轉爐氧槍墜槍事故處理分析

馬勝武+李濤

摘 要：轉爐氧槍系統是轉爐煉鋼工序中的關鍵設備，氧槍系統的正常運行對安全生產及工藝技術指標至關重要。氧槍一旦墜落，在轉爐內有鋼水及事故應急處置不當的情況下會出現轉爐爆炸等重大安全事故。某公司煉鋼廠5#轉爐氧槍在投產后不久發生一起墜槍事故，幸未造成損失。我們先后通過修改氧槍運行程序，將Active信號投入抱閘控制，檢查增量型編碼器及接線、變頻器投入閉環控制及對諧波干擾進行處理，成功解決氧槍控制存在隱患問題，使5#爐氧槍多年來運行平穩，保持安全生產順行。

關鍵詞：Active；閉環控制；增量型編碼器；諧波

1、氧槍電氣控制系統簡介

5#轉爐系統采用羅克韋爾1756系列PLC自動控制。氧槍作為關鍵特種設備，一用一備，正常升降選用AB-700S-590A變頻器控制一臺315KW電機，氧槍安全聯鎖條件眾多，電氣控制復雜。

2、氧槍抱閘開、關控制

為防止出現溜鉤現象，制動器打開時要求裝置先建立足夠的力矩用以在制動器打開的瞬間承受負載及吊具的重力。而在制動器關閉過程中，要求速度降至一定程度才能允許制動器抱閘，以減少由于高速抱閘對系統及閘片本身帶來的沖擊與破壞。

3、氧槍安全聯鎖保護

氧槍安全聯鎖保護分鋼絲繩張力保護、自動提槍及條件滿足允許降槍。

張力：氧槍鋼絲繩張力≥7T不能提槍，氧槍鋼絲繩張力≤2.5T不能降槍。經檢查水、氣、汽及張力均無異常，安全聯鎖正常。

4、Rockwell DriveTools軟件監控、分析

墜槍時變頻器未報故障，通過與南槍變頻器參數比較，也未發現異常。隨后我們打開Rockwell DriveTools軟件，監控北槍變頻器輸入、輸出電流、頻率及變頻器Active、抱閘開關時間等多個信號，通過反復試車，觀察到存在兩個問題：

（1）變頻器為開環控制

從變頻器有輸入信號開始，到輸出電流、頻率，動態響應較差，尤其輸出信號與輸入信號預期存在誤差，主要反映在電機低速區，即100 r/min時，隨后檢查變頻器參數，發現變頻器選為開環控制。

（2）Active信號持續時間長

從曲線圖反映出當變頻器輸入信號停止給定，變頻器減速至輸出無頻率、電流時，在10ms—8000ms時間內，Active信號持續為1，尤其升降動作快速轉換頻繁時，Active信號為1時間愈長。變頻器啟動， Active信號為1，切斷變頻器輸入信號，變頻器停止運行，內部檢測、運算等工作結束，處于待機狀態，Active信號為0.圖為Rockwell DriveTools軟件監控圖形。

5、墜槍原因分析

氧槍速度設定為高速800r/min、低速300 r/min、點吹速度100 r/min，煉鋼工藝專業要求，氧槍要有良好的動態響應速度及準確的速度反饋，尤其槍位在吹煉點以下時，每次操作均為點動，升降距離僅為100mm-200mm，對氧槍自動控制要求極高，氧槍調整槍位的速度將直接影響到吹煉周期。

結合前期調查，我們認為，點吹速度100 r/min，頻率約為8HZ，n=60f/p；尤其此時操作均為點動，頻率更低，僅為3-5HZ，電機轉矩與頻率成正比變化，電機轉矩也隨之減小。

6、墜槍事故預防整改措施

經以上檢查分析，我們研究討論后計劃從三方面做以完善

（1）提高點吹轉速

將電機點動速度由100 r/min，頻率約3.5HZ，改為200 r/min，運行時頻率約7HZ。

（2）將Active信號加入抱閘控制程序

Active信號作為變頻器是否工作的重要參數，串入抱閘后，避免出現操作頻繁快速切換帶來的低頻、低速、低轉矩下的不穩定狀態。

（3）將開環控制改為閉環控制

5#爐氧槍開閉環投切只需修改AB變頻器222#參數為0即投入閉環。

以上三項措施完善后，氧槍運行平穩，通過監控Rockwell DriveTools軟件，輸入輸出參數趨于平穩，動態響應良好。但隨之出現一個新的問題，變頻器頻繁報編碼器0丟失故障，尤其在停車時，幾乎每天都報故障，對安全生產帶來極大影響。查閱變頻器說明書，存在三種情況：

a、丟失編碼器

b、正交偏差

c、相位丟失

處理措施為：a、重新連接編碼器或更換編碼器

b、組態參數365（首選反饋丟失組態），參數366（備用反饋丟失組態），參數367（位置反饋丟失組態）

7、AB700S系列變頻器閉環控制與開環控制

（1）閉環控制

要了解閉環控制，首先需要了解反饋原理。所謂反饋原理，就是根據系統輸出變化的信息來進行控制，即通過比較系統行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預期的系統性能。在反饋控制系統中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個閉合的回路。因此，反饋控制系統又稱為閉環控制系統。反饋控制是自動控制的重要方式。閉環控制即輸出信號反饋參與輸入。氧槍升降變頻器閉環控制就是把速度信號反饋到變頻器的輸入端，與設定值進行比較，然后調整給定頻率的方法，這種控制比開環控制要精確。通過給定速度與實際的編碼器檢測速度進行比較；然后變頻器內部進行自校正。氧槍實際速度與給定速度誤差很小，幾乎可以忽略，對安全生產、設備順行起到良好保障。

（2）開環控制

開環控制即輸出不參與輸入調整、控制。僅靠操作工人為肉眼觀察卷筒實際卷動距離與畫面絕對值編碼器反饋槍位高低來判斷，對于氧槍速度、槍位有著較高要求的轉爐吹煉顯然無法滿足需求。

同開環控制系統相比，閉環控制具有一系列優點。在反饋控制系統中，不管出于什么原因（外部擾動或系統內部變化），只要被控制量偏離規定值，就會產生相應的控制作用去消除偏差。因此，閉環控制具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統的響應特性。

（3）、AB700S系列變頻器速度模式閉環控制

速度模式是指變頻器以控制電機的轉速為目的，此時電機的力矩必須為保持該速度而調整。所以控制系統中外環為速度環，內環為電流環。采用開環控制，則電機的轉子速度是通過電壓、電流及電機模型計算出來的，所以其速度精度差，所以開環速度控制只用在對低頻速度和轉矩響應不高的場合。閉環速度控制由于使用了編碼器，速度、轉子位置可以通過編碼器直接測量，所以速度精度開環，但增加了編碼器帶來了故障點和成本增加，所以有些對精度要求不高的場合不使用閉環速度控制，反之則必須使用閉環速度控制。

8、增量型編碼器

要實現閉環控制，最重要的元器件增量型編碼器。5#轉爐氧槍電機轉速反饋至變頻器采用天津宜科100P30-L4PR-1024增量型編碼器。增量型編碼器是氧槍實現閉環控制的首要設備，安裝于電機伸出軸上，隨電機運行同步轉動。

增量型編碼器控制線接至變頻器TBI端子，選用5×2×1.0mm2雙絞屏蔽電纜。更換編碼器，問題未得到解決。

9、5#、6#轉爐氧槍系統閉環差異化比較

5#、6#轉爐先后于2010年4月、10月投產，氧槍系統雖自動化控制設計、施工單位不同，但均采用AB700S系列590A變頻器，增量型編碼器、電抗器、制動單元、制動電阻、電機等均為同廠家、同型號。6#轉爐氧槍閉環控制自生產后一直投入，運行平穩無故障。排除編碼器本身及編碼器電纜故障后，我們對5#、6#轉爐氧槍系統全面進行差異化比較，先后檢查發現僅現場隔離柜至電機電纜存在差異。

10、變頻器電纜敷設要求及干擾原因

變頻器電纜敷設要求極高，主要有以下幾點：

（1） 只能使用銅芯電纜，且絕緣厚度不能≤0.4mm.

（2） 當電纜敷設路徑經過高溫區域（≥75℃）時，應提高電纜防護等級。

（3）無論任何場合，應盡量避免使用很長的平行布線方式。

（4）當電機至變頻器距離大于30米時，必須使用屏蔽電纜。

結論：5#轉爐氧槍墜落后，我們進行持續觀察、實驗，分析出墜槍原因。通過修改氧槍點吹轉速，將變頻器激活信號Active串入抱閘控制，規范操作，并成功解決編碼器信號干擾，將變頻器由開環控制改為閉環控制，使氧槍設備保證本質安全。