PLC在脫硫噴槍系統(tǒng)中的應(yīng)用

姬樂樂

（天津天鐵冶金集團(tuán)熱軋板公司，河北涉縣 056404）

PLC在脫硫噴槍系統(tǒng)中的應(yīng)用

姬樂樂

（天津天鐵冶金集團(tuán)熱軋板公司，河北涉縣 056404）

介紹了脫硫噴槍控制系統(tǒng)的特點，將PLC技術(shù)和變頻器技術(shù)應(yīng)用到脫硫噴吹傳動控制系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)的控制方式，實現(xiàn)了控制的測、控、信息一體化。系統(tǒng)采用PLC、變頻器控制及計算機(jī)上位監(jiān)控，豐富了系統(tǒng)的控制功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。

脫硫站 變頻器 噴槍 系統(tǒng) 傳動 控制

1 引言

在現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)中，脫硫技術(shù)已經(jīng)被廣泛使用，脫硫也就成為鐵水處理的重要工序，隨著煉鋼生產(chǎn)節(jié)奏的加快，對脫硫的控制穩(wěn)定性要求越來越高。脫硫運行狀態(tài)的穩(wěn)定與否將直接影響下一級生產(chǎn)工序能否順利進(jìn)行，而作為脫硫重要設(shè)備的噴槍控制系統(tǒng)是否完善則是影響脫硫站運行狀態(tài)的最主要因素，因此就需要一整套完善而可靠的噴槍控制系統(tǒng)。天鐵熱軋板公司把噴槍控制系統(tǒng)和計算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，形成一套更安全可靠的操作系統(tǒng)，減少了生產(chǎn)中諸多不必要的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)生產(chǎn)實踐為背景，現(xiàn)場環(huán)境和工藝流程為依據(jù)，利用變頻器和可編程控制器來實現(xiàn)以下幾個功能：噴槍高低速轉(zhuǎn)換、兩地操作的選擇、完善的報警系統(tǒng)、正常和檢修選擇模式的切換。

2 脫硫噴槍控制系統(tǒng)的特點

2.1 脫硫噴槍控制系統(tǒng)流程

脫硫噴槍系統(tǒng)主要由噴槍電動機(jī)、編碼器、變頻柜、PLC控制系統(tǒng)、現(xiàn)場操作箱、HMI控制面板組成。主要流程見圖1。

圖1 脫硫噴槍系統(tǒng)流程圖

2.2 脫硫噴槍控制系統(tǒng)的功能

（1）噴吹系統(tǒng)啟動時，噴槍噴吹出由干燥氮氣攜帶的石灰粉，這樣主要防止噴槍被鐵水堵塞，同時噴槍開始以高速下降，下降至距噴吹位置100 mm處改為低速，下降至噴吹位時噴槍噴吹出由干燥氮氣攜帶的石灰粉和鈍化鎂粒，使其與鐵水中的硫進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而降低鐵水中的含硫量，實現(xiàn)鐵水脫硫處理。噴吹完畢時噴槍上升至鐵水液面以上500 mm處停止，噴槍繼續(xù)噴吹干燥氮氣60 s后停止噴吹是為了防止石灰粉和鈍化鎂粒堵塞噴槍，接著噴槍高速上升距上限位100 mm處改為低速上升，當(dāng)擋鐵觸碰到上限位時噴槍停止運動。

（2）噴槍系統(tǒng)共有兩地操作，分別為主控室遠(yuǎn)處計算機(jī)畫面操作及現(xiàn)場操作箱操作。

噴槍系統(tǒng)主控室遠(yuǎn)程計算機(jī)畫面操作又分為自動模式和手動模式。當(dāng)把系統(tǒng)的現(xiàn)場操作箱上的“就地—集中”選擇開關(guān)選至“就地”再經(jīng)主控室遠(yuǎn)程計算機(jī)畫面進(jìn)行確認(rèn)操作，就可以進(jìn)行使用現(xiàn)場操作箱操作。當(dāng)把系統(tǒng)的現(xiàn)場操作箱上的“就地—集中”選擇開關(guān)選至“集中”，再經(jīng)主控室遠(yuǎn)程計算機(jī)畫面進(jìn)行確認(rèn)操作，就可以進(jìn)行使用計算機(jī)畫面操作。自動模式和手動模式的選擇可以從計算機(jī)畫面上直接選擇。

（3）在正常生產(chǎn)過程中，使用主控室遠(yuǎn)程計算機(jī)畫面操作的自動模式。檢修，調(diào)試及自動模式失靈時使用主控室遠(yuǎn)處計算機(jī)畫面操作的手動模式及現(xiàn)場操作箱操作。

（4）噴槍系統(tǒng)有3個限位，由上至下分別為上超位、上限位和下超位；噴吹位以及變速位由編碼器標(biāo)定；系統(tǒng)分為高速和低速，高速為35 Hz，低速為15 Hz。噴槍系統(tǒng)在主控室遠(yuǎn)程計算機(jī)畫面操作時，噴槍下降至距噴吹位100 mm時變?yōu)榈退伲羾姶滴粫r停止運行。噴槍上升至距上限位100 mm時變?yōu)榈退伲辽舷尬粫r停止運行。在現(xiàn)場操作箱操作時只能低速運行。在任何模式下，噴槍行至下超限位和上超限位時都停止運行。當(dāng)PLC控制失靈時，可以按下“緊急提升”按鈕，將噴槍提升至上超位。噴槍系統(tǒng)的電源狀態(tài)、變頻器狀態(tài)、限位狀態(tài)及下降高度在HMI畫面上有顯示。噴槍系統(tǒng)具有故障報警功能。HMI畫面上也有報警顯示。

3 可編程控制器在脫硫噴槍系統(tǒng)上的應(yīng)用

3.1 可編程控制器的選擇

可編程控制器已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，并且在自動控制系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用。因此對PLC的正確選擇是非常重要的。我們根據(jù)生產(chǎn)需要，所使用的是S7-400系列PLC，CPU選用的是414-2 DP。程序是整個自動控制系統(tǒng)的“心臟”，程序編制的好壞直接影響到整個自動控制系統(tǒng)的運作。

3.2 硬件組態(tài)

在組態(tài)中，我們選用的是S7-400 DP系列的PLC，并且選用PROFIBUS連接方式來達(dá)到與現(xiàn)場編碼器通訊，并通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)工控機(jī)與PLC通訊要求。在PLC的外圍接線中，設(shè)立外部互鎖電路：在繼電器電路中采取了互鎖措施的電路，在改用PLC控制時也應(yīng)采取同樣的硬件互鎖措施。如控制電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的交流接觸器如果同時動作，將會造成三相電源短路。為了防止出現(xiàn)這樣的事故，應(yīng)在PLC外部設(shè)置硬件互鎖電路。

3.3 常閉觸點輸入信號的處理

為了使梯形圖和繼電器電路圖中觸點的常開／常閉的類型相同，建議盡可能地用常開觸點作PLC的輸入信號。如果某些信號只能用常閉觸點輸入，可以按輸入全部為常開觸點來設(shè)計，然后將梯形圖中相應(yīng)的輸入位的觸點改為相反的觸點，即將常開觸點改為常閉觸點，常閉觸點改為常開觸點。

3.4 可編程控制系統(tǒng)的選擇

此系統(tǒng)采用的S7-400是一種功能強大的可編程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有在通訊設(shè)備間交換少量的數(shù)據(jù)，通訊可以利用MPI或在一個站內(nèi)通過PROFIBUS-DP連接智能從站等方式的功能。

4 變頻器在脫硫噴槍系統(tǒng)上的應(yīng)用

4.1 變頻器

它是噴槍調(diào)試控制關(guān)鍵設(shè)備，其性能的優(yōu)劣直接影響著系統(tǒng)的可靠性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，是電動機(jī)調(diào)速控制的基礎(chǔ)。要選擇較好變頻器就要清楚變頻器的工作原理、分類、控制模式、參數(shù)設(shè)置等方面的知識。

4.2 變頻器的工作原理概述

交流電動機(jī)的異步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：

式中，n為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；f為異步電動機(jī)的頻率；s為電動機(jī)轉(zhuǎn)差率；p為電動機(jī)極對數(shù)。由公式（1）可知，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與輸入的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、電動機(jī)的極對數(shù)有關(guān)，因而交流電動機(jī)的直接調(diào)速方式主要有變極調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速或串級調(diào)速、內(nèi)反饋電動機(jī)和變頻調(diào)速等。而我們現(xiàn)在運用最廣泛的就是變頻調(diào)速，由于轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50 Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。

4.3 變頻器選型

（1）根據(jù)脫硫站噴槍調(diào)速傳動系統(tǒng)的實際情況要求，選用的變頻器應(yīng)該具有性能穩(wěn)定、應(yīng)用靈活、適應(yīng)環(huán)境、維護(hù)方便、性價比高等特點。6SE70系列變頻器是交-直-交變頻器，具有V/F控制和矢量控制等多種控制模式，抗干擾性好，運行可靠，適應(yīng)電源電壓波動范圍廣，靈活多變的通訊方式，標(biāo)準(zhǔn)化及模塊化設(shè)計，可針對具體交流電動機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，低速時也能提供額定轉(zhuǎn)矩等特點。

（2）脫硫噴槍所用變頻器為：6SE7026-OED61，容量為60 A。該變頻器是由32位微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)水平的絕緣柵雙極性晶體管作為功率輸出器件，其脈沖寬度調(diào)制開關(guān)頻率高，具有先進(jìn)的電壓矢量控制和數(shù)字模擬控制方式，它的磁通電流控制功能改善了動態(tài)響應(yīng)和電動機(jī)特性，快速電流（FCL）限制功能實現(xiàn)了無跳閘運行。為保證變頻器輸入電壓的穩(wěn)定性和增加抗干擾能力，在其電源輸入輸出側(cè)加裝EMC濾波器。環(huán)境溫度影響變頻器的壽命和可靠性，選擇變頻器的允許溫度大于環(huán)境溫度的變頻器，按使用環(huán)境選用變頻器絕緣等級為IP54。選過載能力高保護(hù)性好的變頻器。制動電阻，保證停車穩(wěn)定。

（3）噴槍的位置測量所使用的是圖爾克公司生產(chǎn)的絕對值編碼器，采用PROFIBUS接口通過DP網(wǎng)與PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。絕對編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，這種編碼器的特點是不要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。

4.4 脫硫噴槍變頻器參數(shù)設(shè)置過程

脫硫噴槍變頻器參數(shù)設(shè)置是根據(jù)噴槍控制圖設(shè)置的，噴槍控制電氣原理見圖2。

當(dāng)PLC接收到動作信號后，經(jīng)PLC程序判定后輸出對應(yīng)的速度控制信號，此信號為開關(guān)量常開點，經(jīng)過輸出中間繼電器電氣隔離后傳至變頻器CUVC控制板，PLC與變頻器之間采用的是直接的點對點的硬線連接控制，直接輸出至變頻器的CUVC板，根據(jù)變頻器CUVC板提前設(shè)定好的控制參數(shù)，接收來自于PLC的開關(guān)量信號，相對應(yīng)的CUVC板輸入端子24VDC控制電源接通，變頻器受控。

圖2 噴槍控制電器原理圖

參數(shù)設(shè)置過程為：

（1）恢復(fù)出廠設(shè)置

P053=7允許CBP+PMU+PC機(jī)修改參數(shù)；

P60=2固定設(shè)置，參數(shù)恢復(fù)到缺??；

P970=0啟動參數(shù)復(fù)位，執(zhí)行此操作后會看到面板數(shù)字從R000開始所有參數(shù)刷新復(fù)位到出廠狀態(tài)。

執(zhí)行參數(shù)出廠設(shè)置后可以通過操作面板控制電動機(jī)的運行，只能控制電動機(jī)一個方向的運行，要想達(dá)到基本的變頻器應(yīng)用還必須進(jìn)行必要的參數(shù)設(shè)置。

（2）簡單應(yīng)用參數(shù)設(shè)置

P60=3簡單應(yīng)用參數(shù)設(shè)置，P071進(jìn)線電壓，P095=10同步/異步電動機(jī)IEC國際標(biāo)準(zhǔn)，P100=3控制方式；

P101電動機(jī)額定電壓，P102電動機(jī)額定電流，P107電動機(jī)額定頻率Hz，P108電動機(jī)額定速度RPM；

P368=0設(shè)定和命令源為PMU+MOP；

P370=1啟動簡單應(yīng)用參數(shù)設(shè)置，此參數(shù)步驟必須執(zhí)行，執(zhí)行此參數(shù)后操作面板會看到參數(shù)刷新一遍；

P60=0結(jié)束簡單應(yīng)用參數(shù)設(shè)置。

（3）系統(tǒng)優(yōu)化

P60=3簡單應(yīng)用參數(shù)設(shè)置；

P115=2計算電動機(jī)模型“靜止?fàn)顟B(tài)電動機(jī)辨識”注意：在按下“P”鍵后，出現(xiàn)警告信號“A087”變頻器必須在20 s內(nèi)通過面板PMU操作合閘，否則需從新設(shè)置進(jìn)行電動機(jī)靜態(tài)辨識，電動機(jī)線須連接，大約1 min后變頻器自動分閘，電動機(jī)辨識完畢；

P115=4計算電動機(jī)模型“空載測量”注意:在按下“P”鍵后，出現(xiàn)警告信號“A080”變頻器必須在20 s內(nèi)通過面板PMU操作合閘，否則需從新設(shè)置，進(jìn)行電動機(jī)空載測量，大約1 min后變頻器自動分閘，電動機(jī)辨識完畢。

（4）功能參數(shù)設(shè)置

P590=B1，外控選擇；

P554.2=B534，合閘信號；

U299=B18，輸入合閘信號CUVC板第七端子；

U300=1 s，延時1 s合閘；

U301=0，得電延時接通；

U951.67=2，激活計時器功能塊；

P561=B532，使能信號；

U951.23=2，激活功能塊，見圖3或門功能塊；

U296=B621；

U297=5 s，延時5 s；

U298=1，斷電延時5 s使能斷開；

U241.1=B16，噴槍下降CUVC板第六端子；

圖3 或門功能塊

U241.2=B5115，噴槍上升EB1擴(kuò)展板41端子；

噴槍在上升或下降停止后延時5 s使能信號封鎖

P433=K521，速度給定；

U953.85=2，激活功能塊，見圖4模擬信號開關(guān)功能塊；

圖4 模擬信號開關(guān)功能塊

U167.1=K401，速度給定值K401/K402為頻率的百分?jǐn)?shù)的速度給定；

U167.2=K402，速度給定值；

U166=B22，高低速選擇CUVC板第九端子；

P652=B620，驅(qū)動準(zhǔn)備或門；

U240.1=B100，合閘準(zhǔn)備好；

U240.2=B102，運行準(zhǔn)備；

U240.3=B104，運行；

P651=B530，抱閘控制；

U293=B104，運行信號；

U294.1=1 s，延時時間；

U295=0，得電延時接通；

P653.2=B107，變頻故障輸出；

P571.2=B5115，EB擴(kuò)展板控制正方向；

P572.2=B16，反方向CUVC板第六端子；

P555.2=B5117，急停EB1擴(kuò)展板42端子。

5 結(jié)束語

通過S7-400可編程控制和變頻器在噴槍系統(tǒng)上的應(yīng)用，提高了設(shè)備運行的自動化程度，方便了生產(chǎn)中的操作和故障排查。系統(tǒng)化的程序設(shè)計，把設(shè)備和主控室畫面聯(lián)系起來，使原本孤立的設(shè)備與其他系統(tǒng)更緊密的聯(lián)系起來，成為不可分割的整體。不僅滿足了生產(chǎn)需要，并且適應(yīng)了復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境。

Application of PLC Controlled Frequency Converter to Desulfurization Injection System

Ji Lele

(Hot Rolling Plate Company,Tianjin Tiantie Metallurgy Group,She County,Hebei Province 056404,China)

The paper describes the characteristics of desulfurization injection control system.PLC technology and frequency converter technology are applied,which changes traditional control mode and realizes the measurement,control and information integration of the control system.Utilizing PLC,frequency converter control and host computer monitoring,the system provides abundant control functions and improves system reliability.

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姬樂樂，女，2009年7月畢業(yè)于遼寧科技學(xué)院自動化專業(yè)，現(xiàn)在天鐵熱軋板公司從事電氣自動化控制工作。

（收稿 2012－04－11 編輯 崔建華）