàn)場隔離柜至電機(jī)電纜存在差異。

10、變頻器電纜敷設(shè)要求及干擾原因

變頻器電纜敷設(shè)要求極高，主要有以下幾點(diǎn)：

（1） 只能使用銅芯電纜，且絕緣厚度不能≤0.4mm.

（2） 當(dāng)電纜敷設(shè)路徑經(jīng)過高溫區(qū)域（≥75℃）時(shí)，應(yīng)提高電纜防護(hù)等級。

（3）無論任何場合，應(yīng)盡量避免使用很長的平行布線方式。

（4）當(dāng)電機(jī)至變頻器距離大于30米時(shí)，必須使用屏蔽電纜。

結(jié)論：5#轉(zhuǎn)爐氧槍墜落后，我們進(jìn)行持續(xù)觀察、實(shí)驗(yàn)，分析出墜槍原因。通過修改氧槍點(diǎn)吹轉(zhuǎn)速，將變頻器激活信號Active串入抱閘控制，規(guī)范操作，并成功解決編碼器信號干擾，將變頻器由開環(huán)控制改為閉環(huán)控制，使氧槍設(shè)備保證本質(zhì)安全。