吳建明

(上海梅山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠 江蘇南京 210039)

1 前言

上海梅山鋼鐵股份有限公司3號燒結(jié)機為198平方米帶式燒結(jié)機[1]，采用環(huán)冷機冷卻熱燒結(jié)礦的方式，日產(chǎn)燒結(jié)礦6060t。為了實現(xiàn)節(jié)能減排升級改造，實現(xiàn)帶燒熱燒結(jié)礦的余熱回收，公司決定對3號燒結(jié)機進行改造，使用豎冷爐冷卻熱燒結(jié)礦及余熱回收工藝[2]，該工藝是一項新型工藝技術(shù)。豎冷爐冷卻熱燒結(jié)礦及余熱回收工藝技術(shù)的核心是在完成燒結(jié)礦冷卻的同時，實現(xiàn)對燒結(jié)礦顯熱的高效極限回收。作為一種燒結(jié)礦新型冷卻工藝，避免了機上冷卻、環(huán)冷、帶冷等傳統(tǒng)冷卻工藝密封困難、揚塵散熱嚴(yán)重等缺點，并具有熱回收效果顯著、占地面積較小、設(shè)備維護量小的優(yōu)點，是實現(xiàn)燒結(jié)礦冷卻和高效回收的先進技術(shù)。梅鋼3號燒結(jié)廠區(qū)位置較為緊湊，采用豎冷爐工藝技術(shù)平面布置更為合理。采用豎冷爐冷卻熱燒結(jié)礦新工藝，通過收集冷卻熱燒結(jié)礦所產(chǎn)生的高溫廢氣,經(jīng)余熱鍋爐生產(chǎn)中壓和低壓蒸汽，使燒結(jié)礦顯熱得到最大限度的回收。

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備布置情況，采用單料車卷揚機上料系統(tǒng)[3]，實現(xiàn)熱破碎燒結(jié)礦的裝爐工藝過程。為消除尖峰負(fù)荷并降低運行電耗，配置了料車配重系統(tǒng)設(shè)備,配重小車及斜橋。

2 卷揚設(shè)備系統(tǒng)配置及控制方式改進情況

卷揚裝置的設(shè)備組成如圖1所示。包括了卷筒、電機、減速機、制動器、底座等，布置于豎冷爐和皮帶通廊之間的地坪上。卷揚機控制與燒結(jié)機下料管閘門、豎冷爐頂部料倉料位等連鎖控制，由PLC按設(shè)定程序控制作業(yè)，可以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)自動控制。在卷筒上帶測速裝置，安裝兩臺安全制動器。安全制動器配套專用液壓站、PLC；在傳動或工作制動器失效時，就能將料車安全停住，起到安全保護作用。

圖1 卷揚系統(tǒng)設(shè)備組成示意圖

料車通過鋼絲繩牽引實現(xiàn)沿固定軌道的運行。料車運行過程具有自動上料、自動卸料、自動返回的功能；根據(jù)燒結(jié)臺車的容積確定基本的料車容積和循環(huán)周期。料車卷揚機控制方式包括手動控制和自動控制，上料小車控制包括上行控制和下行控制，光電編碼器采集料車的位置信號，料車通過變頻電機控制，包括上行低速，上行加速，上行高速，上行減速，頂部倒料位停止；下行低速，下行加速，下行高速，下行減速，受料位停止完成一次循環(huán)過程；料車到達底部后，卸料斗閘門打開小車受料，裝料完成后閘門關(guān)閉料車起動上升，開始下一個循環(huán)過程。

系統(tǒng)原設(shè)計使用兩個主令控制器來進行料車的上行和下行的行程控制，使用增量式編碼器來實現(xiàn)料車實際位置的檢測，并將檢測到的料車實時位置信息接入PLC系統(tǒng)，在HMI畫面上顯示，然而并未用編碼器數(shù)據(jù)做控制。筆者在調(diào)試過程中對幾個地方做了優(yōu)化和改進。首先是原設(shè)計西面主令控制器負(fù)責(zé)料車上行控制，東面主令控制器負(fù)責(zé)料車下行控制，不是很合理，所以進行了改進，改為東西面主令控制器均控制料車的上下行過程，這樣的話，系統(tǒng)的可靠性更高，如果其中一個主令控制器發(fā)生故障，另外一個還起作用，不會造成料車的失控，系統(tǒng)安全性提升一個檔次。但是在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，因為該主令控制器為國產(chǎn)，而且非主流品牌，產(chǎn)品質(zhì)量存在缺陷，出現(xiàn)了斷軸等嚴(yán)重產(chǎn)品質(zhì)量問題。由此引發(fā)了筆者對該產(chǎn)品后期長期運行時穩(wěn)定性的擔(dān)憂，于是筆者提出了一個改進優(yōu)化方案。

改進方案第一步，使用原有的增量式編碼器檢測的料車位置數(shù)據(jù)做料車的行程控制；第二步，在西面小齒箱的出軸上再增加一個絕對值編碼器，同樣作為料車行程控制的備用手段；第三步，第二步完成后，料車行程控制就有2個主令控制器和2個編碼器，共4種方式，為了在主令控制器失效的情況下，不影響生產(chǎn)，在控制程序了采取了對4種控制方式采取了分別使能的控制方法，一旦主令控制器出現(xiàn)問題，可以在程序里面快速將其禁用，不對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。在后來的實際生產(chǎn)過程中，確實出現(xiàn)了主令控制器故障，上述方法產(chǎn)生了作用，沒有影響生產(chǎn)。

3 變頻系統(tǒng)的改進及調(diào)試

卷揚系統(tǒng)使用交流變頻電動機，采用ABB ACS880全數(shù)字交流變頻調(diào)速裝置進行調(diào)速控制[4,5]。采用兩套變頻器控制，兩套變頻器一用一備，配套制動器和制動電阻。料車運行的基本參數(shù)見表1，豎冷爐的料車循環(huán)周期根據(jù)設(shè)計要求為112.5s/車，才能夠滿足燒結(jié)機生產(chǎn)的要求，并留出事故狀態(tài)下單臺臺車的容量，防止熱礦溢料影響安全和生產(chǎn)。燒結(jié)臺車翻料節(jié)奏37.5s，正常生產(chǎn)時3臺燒結(jié)臺車的翻料量裝入1個料車(對應(yīng)一個料車運行周期)；特殊情況下允許4臺燒結(jié)臺車的翻料量裝入1個料車(最大量)；此時屬于事故狀態(tài)，料車降頻率減速運行。

表1 料車基本參數(shù)

為了滿足生產(chǎn)的需要，在滿足安全的前提下，盡可能縮短料車運行時間。為了滿足料車112.5s的大循環(huán)周期，刨去料車在底部等待放料時間和頂部倒料時間，料車時間運行時間必須控制在80s以內(nèi)。則料車單次上行或下行運行時間要控制在40s以內(nèi)，根據(jù)表1參數(shù)可以計算出高速段速度須大于1.4m/s，低速段速度須大于0.45m/s，折算成電機轉(zhuǎn)速為高速大于992r/min，低速大于250r/min。

根據(jù)計算結(jié)果，ACS880變頻器的速度控制參數(shù)按照表2所示數(shù)值進行設(shè)置，實際運行時間與期望值基本相符，料車實際運行時間可以控制在80s以內(nèi)。

表2 變頻器速度控制主要參數(shù)

4 料車抱閘的控制方式的改進

在提升類設(shè)備的電氣控制中，常常使用安全接觸器和工作接觸器共同配合來實現(xiàn)抱閘的安全控制[6]，以達到提高安全性目的。圖2中，K1為安全接觸器，K2為工作接觸器。安全接觸器接收來自PLC的指令，正常情況下K1吸合，當(dāng)PLC檢測到如超速，超限，以及變頻器故障等一系列故障時，分開K1，抱閘失電抱住，達到安全控制的要求；還有一種情況便是，制動器打開指令發(fā)出去以后，在指定的時間內(nèi)，PLC未收到制動器打開到位信號，PLC同樣發(fā)出指令，指揮抱閘動作，確保安全。工作接觸器接收來自變頻器的控制信號，同時K2上一副接點引入變頻器作為應(yīng)答信號。采用此雙重保護以后，系統(tǒng)安全性又一次得到提升。

5 編碼器的編程與調(diào)試

光電編碼器從原來的備用手段變成了后期控制料車運行的關(guān)鍵設(shè)備，發(fā)揮了重要作用，主要體現(xiàn)在編碼器的高精度，高可靠性以及數(shù)據(jù)調(diào)整的便捷性。但是在調(diào)試初期也在編碼器上遇到了不少難題。

圖2 料車抱閘控制回路圖

增量式編碼器是原設(shè)計就提供的，作為顯示料車實際位置數(shù)據(jù)的。該設(shè)備采用SSI接口(Synchronous Serial Interface)，SSI使用差分RS422模式，二進制編碼或者Gray編碼格式，其工作原理是由從設(shè)備根據(jù)主設(shè)備所發(fā)送的時鐘信號返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)。調(diào)試初期遇到了編碼器數(shù)據(jù)亂跳不連續(xù)和不穩(wěn)定的情況，起初以為是信號干擾引起的，進行了干擾方面的排查，問題也沒有解決。最后發(fā)現(xiàn)，編碼器與PLC模塊的設(shè)置是引發(fā)問題的關(guān)鍵所在。圖3中，PLC的SSI模塊的SSI Word Filter Control，即濾波設(shè)置最初是設(shè)置為“Max”選項的，正是這個設(shè)置，讓料車在高速運行時的編碼器數(shù)值不隨著料車的移動發(fā)生變化，原因就是因為被濾波了，將此選項設(shè)置為“Off”后，數(shù)據(jù)開始隨著料車移動發(fā)生變化。但是，新的問題又來了，數(shù)據(jù)跳躍很大，不連續(xù)，再次檢查發(fā)現(xiàn)，編碼器使用的Gray碼，如圖3左上角的Code Type為“Gray”，將SSI 模塊的Gray-to-Binary Convert勾選后，編碼器數(shù)值顯示正常。原因就是將編碼器的Gray碼值轉(zhuǎn)換為二進制碼值，才能使我們最終看到的數(shù)值為正常數(shù)值。

圖3 SSI編碼器設(shè)置

圖4 絕對值編碼器數(shù)值預(yù)置

Rockwell公司的842D絕對值多圈編碼器[7]在我公司鐵前系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，使用效果很好，除了精度高，穩(wěn)定性好以外，該產(chǎn)品可檢測多圈圓周運動，使用Devicenet總線，抗干擾能力強，因為是總線連接，所以編碼器的配置也十分方便。編碼器的預(yù)設(shè)值按照常規(guī)情況，是將料車停在一個參考位置，然后技術(shù)人員到現(xiàn)場調(diào)整編碼器數(shù)值。如圖4程序，使用842D編碼器后，可以編寫一段預(yù)置編碼器數(shù)值的程序，這樣技術(shù)人員不必每次都到現(xiàn)場去操作，只要確認(rèn)好料車停止位置，在HMI畫面上就可以將編碼器的數(shù)據(jù)初始化為預(yù)定的數(shù)值，非常便捷。通過MSG指令[8]可以顯式地改變842D編碼器的“Preset”值(初始值)，圖4中Source Element中所存數(shù)據(jù)即為初始數(shù)據(jù)，可以根據(jù)實際需要在HMI畫面進行設(shè)置。

6 結(jié)束語

豎冷爐料車卷揚系統(tǒng)作為關(guān)鍵設(shè)備，在豎冷爐生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，如果發(fā)生故障造成停機，則整個豎冷爐會由此停止生產(chǎn)。所以保持卷揚系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定工作和安全工作是十分必要的。料車卷揚系統(tǒng)經(jīng)過行程控制安全性方面的改進，通過多重行程檢測手段，保證了料車在整個運行行程中不會發(fā)生失控故障；經(jīng)過變頻器系統(tǒng)的改進優(yōu)化，保證了料車整個行程的運行時間控制在生產(chǎn)周期允許的范圍內(nèi)，最大程度滿足生產(chǎn)要求；經(jīng)過料車抱閘系統(tǒng)的改進，繞料車在故障狀態(tài)下能夠及時停車，避免發(fā)生事故，提升了料車運行的安全性。經(jīng)過多方面的優(yōu)化改進之后，系統(tǒng)的可靠性，穩(wěn)定性得到了極大的提升，系統(tǒng)從2018年初投入運行以來，未出現(xiàn)任何問題，運行情況良好。