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張躍   戴峻浩

1  引言

    漣鋼在2000年將原來3座15t的小轉爐淘汰后，新上了2座90t轉爐。煉鋼生產全過程由PLC控制，采用全交流變頻傳動。氧槍自動控制系統是其中一個重要的子系統，它擔負著對從轉爐頂部進行吹氧冶煉的氧槍的升降控制。該自控系統自投運后，通過不斷完善與改進，目前已完全滿足安全運行和生產要求。本文旨在簡要概述系統原理和工作過程，著重介紹對系統安全運行影響最大的兩個關鍵問題-氧槍鋼絲繩斷裂和鋼絲繩更換困難的改進。

2  氧槍升降系統概述

(1)轉爐氧槍升降裝置

圖1  轉爐氧槍升降裝置示意圖

    每個轉爐均有互為備用的兩套氧槍升降裝置，當其中一支氧槍出現故障或燒槍時，立即進行移槍操作，用另一支氧槍進行煉鋼。每支氧槍的驅動系統是獨立的，而其控制系統公用。單支氧槍的結構示意簡圖見圖1。每套系統都是由電氣室內的PLC控制獨立的變頻器，再由變頻器驅動各自的氧槍升降電動機工作，電動機通過減速機帶動氧槍鋼絲繩滾筒運轉，鋼絲繩牽引著裝有氧槍的小車在固定的軌道上進行升降運動。為了將氧槍小車的位置信號反饋給PLC，在電機另一端裝有氧槍高度編碼器，在減速機另一端裝有凸輪控制器。為了控制氧槍不至于沖頂或墜地，另外在氧槍的活動軌道上方還有兩個機械上極限限位，在氧槍的固定軌道上還裝有一個機械下極限限位。為了檢測鋼絲繩是否松馳，在鋼絲繩的另一端裝有張力檢測傳感。

(2)氧槍自動控制

    整個氧槍自控系統是由西門子S7-400的PLC進行控制的。操作室手柄發出的提槍或下槍指令傳入PLC的模擬量輸入模塊時，同時檢測氧槍升降的條件是否具備，包括張力是否正常、最高點或最低點是否工作，其它條件是否滿足下槍或提槍條件，如不具備條件則氧槍不工作，如條件具備則給變頻器發出運行信號，變頻器控制電機正常工作，同時反饋力矩或電流值給PLC，與電動機同軸的編碼器和減速機上的凸輪控制器反饋氧槍高度信號，從而確保氧槍安全運行。

(3)程序控制過程

圖2  程序控制流程框圖

控制流程框圖如圖2所示：
第一步 判斷操作手柄是否有操作信號輸入；
第二步 判斷外部條件是否允許氧槍工作；
第三步 判斷氧槍張力是否正常；
第四步 判斷氧槍上升時開閉器最高點是否有信號到達，判斷氧槍下降時開閉器最低點是否有信號到達；
第五步 判斷氧槍軌道上的最高點機構限位信號是否到達，判斷氧槍軌道上的最低點機構限位信號是否到達；
第六步 輸入氧槍工作信號到變頻器輸入端子，控制電機工作。

3  原系統隱患及不足分析

(1)氧槍鋼絲繩斷裂現象

    第一次鋼絲繩斷裂出現在2001年初，鋼絲繩在離固定張力傳感器的首端僅約2m處整齊地斷裂，氧槍直線下墜高度達23m，高層框架22m平臺處氧槍底座被撞變形，大梁被撞彎變形。

    第二次鋼絲繩斷裂出現在2003年5月，氧槍鋼絲繩放松后，掛在抱閘架上，部分鋼絲繩絞在一起，鋼絲繩滾筒移位約20mm。

(2)鋼絲繩斷裂原因分析

    第一次斷鋼絲繩的原因，筆者分析認為，除氧槍開閉器因質量問題未及時被發現，及操作人員未認真操作而發現異常現象外，最主要的原因是程序設計存在問題。氧槍上升到達開閉器最高點位置時，因開閉器最高點限位損壞而不起作用，故電機仍能進行提升操作。上升到達上機械極限B點后，雖能發出信號，但由于程序中無自保功能，故當氧槍由于慣性沖過此點后，電機能再進行提升操作，同樣的原因使氧槍在經過機械極限A后，電機再進行提升操作。因此，氧槍程序設計時設置的最高點停槍的三重保護一個也沒有起作用，以致氧槍高速撞擊緩沖器。因其力度大，速度快，緩沖器來不及緩沖，導致鋼絲繩被拉斷。

    為了證實此原因，筆者在停產進行設備檢修時，對氧槍的慣性問題進行了驗證。在控制氧槍升降的程序中，增加一條氧槍下降到一定高度時自動停車程序，但氧槍實際多下降了800mm才停車，后再增加一條氧槍上升到一定高度時停車的程序，但氧槍實際也多上升了800mm時才停車。即不論氧槍上升還是下降，從發出信號到實際停車，氧槍均要工作800mm的行程，而機械限位的信號碰塊長度不到100mm，這說明如果開閉器的最高點不起作用的話，氧槍小車經過機械限位A、B時，由于程序設計此兩個限位信號均只是瞬間起作用，故氧槍一定會沖過去而不會因此停車。

    第二次斷鋼絲繩的原因分析。檢查發現檢測氧槍張力數據的模塊出現了系統故障，不管實際氧槍張力傳感器發出的兩個張力值是多少，模塊秤發出的張力信號分別固定為1 645kg和1 724kg，其值一直固定不變，觀察一號爐另一支槍（西槍）即使在固定不動時，其張力值也時刻有10kg左右的變化。根據程序分析，氧槍張力只有在高于2 500kg或低于800kg時，才對氧槍的升降控制進行制約。由于張力稱重模塊發出的信號始終在二者之間，故此時張力不對氧槍進行制約，當氧槍由于外因而動不了時，如有下槍信號，則氧槍小車不動，但電機仍可工作，而鋼絲繩滑出滾筒絞亂，從而導致了鋼絲繩斷裂的現象發生。更換張力模塊后，一切恢復正常。
為了證實氧槍鋼絲繩可以被拉斷，筆者查閱鋼絲繩手冊得知氧槍每根鋼絲繩（Φ19mm）的最大拉斷力為20.8t左右，而當氧槍在電機牽引力下被迫突然停車時，根據能量守恒和動量守恒，筆者計算出每根鋼絲繩所受的牽引力為29t，故鋼絲繩一定會斷裂。

(3)鋼絲繩更換困難

    由于氧槍鋼絲繩磨損較大，為保安全運行，轉爐廠規定鋼絲繩使用半年后必須更換。由于原設計時兩套氧槍的控制系統是公用的，故認為氧槍在備用位置不能進行控制，因此每次更換氧槍時，均必須靠人工進行。撬起電機抱閘機構后，手動盤動電機與減速機之間的靠背輪，通過減速機帶動滾筒轉動，從而將滾筒上的鋼絲繩松開或繞緊。此過程的工作量及工作強度非常大，特別是在炎熱的天氣，曾導致多人次暈倒在工作平臺上。

    經對系統的全面分析，筆者認為既然兩支氧槍的驅動系統各不相同，就可控制其電機同時工作。考慮到氧槍在正常工作時，45m平臺操作箱的轉換開關轉在操作臺，由操作臺上的操作手柄控制工作槍的升降，而此時氧槍操作箱上的升降點動按鈕不起任何作用，故可考慮在此時操作點動升降按鈕來控制備用位置的氧槍工作與否。

4  程序編制

    通過對以上故障及系統存在缺陷的分析，筆者與技術員一起，對程序進行了修改調試，投運以來再沒有上述故障出現。

4.1 針對第一次斷鋼絲繩故障的程序修改

(1)  在PLC程序中增加一個中間繼電器，當機械限位工作時，讓此中間繼電器將機械限位的信號自保；
(2)  用增加的PLC內部中間繼電器的節點代替原機械限位的節點，串于控制程序中；
(3)  利用氧槍下降到一定高度發出的信號對中間繼電器的自保點進行解鎖。

    程序進行修改后，當氧槍上升到第一個限位后，由于限位信號自保后一直起作用，小車即使沖過此限位，電機還是不能進行提升操作。只有在下槍到氮封點以下時才能再次提槍。實際證明，此程序投入運行后，不僅克服了斷鋼絲繩的問題，同時解決了經常出現的氧槍沖頂導致氧槍標尺碰塊撞壞的現象。

4.2 針對第二次斷鋼絲繩故障的程序修改

(1)  利用氧槍工作時發出的信號，加上一個1s的脈沖繼電器，與計數器一起組成一個5s的計數計時器；
(2)  每隔1s，將氧槍張力模塊發出的數據送入一個中間數據塊并保持；
(3)  將5s內的5個張力中間數據進行比較，如全部相等，則立即報警，延時3s后如張力仍無變化，則強行使氧槍不工作。

    程序進行修改后，在其后2#爐東槍的張力模塊出現同樣的問題時，因及時報警停槍，成功地避免了鋼絲繩斷裂的事故。

4.3 針對氧槍更換鋼絲繩困難的程序修改

(1)  分別建立東西槍換鋼絲繩的各自的功能塊，并當另一支槍在工作位時進行調用；
(2)  利用操作箱上的提槍和下槍的點動按鈕，對備用槍的變頻器輸入一個小轉速的控制信號；
(3)  當變頻器力矩建立后，打開抱閘等，使電機受控運行。

    此程序投入使用后，維修工人更換氧槍鋼絲繩時，只需在操作箱上按升降按鈕即可使鋼絲繩退出或卷入滾筒之中，因此整個工作量及工作強度均減少到了三分之一左右，且有效地防止了人聲設備事故。

5  結語

    轉爐氧槍控制是一個安全性可靠性要求極高的系統，稍有不慎即可釀成大禍。筆者在認真仔細研究了系統原理和現場實況，針對幾次事故的分析并詳細計算之后，對系統進行了改進和程序修改，實踐證明是非常有效的。目前氧槍運行十分可靠，未再出現墜槍之類的事故，有力保證了生產，極大的減輕了維護維修的工作強度，按一次墜槍損失80萬元計算，其經濟效益是相當可觀的。

參考文獻：
[1]  羅振才主編. 煉鋼機械（第二版）[M]. 冶金工業出版社, 2001.
[2]  編寫組編. 電氣工程師手冊[M]. 機械工業出版社, 2000.
[3]  SIMATIC S7-400使用手冊.
[4]  戴峻浩主編. 電子技術基本教程(1), (2)[M]. 兵器工業出版社, 1992.