ABB直流調速系統在高爐探尺控制中的應用

潘金華

（攀鋼煉鐵廠，四川攀枝花617022）

1 引言

高爐要實現連續穩定運行，爐喉料面保持平穩的料線，是確保精確布料和高爐正常操作的重要條件。料線過低，會使爐頂煤氣顯著升高，不利于爐頂設備正常運行；料線過高，影響料面煤氣分布，甚至造成爐頂布料設備事故。探尺控制系統是測量爐內料面，并實時顯示料線、狀態，是判斷爐況及布料進程的重要設備，其控制要求速度穩定、準確。曾采用分離插件式可控硅整流模擬控制系統，由于組件受環境溫度、電磁干擾等影響，裝置調試、維護較為困難，系統運行的可靠性難以保障。采用ABB DCS500數字化直流調速控制裝置，在實際應用中很好地滿足了生產工藝。

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：提尺、放尺和跟蹤料面。其系統圖及三種狀態受力分析如圖1所示。Md為電動機電磁轉矩產生的牽引力、Mg為重砣重力、Mf為系統摩擦阻力、Mz為料面支撐力。

測量行程由安裝在減速機軸上的增量編碼器將脈沖信號上傳至上位機，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所示為探尺系統及工作時三種狀態受力分析示意圖。

圖1 探尺系統及工作時三種狀態受力分析示意圖

探尺工作三種狀態控制原理分析如下。

（1）提尺：根據高爐冶煉工藝，上料系統每向爐內布一批料之前，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。電動機正轉，工作在第一象限，當重砣以勻速上升時，滿足Md＝Mg＋Mf，電動機電磁力矩和電動機轉向相同，可控硅處于整流工作狀態，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用程序功能塊（const ref）輸入，當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，上位機發出放尺指令，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，以探測爐內料面高度，電動機反向運行，電機處于反接制動狀態，工作在第四象限。當重砣勻速下放時，滿足Md＝Mg-Mf，電磁轉距與電動機轉向相反，電動機處于制動狀態，放尺指令及速度給定由應用程序功能塊（const ref）輸入。放尺速度為 0.2-0.3m/s。

（3）跟蹤料面（扶尺狀態）：重砣下放至料面時，系統處于跟蹤料面過程，電磁抱閘為打開狀態。當檢測料線大于或等于設定數據時，上位機自動發出提尺指令；當檢測料線小于設定數據時，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。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，電動機反轉，可控硅又進入逆變工作狀態，重砣繼續下降，直到重新直立于料面上，最終達到新的平衡，這一過程稱為探尺跟蹤料面。隨著冶煉的繼續，探尺裝置不斷地調整重砣與料面的接觸狀態，滿足工藝要求。

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

在設備調試時，調節直流裝置輸出電磁轉矩的大小，決定探尺的扶尺性能。利用ABB DCS應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，采用速度環控制，為了實現探尺跟蹤料面功能，避免了倒砣現象，在放尺過程中，采用力矩環控制，跟蹤料面時，其參數的大小可以根據實際進行調整，以達到準確控制。

3 系統硬件組成

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邏輯無環流整流結構，6脈沖、4象限運行。通過調節觸發裝置的脈沖相位，改變整流輸出電壓，實現電動機的平滑調速。柜內配有直流抱閘整流單元，控制現場抱閘線圈，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連續可調。用2套傳動裝置來分別控制2臺探尺直流電機（4kW），電機型號：Z3-52，額定功率：4kW，電樞額定電壓 220V，額定電流 22.3A，轉速：1000rpm；最大勵磁電流 5A；他勵方式。

ABB DCS500傳動裝置由上位機控制，上位機輸出信號到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碼顯示器，用于顯示傳動裝置的狀態；系統程序和參數值保存在閃速存儲器D33和D34中，應用功能塊和參數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轉換控制、晶閘管觸發脈沖發生器等。

（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變流器調試與維護時的通訊接口。

（6）數字I/O板:SDCS-IOB-23有8個數字輸入口和8個數字輸出口，DCS-IOE-1為8個數字量輸入擴充板，輸入信號經濾波后通過光電耦合進行隔離，信號狀態通過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、風扇、開關、快熔、接觸器等。

4 系統結構

如圖2所示為探尺電控系統接口結構簡圖。

圖2 探尺系統接口結構簡圖

ABB DCS500系統與上位機通過點對點通訊連接，提尺及放尺指令由上位機發出，也可由操作臺上轉換開關發出提放探尺信號。當放尺信號發出時，抱閘線圈得電，電磁抱閘打開，同時DCS500根據輸入信號，速度大小由應用程序功能塊給定，輸出整流電壓，探尺勻速下放，至料面時進行跟蹤。當提尺信號發出時，探尺勻速上升至電氣零位，此時抱閘線圈失電，抱閘停車。當裝置檢測到故障時，由DCS500開出模塊發出故障信號，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，由變流器根據其輸出電壓計算得到。ABB DCS500系統實現全數字化控制方式，內部控制程序是用功能模塊表示，包括標準程序（SP）功能塊及應用功能塊。

探尺控制系統應用了傳動邏輯、主給定選擇、速度調節、斜率發生器、轉矩/電流限幅、電流調節、電勢調節等標準程序功能模塊。

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

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開出，在速度給定邏輯功能中設定速度大小和方向，提尺速度為400r/min，放尺速度為-300r/min。

（2）斜率發生器

根據選擇的時間常數來完成系統加速、減速斜率的調節。

（3）傳動邏輯

控制全數字直流調速裝置的起動和停止，控制裝置的主接觸器、磁場接觸器、風機接觸器、系統急停、復位、報警、傳動裝置狀態輸出等。當出現外部故障時，通過傳動邏輯功能塊使主斷路器分閘，電磁抱閘制動，對設備起著保護作用。勵磁單元檢測信號通過RS485與電樞主控板通訊，當勵磁回路出現故障時，通過傳動邏輯功能塊封鎖調節器。

5.3 參數設置

參數設置是DCS500應用程序中重要環節。DCS500參數分成了48個參數組，每個參數組包含若干個參數。根據工藝所需，參數設置包括①設備參數設置：變流器的電源電壓、調速裝置工作象限、電機額定參數、磁場參數等。②系統保護參數設置，如速度保護值、電流限幅值、過電流、電壓保護值等。參數設置可以通過控制盤CDP312或安裝了CMT/DCS500工具軟件的PC機完成。應用參數和保護參數值在調試過程中調節好，使系統運行穩定、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，相關內部信號的信息存儲在數據記錄器上，顯示在控制盤CDP312上或通過調試工具在維護軟件上查看，易于查找故障。

6 結束語

探尺控制系統采用ABB DCS500數字化直流調速裝置，設備結構簡單緊湊，無需調速電阻，自診斷功能、抗干擾能力強，調速特性平滑，精度高，維護方便，各種保護措施靈敏。自設備安裝投產以來，得到了用用戶的好評，為高爐正常生產提供了保障。