ABB直流調(diào)速系統(tǒng)在高爐探尺控制中的應(yīng)用

潘金華

（攀鋼煉鐵廠，四川攀枝花617022）

1 引言

高爐要實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運行，爐喉料面保持平穩(wěn)的料線，是確保精確布料和高爐正常操作的重要條件。料線過低，會使?fàn)t頂煤氣顯著升高，不利于爐頂設(shè)備正常運行；料線過高，影響料面煤氣分布，甚至造成爐頂布料設(shè)備事故。探尺控制系統(tǒng)是測量爐內(nèi)料面，并實時顯示料線、狀態(tài)，是判斷爐況及布料進(jìn)程的重要設(shè)備，其控制要求速度穩(wěn)定、準(zhǔn)確。曾采用分離插件式可控硅整流模擬控制系統(tǒng)，由于組件受環(huán)境溫度、電磁干擾等影響，裝置調(diào)試、維護(hù)較為困難，系統(tǒng)運行的可靠性難以保障。采用ABB DCS500數(shù)字化直流調(diào)速控制裝置，在實際應(yīng)用中很好地滿足了生產(chǎn)工藝。

2 控制原理

探尺為用鐵鏈吊掛的鑄鋼圓柱重砣，由直流電動機(jī)拖動卷筒，由纏繞在卷筒上的鏈索牽引著重砣，借助于卷筒傳動，控制重砣上升和下降。探尺有三種工作狀態(tài)：提尺、放尺和跟蹤料面。其系統(tǒng)圖及三種狀態(tài)受力分析如圖1所示。Md為電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的牽引力、Mg為重砣重力、Mf為系統(tǒng)摩擦阻力、Mz為料面支撐力。

測量行程由安裝在減速機(jī)軸上的增量編碼器將脈沖信號上傳至上位機(jī)，測量行程大于6m，超極限由主令控制器上的點引至傳動裝置。圖1所示為探尺系統(tǒng)及工作時三種狀態(tài)受力分析示意圖。

圖1 探尺系統(tǒng)及工作時三種狀態(tài)受力分析示意圖

探尺工作三種狀態(tài)控制原理分析如下。

（1）提尺：根據(jù)高爐冶煉工藝，上料系統(tǒng)每向爐內(nèi)布一批料之前，裝置以恒速將重砣提升至電氣零位，避免重砣被掩埋，此時處于提尺狀態(tài)。電動機(jī)正轉(zhuǎn)，工作在第一象限，當(dāng)重砣以勻速上升時，滿足Md＝Mg＋Mf，電動機(jī)電磁力矩和電動機(jī)轉(zhuǎn)向相同，可控硅處于整流工作狀態(tài)，改變給定源，即可控制速度大小和方向，提尺指令及速度給定由應(yīng)用程序功能塊（const ref）輸入，當(dāng)裝置將重砣提升到位時，抱閘線圈失電，電磁抱閘停車。提尺速度為 0.5-0.7m/s。

（2）放尺：每次布料完成后，上位機(jī)發(fā)出放尺指令，抱閘線圈得電，電磁抱閘打開，裝置以恒速將重砣下放至料面，以探測爐內(nèi)料面高度，電動機(jī)反向運行，電機(jī)處于反接制動狀態(tài)，工作在第四象限。當(dāng)重砣勻速下放時，滿足Md＝Mg-Mf，電磁轉(zhuǎn)距與電動機(jī)轉(zhuǎn)向相反，電動機(jī)處于制動狀態(tài)，放尺指令及速度給定由應(yīng)用程序功能塊（const ref）輸入。放尺速度為 0.2-0.3m/s。

（3）跟蹤料面（扶尺狀態(tài)）：重砣下放至料面時，系統(tǒng)處于跟蹤料面過程，電磁抱閘為打開狀態(tài)。當(dāng)檢測料線大于或等于設(shè)定數(shù)據(jù)時，上位機(jī)自動發(fā)出提尺指令；當(dāng)檢測料線小于設(shè)定數(shù)據(jù)時，探尺將自動跟蹤料面，此時Md＝Mg-Mz-Mf，可控硅處于整流工作狀態(tài)。由于爐缸原料被冶煉，料面逐漸下降，Mz減小甚至為0時，在Mg的作用下，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，可控硅又進(jìn)入逆變工作狀態(tài)，重砣繼續(xù)下降，直到重新直立于料面上，最終達(dá)到新的平衡，這一過程稱為探尺跟蹤料面。隨著冶煉的繼續(xù)，探尺裝置不斷地調(diào)整重砣與料面的接觸狀態(tài)，滿足工藝要求。

探尺跟蹤料面的性能是判斷探尺系統(tǒng)好壞的一條重要依據(jù)。如果牽引力偏小，就會發(fā)生倒砣甚至重砣被埋現(xiàn)象，倒砣時，不能真實地測量料面深度；重砣被埋時，提尺過程電機(jī)堵轉(zhuǎn)，甚至造成重砣被燒毀的設(shè)備事故。如果牽引力偏大，重砣就不能實現(xiàn)隨料面跟蹤，發(fā)生重砣懸浮現(xiàn)象，探尺也不能反映料面實際深度。

在設(shè)備調(diào)試時，調(diào)節(jié)直流裝置輸出電磁轉(zhuǎn)矩的大小，決定探尺的扶尺性能。利用ABB DCS應(yīng)用程序功能塊中外部力矩選擇（torq_ref_selection）和速度與力矩切換（tree_hnd）兩個功能塊共同完成。在探尺提升時，采用速度環(huán)控制，為了實現(xiàn)探尺跟蹤料面功能，避免了倒砣現(xiàn)象，在放尺過程中，采用力矩環(huán)控制，跟蹤料面時，其參數(shù)的大小可以根據(jù)實際進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到準(zhǔn)確控制。

3 系統(tǒng)硬件組成

直流裝置的電樞單元采用ABB DCS502B-0050-41傳動模塊，變流器采用可控硅三相全控橋反并聯(lián)邏輯無環(huán)流整流結(jié)構(gòu)，6脈沖、4象限運行。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置的脈沖相位，改變整流輸出電壓，實現(xiàn)電動機(jī)的平滑調(diào)速。柜內(nèi)配有直流抱閘整流單元，控制現(xiàn)場抱閘線圈，抱閘線圈得電，電磁抱閘打開，失電時功能相反。抱閘整流單元型號為NDPA-50A/220V-M，電磁抱閘吸合電壓DC220V，保持電壓DC22-220V連續(xù)可調(diào)。用2套傳動裝置來分別控制2臺探尺直流電機(jī)（4kW），電機(jī)型號：Z3-52，額定功率：4kW，電樞額定電壓 220V，額定電流 22.3A，轉(zhuǎn)速：1000rpm；最大勵磁電流 5A；他勵方式。

ABB DCS500傳動裝置由上位機(jī)控制，上位機(jī)輸出信號到DCS500的I/O接口端子。電樞單元電源為交流AC380V電壓，直流輸出電流范圍為0-50 A，勵磁單元供電電源為AC220V，勵磁輸出電流為3-16 A，ABB DCS500數(shù)控裝置主要組件型號如下：

（1）電源板SDCS-POW-1：為主控制板及I/O接口板提供直流電壓。

（2）主控制板SDCS-CON-2：控制板上裝有七段數(shù)碼顯示器，用于顯示傳動裝置的狀態(tài)；系統(tǒng)程序和參數(shù)值保存在閃速存儲器D33和D34中，應(yīng)用功能塊和參數(shù)值保存在閃速存儲器D35中。ABB DCS500主要測量和控制功能在ASIC中完成，其主要功能與控制板通訊（RS485）、與勵磁單元通訊（RS485）、測量、看門狗功能、A/D和D/A轉(zhuǎn)換控制、晶閘管觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。

（3）功率接口板SDCS-PIN-41：通過電流互感器測量電樞電流回路、晶閘管保護(hù)用緩沖回路、通過PTC傳感器測量散熱器溫度額定電流,零電流檢測的比例換算和硬件類型編碼。帶6個脈沖觸發(fā)回路和脈沖變壓器，與功率接口板（SDCS-PIN-21）配套使用。

（4）勵磁單元板（SDCS-FEX-2）：由晶閘管和二極管組成的半控橋式整流模塊。

（5）通信板（SDCS-COM-5）：用于 PROFIBUS或MODBUS通訊，該板是ABB DCS500變流器調(diào)試與維護(hù)時的通訊接口。

（6）數(shù)字I/O板:SDCS-IOB-23有8個數(shù)字輸入口和8個數(shù)字輸出口，DCS-IOE-1為8個數(shù)字量輸入擴(kuò)充板，輸入信號經(jīng)濾波后通過光電耦合進(jìn)行隔離，信號狀態(tài)通過LED顯示；SDCS-IOB-3包括5個模擬輸入口和3個模擬輸出口，6個隔離的脈沖編碼器接口和一個給溫度測量裝置供電用的電流源輸出口。

（7）輔助組件：整流變壓器、風(fēng)扇、開關(guān)、快熔、接觸器等。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示為探尺電控系統(tǒng)接口結(jié)構(gòu)簡圖。

圖2 探尺系統(tǒng)接口結(jié)構(gòu)簡圖

ABB DCS500系統(tǒng)與上位機(jī)通過點對點通訊連接，提尺及放尺指令由上位機(jī)發(fā)出，也可由操作臺上轉(zhuǎn)換開關(guān)發(fā)出提放探尺信號。當(dāng)放尺信號發(fā)出時，抱閘線圈得電，電磁抱閘打開，同時DCS500根據(jù)輸入信號，速度大小由應(yīng)用程序功能塊給定，輸出整流電壓，探尺勻速下放，至料面時進(jìn)行跟蹤。當(dāng)提尺信號發(fā)出時，探尺勻速上升至電氣零位，此時抱閘線圈失電，抱閘停車。當(dāng)裝置檢測到故障時，由DCS500開出模塊發(fā)出故障信號，主接觸器分閘，同時直流抱閘整流單元失電，裝置停止運行。

5 系統(tǒng)軟件

5.1 DCS500 功能模塊

ABB變流器單元的基本軟件主要由速度控制、轉(zhuǎn)矩控制以及傳動邏輯等部分組成，實際速度采用EMF反饋信號，由變流器根據(jù)其輸出電壓計算得到。ABB DCS500系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化控制方式，內(nèi)部控制程序是用功能模塊表示，包括標(biāo)準(zhǔn)程序（SP）功能塊及應(yīng)用功能塊。

探尺控制系統(tǒng)應(yīng)用了傳動邏輯、主給定選擇、速度調(diào)節(jié)、斜率發(fā)生器、轉(zhuǎn)矩/電流限幅、電流調(diào)節(jié)、電勢調(diào)節(jié)等標(biāo)準(zhǔn)程序功能模塊。

還采用了應(yīng)用功能塊如：邏輯塊、算術(shù)塊、選擇塊、時鐘塊、比較塊、常數(shù)傳遞塊（如：用戶參數(shù)PAR)等。根據(jù)工藝需求，利用ABB傳動裝置所采集的數(shù)字信號，選擇所需要的功能塊，通過各功能塊之間的管腳相連，完成探尺傳動應(yīng)用程序的設(shè)計。

5.2 主要功能塊功能

（1）主給定選擇

提尺和放尺指令由上位機(jī)開出，在速度給定邏輯功能中設(shè)定速度大小和方向，提尺速度為400r/min，放尺速度為-300r/min。

（2）斜率發(fā)生器

根據(jù)選擇的時間常數(shù)來完成系統(tǒng)加速、減速斜率的調(diào)節(jié)。

（3）傳動邏輯

控制全數(shù)字直流調(diào)速裝置的起動和停止，控制裝置的主接觸器、磁場接觸器、風(fēng)機(jī)接觸器、系統(tǒng)急停、復(fù)位、報警、傳動裝置狀態(tài)輸出等。當(dāng)出現(xiàn)外部故障時，通過傳動邏輯功能塊使主斷路器分閘，電磁抱閘制動，對設(shè)備起著保護(hù)作用。勵磁單元檢測信號通過RS485與電樞主控板通訊，當(dāng)勵磁回路出現(xiàn)故障時，通過傳動邏輯功能塊封鎖調(diào)節(jié)器。

5.3 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置是DCS500應(yīng)用程序中重要環(huán)節(jié)。DCS500參數(shù)分成了48個參數(shù)組，每個參數(shù)組包含若干個參數(shù)。根據(jù)工藝所需，參數(shù)設(shè)置包括①設(shè)備參數(shù)設(shè)置：變流器的電源電壓、調(diào)速裝置工作象限、電機(jī)額定參數(shù)、磁場參數(shù)等。②系統(tǒng)保護(hù)參數(shù)設(shè)置，如速度保護(hù)值、電流限幅值、過電流、電壓保護(hù)值等。參數(shù)設(shè)置可以通過控制盤CDP312或安裝了CMT/DCS500工具軟件的PC機(jī)完成。應(yīng)用參數(shù)和保護(hù)參數(shù)值在調(diào)試過程中調(diào)節(jié)好，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。

5.4 故障記錄

軟件還包括一個故障記錄存儲器，可以實時記錄100多個故障信息，相關(guān)內(nèi)部信號的信息存儲在數(shù)據(jù)記錄器上，顯示在控制盤CDP312上或通過調(diào)試工具在維護(hù)軟件上查看，易于查找故障。

6 結(jié)束語

探尺控制系統(tǒng)采用ABB DCS500數(shù)字化直流調(diào)速裝置，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單緊湊，無需調(diào)速電阻，自診斷功能、抗干擾能力強(qiáng)，調(diào)速特性平滑，精度高，維護(hù)方便，各種保護(hù)措施靈敏。自設(shè)備安裝投產(chǎn)以來，得到了用用戶的好評，為高爐正常生產(chǎn)提供了保障。