王應(yīng)偉

（廣西盛隆冶金有限公司，廣西 防城港 538000）

1 前言

在高爐生產(chǎn)過程中，冶煉操作人員通過探尺來探測高爐內(nèi)礦石和焦炭等原料的料面位置，以了解判斷爐內(nèi)料面情況及爐況，從而控制礦石與焦炭等物料向爐內(nèi)布料，因此探尺的可靠運(yùn)行是高爐順利運(yùn)行的前提和保障。

高爐探尺控制方式是交流變頻矢量控制，采用交流變頻器控制交流異步電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)探尺提放，提尺過程采用速度控制方法，放尺過程前期采用速度控制和后期采用轉(zhuǎn)矩控制方法。目前交流變頻矢量控制技術(shù)的成熟應(yīng)用，使得某些交流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)已經(jīng)媲美甚至超過了直流調(diào)速系統(tǒng)。

傳統(tǒng)控制方式的探尺系統(tǒng)存在諸多問題與不足，這與現(xiàn)代煉鐵提倡的精確、高效、智能化的工藝要求嚴(yán)重背離。隨著PLC和變頻技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，尤其是基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的新一代自動化總線標(biāo)準(zhǔn)PROFINET獲得廣泛地應(yīng)用，交流變頻應(yīng)用在自動探尺控制方面，很好地解決了這一矛盾。

2 探尺控制原理

高爐探尺大多數(shù)為鏈條式結(jié)構(gòu)，鏈條纏繞在卷筒上，鏈條下端掛著重錘，鏈條隨重錘進(jìn)入高爐內(nèi)部，通過電機(jī)驅(qū)動控制鏈條卷筒轉(zhuǎn)動從而使重錘上升下降，抱閘裝置配合探尺的提、放尺動作進(jìn)行打開和閉合。

在實(shí)際工作中探尺有提尺、放尺和料面跟隨3種工作模式。當(dāng)探尺檢測高爐內(nèi)料面下降至設(shè)定料線且具備提尺條件時，探尺自動提至零位，料罐內(nèi)的礦石或焦炭開始布料。待布料完成后探尺按設(shè)定速度向下放尺探測料面位置，當(dāng)探尺重錘探到料面后，受料面支撐探尺速度減為零，開始料面跟隨模式，隨料面下降，直到再次料面下降至設(shè)定料線且具備提尺條件時，探尺自動提尺。如此循環(huán)往復(fù)，使料面穩(wěn)定在工藝設(shè)定的高度。

2.1 提尺過程控制

當(dāng)要對高爐爐內(nèi)放料時，必須先將探尺重錘提起至零位，這一過程為提尺操作。提尺操作時，變頻器工作模式為轉(zhuǎn)速控制，要求工作穩(wěn)定、快速，同時特殊情況下要有緊急提尺功能，在達(dá)到零位時能夠準(zhǔn)確及時停尺，不能出現(xiàn)過沖或者溜尺。提尺時靠電機(jī)力矩把探尺提起來，電機(jī)力矩Md方向向上，探尺鏈條的重力Ml、探尺重錘的重力Mc、機(jī)械摩擦阻力Mz的方向向下。電機(jī)力矩關(guān)系為：Md≥Mc+Ml+Mz。

電機(jī)拖動重錘及鏈條提升，探尺開始按照PLC給定的速度高速提尺，當(dāng)探尺距離零位還有0.2 m時，降低PLC 給定的提尺速度，以確保停位準(zhǔn)確。當(dāng)探尺提升到零位時，PLC收到到位信號后結(jié)束提尺命令，變頻器封鎖，抱閘失電閉合，探尺便停止于零位位置。

2.2 放尺過程控制

當(dāng)料罐向高爐爐內(nèi)放完料后，需要向下放探尺以對料面進(jìn)行測量，這一過程為放尺操作。放尺要求平穩(wěn)順暢，不能出現(xiàn)過速慣性沖尺或卡頓等現(xiàn)象。探尺向下放是通過鏈條與重錘的自身重力來實(shí)現(xiàn)的，為克服起始放尺時減速機(jī)、抱閘等設(shè)備的機(jī)械靜摩擦阻力，使探尺盡快建立下放的初始速度，放尺開始時變頻器處于轉(zhuǎn)速控制模式，帶動卷筒放下鏈條和重錘。此時摩擦阻力Mz與電機(jī)驅(qū)動力矩Md方向向上，重錘及鏈條的重力方向向下，探尺以PLC 程序給定的速度快速下落。為防止探尺急速撞擊料面造成沖尺、倒尺，待探尺深度快達(dá)到料線時，PLC 給定的探尺速度減小，整個過程力矩關(guān)系為：Md+Mz≤Mc+Ml。探尺處于放尺狀態(tài)時，電機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)重錘勻速下放時，力矩關(guān)系為：Md+Mz=Mc+M。電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，為制動轉(zhuǎn)矩，電機(jī)處于制動狀態(tài)。

2.3 探尺料面跟隨模式過程控制

在探尺重錘到達(dá)料面后，重錘立于料面，要求靈敏且測量準(zhǔn)確，不能出現(xiàn)卡尺、倒錘、埋尺的現(xiàn)象，否則會影響料線實(shí)際數(shù)據(jù)，嚴(yán)重時會造成鏈條斷裂或重錘燒毀；要求及時跟隨料面下降，不能發(fā)生探尺響應(yīng)慢及重錘懸浮的現(xiàn)象，導(dǎo)致探尺不能真實(shí)反饋料面的實(shí)際高度，影響高爐生產(chǎn)。

探尺勻速向下接觸到料面時，力矩關(guān)系為Md+Mz+Mf=Mc+Ml，在方向向上的料面和煤氣流支撐力Mf的作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)矩Md迅速變小，通過變頻電機(jī)轉(zhuǎn)矩的突變，判斷探尺是否到達(dá)料面并將變頻器自動切換到力矩控制，此時PLC給變頻器設(shè)定轉(zhuǎn)矩給定值。探尺減速過程中會對料面有一定沖擊，從而出現(xiàn)倒尺的現(xiàn)象，因此必須由一短時向上的較大力矩Md將鏈條和重錘拉直，力矩關(guān)系為：Md+Mf＞Mc+Ml+Mz。

重錘和鏈條被拉直后，PLC再給定變頻器一個具有鏈條重力和放尺速度補(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)轉(zhuǎn)矩Md拉住重錘和鏈條，其中補(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)轉(zhuǎn)矩與料線高度（鏈條長度或重量）、放尺速度成比例關(guān)系，從而保證重錘能夠自動跟隨料面下降，力矩之間的關(guān)系為Mz+Mf+Md=Ml+Mc。

如果高爐爐況不順，發(fā)生塌料爐內(nèi)料面瞬間下降時，由于料面和煤氣流支撐力MF突然消失，力矩關(guān)系為Md+Mz＜Mc+Ml，重錘就會慣性下沖，PLC 檢測出電機(jī)轉(zhuǎn)速或探尺下降速度增大，判斷料面突然下降，同時由于放尺速度變大和鏈條變長導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償變大，速度越大則電機(jī)驅(qū)動力矩Md越大，變頻轉(zhuǎn)矩工作模式下實(shí)現(xiàn)探尺類勻速下降，到料線后Mf起作用，同時由于速度沒有瞬間到零，較大的電機(jī)轉(zhuǎn)矩Md將鏈條和重錘拉直，從而開啟探尺料面跟隨模式。

3 探尺控制硬件系統(tǒng)

探尺控制柜內(nèi)變頻器選用西門子SINANICS S120 系列，通過動力變頻電纜與現(xiàn)場變頻電機(jī)連接。控制單元為CU310-2PN，通過PROFINET連接到爐頂主PLC，PLC 可通過通訊報(bào)文獲得矢量變頻器實(shí)時轉(zhuǎn)矩電流、輸出頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)［1］。制動單元和制動電阻，用于消耗放尺時直流母線的多余能量，以保證變頻器正常工作。進(jìn)線設(shè)主回路合閘接觸器和快速熔斷器，變頻器主回路進(jìn)出口均設(shè)有平波電抗器起到保護(hù)和凈化電源、消除諧波的作用。

將帶PN接口的絕對值編碼器與探尺減速機(jī)連接，爐頂主PLC通過PROFINET線纜連接并讀取絕對值編碼器的實(shí)時數(shù)據(jù)，計(jì)算出探尺的實(shí)際深度，從而達(dá)到測量料線深度的目的，同時對不同長度的重錘鏈條進(jìn)行力矩的補(bǔ)償。與變頻電動機(jī)同軸連接的增量型編碼器，使用屏蔽雙絞線連接到變頻器X23 接口，用于S120 變頻器的測速、調(diào)速和轉(zhuǎn)矩控制，從而實(shí)現(xiàn)變頻器的閉環(huán)控制。通過變頻器自帶DI、DO、AI、AO，用硬接線的方式連接外部的信號。探尺旁各安裝1臺現(xiàn)場操作箱，便于設(shè)備維護(hù)檢修和調(diào)試。主控室安裝緊急操作箱1臺，用于故障時緊急提尺。

4 探尺控制系統(tǒng)參數(shù)

4.1 變頻器接線方式關(guān)鍵參數(shù)

變頻器控制單元自帶的DI、DO、AI、AO用硬接線連接外圍控制回路的信號，變頻器X23接口連接增量型編碼器采集電動機(jī)速度。變頻器通過接線方式實(shí)現(xiàn)控制的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 變頻器接線方式關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

4.2 變頻器PN通訊方式關(guān)鍵參數(shù)

爐頂主PLC 通過PROFINET 連接方式連接S120控制單元CU310-2PN上的PN接口進(jìn)行通訊，以此來實(shí)現(xiàn)PLC 系統(tǒng)與變頻器之間的數(shù)據(jù)交換。變頻器通過PN通訊方式實(shí)現(xiàn)控制的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 變頻器PN通訊方式關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

5 結(jié)語

廣西盛隆冶金有限公司在2 725 m3高爐探尺調(diào)試時，為防止零位放尺時抱閘一打開出現(xiàn)探尺卡尺現(xiàn)象，抱閘一打開時就給一定的初始速度，快到料面時減小放尺速度，從而減小重錘對料面倒尺沖擊。料面跟隨過程中采用料線高度和速度雙補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩給定模式，通過變轉(zhuǎn)矩工作方式，實(shí)現(xiàn)防倒尺和穩(wěn)定跟尺。該控制系統(tǒng)投入使用后，探尺系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，便于維護(hù)且節(jié)能環(huán)保。