西门子标准变频器在高炉卷扬上料系统中的应用
摘要:
本文主要介绍应用西门子MicroMaster 440标准变频器在高炉卷扬上料系统中的应用。首先对高炉上料主卷扬系统的组成结构和拖动系统的运行进行了详细分析。其次，确定了MM440标准变频器作为上料主卷扬的电力传动方式，并对控制系统的构成及相应设备的设计方案进行介绍。最后，按照控制要求进行具体的设计，相关功能的实现和具体参数的设定。高炉上料系统利用现代计算机技术将PLC系统与变频器系统紧密结合在一起，实现PLC与变频器控制的统一，解决了因卷扬控制系统不稳定而造成的休风、停产问题。提高了卷扬上料系统的稳定性，降低了上料系统的故障率。标准型变频器的灵活应用，成为高炉实现稳产、高产的基础。
关键词：
高炉，主卷扬，MM440，电力传动
一．引言
随着我国现代化进程的不断加快，在各个领域的发展过程中对钢铁需求的数量与质量与日俱增。我国的钢铁生产工艺正向数字化的高新技术方向发展。作为整个钢铁生产中的重要环节，高炉炼铁工艺中高新技术的应用尤为重要。其技术指标如何，对整个钢铁工艺流程有着直接和显著的影响。其中又以高炉上料主卷扬系统为整个高炉的核心设备，负责原料的输送。对卷扬系统采用高新技术进行合理控制与优化便成为现代钢铁工艺中的一个重要课题。本次卷扬系统的设计是以MM440标准型变频器作为传动部分的核心控制部件，并与主控PLC自动化系统紧密结合使用，从而达到了系统的稳定性与操控灵活性的完善结合。
二．系统介绍
接下来对此次工程的控制主体，卷扬上料主系统进行简要的介绍。此次承接项目高炉容积为750m3，属于中小型高炉，采用斜桥式料车上料系统。斜桥式料车上料机主要由斜桥、料车、卷扬电机三部分组成。
料车在斜桥上的运动分为起动、加速、稳定运行、减速、倾翻和制动六个阶段。在整个过程中包括两次加速和两次减速，即第一次加速点、第二次加速点的高速给定值使料车加速；第一次减速点、第二次减速点的低速给定值使料车减速。
料车提升一次所需时间与料车的运动速度和加速度有关，其变化曲线为图2.1所示。
(1)t1时间内：料车起动，重料车开始上行，同时空料车自炉顶极限位置下行。此时，钢绳自卷筒退出的加速度不应超过料车的加速度，以免产生钢绳松弛现象。此段时间对应于斜桥的A区域，由于此处轨道较陡，在给定值相同的情况下加速度α1只为0.2～0.4m/s2，以较低的加速度加速运行。
(2)t2时间内：重料车继续上行，通过A区域，进入了斜桥的B区域，此处轨道倾角比A区域小，则加速度α2会变大升至0.4～0.8m/s2。料车以较高加速度加速到最大速度υ。
(3)t3时间内：料车以最大速度υ稳定运行。
(4)t4时间内：重料车进入卸料曲轨道之前的第一次减速时间，加速度α4=-0.4～0.8m/s2。如图2.5所示，在第一次减速点，取消之前的卷扬电机高速给定，转而给卷扬电机接入低速给定值，通过电机的回馈制动使料车减速至υp。
(5)t5为重料车在卸料曲轨段等速走行时间，速度υp=1m/s左右。
(6)t6为重料车第二次减速到停车的时间，一般加速度α6=-0.4～0.8m/s2。如图2.5所示，在第二次减速点，要将此时的速度与预先的给定值进行比较。如果速度降低到预期之内则可进行第二次减速；如果此时速度过大，超过了预期值则要通过调速器进行报警。
料车式上料机的工作特点为：
工作过程中，两个料车交替上料，当装满炉料的料车上升时，空料车下行，空车重量相当于一个平衡锤，平衡了重料车的车箱自重。这样，当上行或下行二个料车用一个卷扬机拖动时，不但节省了拖动电机功率，而且，电机运转时，总有一个重料车上行，没有空行程。从而，使得电动机总是处于电动状态运行，免去了电动机处于发电运行状态所带来的种种问题。
三．控制系统构成
根据厂家要求，主卷扬上料系统必须独立于主系统而自成一套独立系统，并通过以太网与主PLC系统通讯，从而实现网络控制与数据时时传输。电气传动装置选择的是西门子标准型变频器6SE64402UD420GA1两台，为一备一用状态，可以通过转换开关来时时切换两台装置，保证了运行的可靠性。变频器电压等级为380V，功率为200KW。由于考虑到卷扬系统为大惯量位能性负载特性，配置了制动单元与制动电阻，以保证料车停车过程中能量的回馈不会造成直流母线电压升高从而造成故障。制动单元为6SE70327EB872DA0，制动电阻为6SE70327ES872DC0，配合使用峰值制动功率可达到255KW,可以满足传动系统的制动要求。由于采用矢量控制方式需要速度反馈值，变频器选装了脉冲编码器模块6SE64000EN000AA0，将电机侧编码器反馈回的信号经由此模块转换传送给变频器。传动逻辑控制的PLC为西门子200系列PLC，主机为CPU226，配扩展I/O模块，及EM243-1以太网通讯模块与上级PLC系统通讯。
四．运行原理及功能
我们采用了西门子MM440标准型变频调速装置，运用矢量控制方式，实现了精确的速度控制。系统配置了制动单元与制动电阻，采用能耗制动方式实现了卷扬系统的制动。主传动部分为两台变频调速柜实现一备一用，通过主控制柜实现装置之间的切换。每个变频器的控制信号通过切换柜的电气设备来完成基本联锁及控制，在主PLC与切换柜之间、操作台与切换柜之间利用继电器相互隔离，使料车的控制可以由PLC或操作台分别控制系统，提高整个系统的可靠性。抱闸由MM440装置中的抱闸专用控制功能来实现料车运行中的抱闸控制及联锁控制。料车定位系统由主令控制器来实现，主令控制器分别记录料车在上行和下行过程中的特定位置如：加速点，减速点，检测点等。并将这些位置信号以开关量的形式传送至主控柜内的传动PLC，再由其统一负责逻辑计算后控制变频器的动作。
为了保证控制系统的安全性与稳定性，避免料车失控发生飞车事故进而导致高炉停产，休风等严重事故的发生，本系统将一系列可能发生的故障和可能导致危险发生的情况的开关量进行串连汇总与一个零压保护回路中。在不出现任何状况下，零压回路为闭合状态，此时主回路接通，系统才可以正常工作；如果出现在零压回路中的任何一种危险则零压回路断开，此时串连至主回路中的触点断开，变频器进线侧的主回路断电，这个系统停止工作，抱闸电机将卷扬电机的传动轴抱死，整个传动装置马上停止，从而避免了可能危险的发生。
下面来介绍一下料车运行的整个控制与传动顺序：将要上料的一个料车在料坑底部，已经装好备料（矿石或焦炭），另一料车在斜桥顶部。炉顶布料器料空，申请上料，由主PLC发出命令给控制柜内的传动PLC，在综合各种情况并判断零压回路闭合后，传送运行命令至变频器，MM440在接到开车命令后系统解封。通过MM440系统中的抱闸控制功能，建立在抱闸状态下的转矩限幅给出的启车力矩电流后，MM440系统发出打开抱闸命令，使抱闸打开，实现料车的平稳启动。
当料车启动运行后，由于起始阶段斜桥坡度较大、所带负载惯量较大，电机先以高速运行。在运行至第一减速点时，由主令控制器返回位置信号至PLC处理后输出低速信号至MM440变频器开关量输入端子，选择低速给定。此时电动机开始减速运行继续提升负载。料车继续上行，当通过检测点时，变频器在内部将实际速度值与给定在此位置的设定减速值进行比较，如果实际速度小于等于设定值则变频器输出一个低速到达信号至PLC，在综合各种情况后如果判断系统工作在一个正常条件下则料车继续上行，如果速度超常或者其它非正常情况发生则系统停机，抱闸电机抱死主运行轴。料车在正常条件下继续向上运行通过停车点，此时主令开关将停车位置传送至PLC，处理后发送停车指令至变频器，变频器开始停车，抱闸闭合，此时料车的停车位置应是工艺要求的角度，即能将车内的炉料倒净而又不撞上超极限弹簧。
五．变频器的主要调试参数
在本章主要介绍一下在调试过程中需要重点注意的一些参数。
1. 快速调试及系统优化。在快速调试中，输入电机的各个铭牌参数，首先以P1910=0，P3900=1结束快速调试。其结果是重新计算并改写了电机参数P0300-P396的内容。这些计算结果完全是根据你输入的铭牌参数通过电机数学模型得到的，这些数值是将会参与运行时刻的实际控制的。但是，有些数值不是正确的实际值，仅仅是按数学模型计算出来的。因此，需要通过P1910=1进行自动测定得到实际值。输入P1910=1,启动变频器。变频器自动对每一相检测（电机不会转动）并且将测试的每相结果保存到r1912[0，1，2]-r1915，也就是定子电阻（U、V、W相）、时间常数、电感等等。同时也修改了上面按模型计算的结果。这样使控制更能接近真实。通过以上调试建立了比较接近实际的电机模型。当控制采用非V/f控制的时候，就有了一个比较好的模型。在经过快速调试得到电机真是模型后即 可按照所需功能设定相应参数。
2.用MM440的16种速度给定值可以实现高低速度的切换。P1000=3选择固定频率给定作为频率主设定值，P1001=70%，作为起始阶段的高速速度给定；P1003=15%作为经过减速点后的低速速度给定。P1020=1，P1021=722.1，P702=99，用数字量输入2作为低速选择的开关，当数字量输入2置为1时选择P1003的速度给定值。
3.抱闸的控制也是这此工程中的一个重点内容。抱闸系统为主控制主电动机制动的装置，在启动系统时需要首先打开抱闸而后主卷扬运行提升料车，在系统停止时，需要变频器与抱闸相互配合以达到变频器停止时抱闸将主轴抱死达到制动的目的。在控制过程中，由于带动的是大惯量位能性负载如果变频器刚一启动就打开抱闸，由于在低频时变频器所出力矩还未达到要求值所以有可能发生溜车现象。为了放置这种现象的发生，设计了抱闸控制参数以使变频器达到一定的力矩输出后再打开抱闸，从而避免危险的发生。P1215=1，使能抱闸控制功能；P1216＝3s，在变频器运行3s后再输出抱闸允许的开关量，再打开抱闸；P1217=0s，表示变频器停机后马上闭合抱闸将主轴抱死。
六. 应用体会
通过此次高炉卷扬系统项目，我在独立设计和分析问题的全面性等方面受益甚夥。卷扬控制系统是实现了高炉生产全过程自动控制的基础，通过采用先进的传感器技术以及稳定的PLC控制技术大大提高了这个高炉生产最重要环节的准确性和稳定性。系统自投入运行以来一直稳定运行，对高炉稳产、高产，降低成本，减轻工人劳动强度起着重要作用，取得了较好的经济效益和社会效益。
七. 现场应用照片
应用变频器外型图
参考文献：
1.张燕宾．变频调速应用实践．北京：机械工业出版社，2000
2.朱安远．高炉料车主卷扬及探尺卷扬电力传动方式浅析．基础自动化．1996
3.Siemens．MicroMaster 440标准变频器使用大全．2003
4.Siemens．S7-200系统手册．2004
5.张润泽，王晓红．2000立方米高炉上料主卷扬调速控制方案．矿冶．2002