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1 引言
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)自主建設(shè)了相當(dāng)數(shù)量的中大型轉(zhuǎn)爐（80t~150t級(jí)）。基于轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置的工藝特點(diǎn)（頻繁地啟動(dòng)、制動(dòng)和加減速）、氧槍的工藝要求（快速自由升降、較高的定位精度），考慮到交流電動(dòng)機(jī)自身的優(yōu)點(diǎn)、電力電子/微電子技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用日趨成熟，交流變頻技術(shù)在這些中大型轉(zhuǎn)爐上得到了更多的應(yīng)用。甘肅某鋼鐵公司新建的三座120 t轉(zhuǎn)爐就采用了交流變頻技術(shù)。
2 控制系統(tǒng)的組成
本系統(tǒng)采用Rockwell公司的ControlLogix 1756-L55控制器（以下簡(jiǎn)稱CLXD）作為控制主站。一方面，CLXD通過(guò)ControlNet與轉(zhuǎn)爐本體控制器（以下簡(jiǎn)稱CLXM）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，CLXM發(fā)出設(shè)備起停的控制指令、給定速度，CLXD實(shí)時(shí)反饋?zhàn)冾l裝置的具體參數(shù)、報(bào)警信息在HMI上顯示。另一方面，CLXD下掛六臺(tái)1336 Force變頻裝置，通過(guò)控制網(wǎng)ControlNet控制每一臺(tái)裝置的運(yùn)行。將傾動(dòng)氧槍變頻裝置的控制與轉(zhuǎn)爐本體其余設(shè)備的控制分開(kāi)，編程、調(diào)試、維護(hù)、查找故障都較為方便。四臺(tái)傾動(dòng)電機(jī)的變頻裝置通過(guò)D2D通訊實(shí)現(xiàn)裝置之間的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.1。
轉(zhuǎn)爐的容量為120t，采用全懸掛式的四點(diǎn)嚙合的結(jié)構(gòu)形式，由4臺(tái)交流變頻電機(jī)拖動(dòng)。每臺(tái)電機(jī)都由一臺(tái)1336 Force變頻裝置供電，四臺(tái)變頻器拖動(dòng)四臺(tái)電機(jī)在轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)時(shí)均衡分擔(dān)負(fù)載。考慮到檢修的方便，每臺(tái)變頻裝置的出線側(cè)均設(shè)置了輸出接觸器用于形成電氣回路上的可靠斷點(diǎn)。兩套氧槍卷?yè)P(yáng)電機(jī)各設(shè)置一套1336 Force變頻裝置。為達(dá)到一定的控制精度要求、提高低速時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，每臺(tái)電機(jī)上均設(shè)置了一個(gè)增量型速度編碼器。作為速度反饋值，該信號(hào)直接進(jìn)入變頻裝置。
在生產(chǎn)過(guò)程中，如果傾動(dòng)電機(jī)或是變頻裝置發(fā)生故障，為保持生產(chǎn)的連續(xù)性，電機(jī)容量及變頻裝置容量的選擇已能滿足三臺(tái)電機(jī)生產(chǎn)時(shí)能保證一個(gè)班次的正常生產(chǎn)、兩臺(tái)電機(jī)生產(chǎn)時(shí)能維持一個(gè)爐次的正常生產(chǎn)的情況。如果氧槍電機(jī)或變頻裝置在該氧槍處于工作狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)故障，通過(guò)設(shè)置兩組機(jī)械互鎖的接觸器實(shí)現(xiàn)兩套變頻裝置與兩臺(tái)電機(jī)之間的任意組合，實(shí)現(xiàn)該爐次的正常吹煉。由于1336 Force是一種高性能的矢量變頻裝置，在無(wú)速度反饋時(shí)仍具有較好的控制精度（1%），變頻裝置在切換時(shí)采用開(kāi)環(huán)控制。這樣，既避免了易受干擾的編碼器信號(hào)的復(fù)雜切換，又保證了可以接受的控制精度。單線系統(tǒng)圖見(jiàn)圖2.2。
由于轉(zhuǎn)爐的四臺(tái)電機(jī)屬于剛性連接、機(jī)械速度一致，這樣就要求控制電機(jī)的變頻裝置輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)大體一致（各電機(jī)的負(fù)荷差異<10%）。為滿足負(fù)荷平衡的要求，本系統(tǒng)采用主從控制的傳動(dòng)控制系統(tǒng)。四臺(tái)電機(jī)中任選一臺(tái)做為主裝置，主裝置接收CLXM發(fā)出的控制指令、速度要求，采用速度控制模式，該電機(jī)的編碼器反饋用于閉環(huán)控制。其余三臺(tái)變頻裝置均為從裝置，采用轉(zhuǎn)矩控制模式，從裝置的編碼器反饋用于速度限幅。通過(guò)Drive to Drive 通訊，裝置之間得以實(shí)現(xiàn)最快2mS、最大500k/S的數(shù)據(jù)通訊。主裝置采用速度控制，使得電機(jī)的速度能夠動(dòng)態(tài)跟隨；從裝置采用轉(zhuǎn)矩控制，使得四臺(tái)電機(jī)的出力保持平衡。
基于安全控制的考慮，轉(zhuǎn)爐在運(yùn)行過(guò)程中如果主變頻裝置或是主電機(jī)出現(xiàn)故障，從裝置立即會(huì)因通訊故障而停機(jī)。操作人員進(jìn)行故障確認(rèn)后，可以通過(guò)人工選擇主變頻裝置或是控制系統(tǒng)自動(dòng)重新選擇主裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)繼續(xù)生產(chǎn)。這樣既保證了設(shè)備的安全運(yùn)行又不會(huì)影響正常的生產(chǎn)。
傾動(dòng)裝置與氧槍均是位能負(fù)載。轉(zhuǎn)爐回垂直位或是氧槍下放時(shí)，電動(dòng)機(jī)均工作在發(fā)電狀態(tài)，多余的能量必須釋放。本系統(tǒng)通過(guò)配備制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻實(shí)現(xiàn)能量的自動(dòng)釋放，以保證變頻裝置的直流母線電壓維持在正常的范圍。根據(jù)制動(dòng)電阻阻值的計(jì)算以及對(duì)負(fù)載的分析，傾動(dòng)電機(jī)及氧槍電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)。從安全的角度考慮，制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻均選擇了兩套。
國(guó)內(nèi)的中大型轉(zhuǎn)爐一般采用正負(fù)力矩進(jìn)行力矩設(shè)計(jì)。從力矩分析及生產(chǎn)的情況來(lái)看，轉(zhuǎn)爐在測(cè)溫取樣區(qū)域可能出現(xiàn)負(fù)力矩（見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3]）。因此必須要求電機(jī)的制動(dòng)器在電機(jī)輸出足夠的轉(zhuǎn)矩后才允許打開(kāi)，使?fàn)t體不至于產(chǎn)生回位動(dòng)作和抖動(dòng)。CLXM發(fā)出啟動(dòng)指令后，制動(dòng)器不能立即打開(kāi)。CLXD在判斷變頻裝置的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到一定數(shù)值時(shí)再打開(kāi)制動(dòng)器，爐體就能夠比較平穩(wěn)的啟動(dòng)。CLXM發(fā)出停止指令后，CLXD在判斷變頻裝置的輸出轉(zhuǎn)矩降至一定數(shù)值時(shí)再關(guān)閉制動(dòng)器，就避免了變頻裝置電流過(guò)大或是機(jī)械抖動(dòng)較大的情形。由于制動(dòng)器打開(kāi)前變頻裝置輸出的轉(zhuǎn)矩值取決于給定速度值，在轉(zhuǎn)爐的低速傾動(dòng)區(qū)就必須采用快速勵(lì)磁方式使得輸出轉(zhuǎn)矩盡可能快地達(dá)到要求，以避免低速區(qū)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的情況。
4 控制效果
響應(yīng)時(shí)間短、超調(diào)量小，是對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求。由于轉(zhuǎn)爐的四臺(tái)變頻裝置采用主從控制，那么主裝置的參數(shù)整定對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有著較大的影響。如果主變頻裝置的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，由于爐體傾動(dòng)的特點(diǎn)（兌鐵或出鋼時(shí)需斷續(xù)得電），可能系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)無(wú)法跟隨給定的狀態(tài)；如果主變頻裝置的超調(diào)量較大，那么從裝置驅(qū)動(dòng)的電機(jī)將反復(fù)振蕩。因此，變頻裝置的Ki、Kp、Kf參數(shù)需反復(fù)調(diào)整。圖4.1為經(jīng)過(guò)參數(shù)調(diào)整后以4#變頻裝置為主裝置、現(xiàn)場(chǎng)裝料操作（兌鐵、加廢鋼）結(jié)束后爐體回到垂直位過(guò)程的四臺(tái)電機(jī)的電流曲線。圖中左上方顏色圖例的含義依次為：爐體傾動(dòng)角度、1#變頻裝置的輸出電流（4096對(duì)應(yīng)著電機(jī)的額定電流）、2#變頻裝置的輸出電流、3#變頻裝置的輸出電流、4#變頻裝置的輸出電流。
圖4.1 各變頻裝置電流曲線（爐體傾動(dòng)角度）
5 結(jié)束語(yǔ)
由于1336 Force變頻裝置自身的強(qiáng)大功能----定向磁場(chǎng)控制、零速滿力矩的輸出、方便的主從切換，再通過(guò)合適的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)定，較好地解決了驅(qū)動(dòng)位能性負(fù)載的問(wèn)題，在調(diào)試過(guò)程中有效地避免了爐體傾覆、氧槍墜槍等情況。該系統(tǒng)自2005年4月投入運(yùn)行以來(lái)（目前轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)已達(dá)產(chǎn)），一直運(yùn)行良好，用戶非常滿意。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)