S120變頻器在2 725 m3高爐探尺的應用探討

王應偉

（廣西盛隆冶金有限公司，廣西 防城港 538000）

1 前言

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

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來實現探尺提放，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矩控制方法。目前交流變頻矢量控制技術的成熟應用，使得某些交流調速系統的性能指標已經媲美甚至超過了直流調速系統。

傳統控制方式的探尺系統存在諸多問題與不足，這與現代煉鐵提倡的精確、高效、智能化的工藝要求嚴重背離。隨著PLC和變頻技術的不斷完善和發展，尤其是基于工業以太網技術的新一代自動化總線標準PROFINET獲得廣泛地應用，交流變頻應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

高爐探尺大多數為鏈條式結構，鏈條纏繞在卷筒上，鏈條下端掛著重錘，鏈條隨重錘進入高爐內部，通過電機驅動控制鏈條卷筒轉動從而使重錘上升下降，抱閘裝置配合探尺的提、放尺動作進行打開和閉合。

在實際工作中探尺有提尺、放尺和料面跟隨3種工作模式。當探尺檢測高爐內料面下降至設定料線且具備提尺條件時，探尺自動提至零位，料罐內的礦石或焦炭開始布料。待布料完成后探尺按設定速度向下放尺探測料面位置，當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定料線且具備提尺條件時，探尺自動提尺。如此循環往復，使料面穩定在工藝設定的高度。

2.1 提尺過程控制

當要對高爐爐內放料時，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速控制，要求工作穩定、快速，同時特殊情況下要有緊急提尺功能，在達到零位時能夠準確及時停尺，不能出現過沖或者溜尺。提尺時靠電機力矩把探尺提起來，電機力矩Md方向向上，探尺鏈條的重力Ml、探尺重錘的重力Mc、機械摩擦阻力Mz的方向向下。電機力矩關系為：Md≥Mc+Ml+Mz。

電機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，以確保停位準確。當探尺提升到零位時，PLC收到到位信號后結束提尺命令，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

當料罐向高爐爐內放完料后，需要向下放探尺以對料面進行測量，這一過程為放尺操作。放尺要求平穩順暢，不能出現過速慣性沖尺或卡頓等現象。探尺向下放是通過鏈條與重錘的自身重力來實現的，為克服起始放尺時減速機、抱閘等設備的機械靜摩擦阻力，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與電機驅動力矩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，待探尺深度快達到料線時，PLC 給定的探尺速度減小，整個過程力矩關系為：Md+Mz≤Mc+Ml。探尺處于放尺狀態時，電機反轉，當重錘勻速下放時，力矩關系為：Md+Mz=Mc+M。電機電磁轉矩與電機轉向相反，為制動轉矩，電機處于制動狀態。

2.3 探尺料面跟隨模式過程控制

在探尺重錘到達料面后，重錘立于料面，要求靈敏且測量準確，不能出現卡尺、倒錘、埋尺的現象，否則會影響料線實際數據，嚴重時會造成鏈條斷裂或重錘燒毀；要求及時跟隨料面下降，不能發生探尺響應慢及重錘懸浮的現象，導致探尺不能真實反饋料面的實際高度，影響高爐生產。

探尺勻速向下接觸到料面時，力矩關系為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，電機轉矩Md迅速變小，通過變頻電機轉矩的突變，判斷探尺是否到達料面并將變頻器自動切換到力矩控制，此時PLC給變頻器設定轉矩給定值。探尺減速過程中會對料面有一定沖擊，從而出現倒尺的現象，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償的電機轉矩Md拉住重錘和鏈條，其中補償的電機轉矩與料線高度（鏈條長度或重量）、放尺速度成比例關系，從而保證重錘能夠自動跟隨料面下降，力矩之間的關系為Mz+Mf+Md=Ml+Mc。

如果高爐爐況不順，發生塌料爐內料面瞬間下降時，由于料面和煤氣流支撐力MF突然消失，力矩關系為Md+Mz＜Mc+Ml，重錘就會慣性下沖，PLC 檢測出電機轉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致轉矩補償變大，速度越大則電機驅動力矩Md越大，變頻轉矩工作模式下實現探尺類勻速下降，到料線后Mf起作用，同時由于速度沒有瞬間到零，較大的電機轉矩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

探尺控制柜內變頻器選用西門子SINANICS S120 系列，通過動力變頻電纜與現場變頻電機連接。控制單元為CU310-2PN，通過PROFINET連接到爐頂主PLC，PLC 可通過通訊報文獲得矢量變頻器實時轉矩電流、輸出頻率、電機轉速等參數［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。進線設主回路合閘接觸器和快速熔斷器，變頻器主回路進出口均設有平波電抗器起到保護和凈化電源、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連接，爐頂主PLC通過PROFINET線纜連接并讀取絕對值編碼器的實時數據，計算出探尺的實際深度，從而達到測量料線深度的目的，同時對不同長度的重錘鏈條進行力矩的補償。與變頻電動機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、調速和轉矩控制，從而實現變頻器的閉環控制。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臺現場操作箱，便于設備維護檢修和調試。主控室安裝緊急操作箱1臺，用于故障時緊急提尺。

4 探尺控制系統參數

4.1 變頻器接線方式關鍵參數

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速度。變頻器通過接線方式實現控制的關鍵參數設置見表1。

表1 變頻器接線方式關鍵參數設置

4.2 變頻器PN通訊方式關鍵參數

爐頂主PLC 通過PROFINET 連接方式連接S120控制單元CU310-2PN上的PN接口進行通訊，以此來實現PLC 系統與變頻器之間的數據交換。變頻器通過PN通訊方式實現控制的關鍵參數設置見表2。

表2 變頻器PN通訊方式關鍵參數設置

5 結語

廣西盛隆冶金有限公司在2 725 m3高爐探尺調試時，為防止零位放尺時抱閘一打開出現探尺卡尺現象，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償轉矩給定模式，通過變轉矩工作方式，實現防倒尺和穩定跟尺。該控制系統投入使用后，探尺系統運行穩定可靠，便于維護且節能環保。