基于西門子 PLC的轉爐傾動控制系統

任朝暉

中冶南方工程技術有限公司

基于西門子 PLC的轉爐傾動控制系統

任朝暉

中冶南方工程技術有限公司

任朝暉（1978-）中冶南方工程技術有限公司自動化二所，工程師，主要從事煉鋼工藝電氣傳動控制，研究方向：工業自動化與系統集成。

本文介紹了轉爐傾動系統的機械結構及工藝特點，介紹了基于西門子公司S7-400 PLC和S120變頻器的300t轉爐傾動控制系統的方案選擇和硬件配置，重點討論了轉爐系統實現多電機驅動的控制策略。工程實踐表明該控制系統配置合理、可靠性高，運行效果較好。

轉爐傾動裝置是轉爐煉鋼的關鍵設備，其作用是在兌鐵水、加廢鋼、除渣、出鋼等過程中傾動爐體，完成煉鋼的工藝操作。目前國內主流的轉爐傾動機構采用4臺交流電機傳動，可驅動轉爐主體在±360℃的范圍內任意轉動。如何保證四臺電機同步啟、制動及力矩均衡，是轉爐控制的關鍵。

本文對采用西門子S7-400 PLC和S120變頻器設計的某鋼廠300t轉爐傾動控制系統作簡要介紹。

轉爐傾動負載特性

轉爐傾動系統一般采用4臺傾動電機，通過一兩次減速機剛性相連，并采用全懸掛4點嚙合柔性傳動方式，驅動特點如下。

（1）4臺傾動電機間為剛性連接，要求主從控制為轉矩同步，進行均勻的負荷分配，確保4臺電機同步運行，同步啟停，運行平穩。

（2）當1臺或2臺電機出現故障停機時，PLC立即對剩余的運行電機的速度設定等參數進行調整，確保轉爐能繼續運轉。當3臺以上的電機出現故障停機時，轉爐立即停止傾動。

（3）轉爐傾動過程中，在不同的角度下傾動電機有時出于電動狀態，有時出于發電狀態，需要解決能量消耗回饋問題。

（4）轉爐傾動裝置具有大慣量、重載的運行特點，還兼具位能負載的部分特點，要求傳動裝置能與機械抱閘協調控制實現平穩啟停。

系統介紹

以山東某鋼廠300t轉爐為例，轉爐傾動控制系統由上位工控機、PLC、四臺變頻器、交流電機、通信網絡等組成，系統總體結構如圖1所示。

轉爐傾動控制系統由三層網絡結構組成，其硬件配置及主要功能如下。

1） 基礎級：實現傳動裝置電氣連接、電機驅動及現場操作等功能。本系統采用4臺西門子S120變頻器分別驅動4臺交流異步電機，采用帶編碼器的速度環與轉矩環的雙閉環控制方式。變頻器配備制動單元和制動電阻進行能耗制動以實現平穩制動，控制電源采用UPS供電。

2） 控制級：主要完成對現場設備的控制及控制策略的實施。主控制設備PLC采用西門子公司的S7-400 PLC，PLC通過Profibus-DP總線控制4臺S120變頻器，為保證快速性，DP總線通信波特率設為最高的12M/S。

3） 信息級：主要實現上位機間及其與PLC的數據通信，用于操作人員遠程監測及控制。PC機通過西門子以太網模塊連接PLC，可以實現與PLC數據通信，工控機間及與系統各設備間也通過工業以太網進行數據通信。

圖1　轉爐傾動控制系統簡圖

控制策略

負荷均衡

轉爐傾動驅動裝置采用四臺S120變頻器“一對一”控制四臺交流電機，為了滿足負荷均衡，采用主從控制方式。四臺變頻器共用一個速度控制器，任意選擇選取一臺變頻器作為主變頻裝置，轉爐PLC通過Profibus-DP總線給定主變頻裝置啟停命令和速度給定值，同時接受主變頻器裝置的速度控制器的PID輸出值傳給從變頻裝置，作為從變頻裝置轉矩控制器的轉矩給定值；另外三臺變頻器作為從變頻裝置，僅配置轉矩控制器，轉矩由主變頻裝置給定。各個變頻裝置轉矩均來自主變頻裝置的速度調節器輸出，因此實際轉矩可以較容易的達到基本一致。控制系統框圖如圖2所示。

圖2　主從控制框圖

PID控制器參數整定

PID控制是模擬系統中最常用的控制器，PID控制器數學表達式為：

其中，P為PID回路輸出，K為比例系數，iT為積分時間，dT為微分時間，eΔ為偏差。

轉爐傾動控制系統采用的PI控制器是由變頻器內部CPU實現的。由于本系統中，從變頻裝置的輸入轉矩給定值是由主變頻裝置的速度控制器輸出給定，因此主變頻裝置的速度調節器PI參數整定對整個系統的動態性能和控制效果有很大影響。如果輸出調整過大，系統超調量大，且系統易不穩定；輸出過小，過渡過程較長，響應慢，甚至不能達到理想穩定狀態。PI參數整定工程上常用的是經驗整定方法，通過現場反復試驗，根據系統實際運行情況，得到響應曲線，不斷改變參數直至系統達到穩定且符合工藝要求成。此整定方法比較繁瑣。

本控制系統采用“對稱法”計算PI控制器參數。S120變頻器帶著傾動電機空載做完靜態優化和動態優化后，還需做一次速度調節器的優化，以獲取系統轉動慣量有關的、對額定轉矩下的啟動時間。優化完畢后，查看S120變頻器參數r0345，然后根據“對稱法”得出如下公式：

r0345為變頻器啟動時間參數，P1470為變頻器PI控制器的P參數，P1472為I參數。

這時得到的PI仍然是傳動系統不帶負載的參數，這時還需手工調整：適當減小增益P（減小響應速度）、加大積分時間I（減小超調）。一般選擇P1470 小于10，根據公式計算得到P1472；這里注意的是單位換算，s與ms要對應。參數r0345的單位是s，而P1472的單位是ms，要注意量綱的統一。

抱閘控制

在正常傾動控制過程中，為防止搖爐失控和溜車現象，一般都利用S120變頻器內部的抱閘功能塊。啟動時，先啟動變頻器，等變頻器勵磁電流建立，變頻器輸出一定大小的轉矩后再打開抱閘，停止時，先使變頻器減速，等變頻器減速至一個極小值時關閉抱閘，等抱閘完全抱住后再停止變頻器。

調試抱閘控制時，啟動時的抱閘打開合理的閾值P1220設為達到電流額定值的30%，抱閘關閉是以電機的轉速為標準進行關斷，速度閥值P1225設為20rpm，抱閘打開時間P1216設為100ms，抱閘關閉時間P1217設為600ms，這4個值非常關鍵，如果調整不好將會損壞抱閘，導致鋼水傾倒發生事故。

快速搖爐功能

在正常轉爐生產中，特別是出鋼過程中，需要點動轉爐，使轉爐快速小角度搖動，既要快速性又要保證穩定性。如果按常規方法啟動變頻器，則變頻器啟動后需要約3S左右的勵磁時間，然后還需要約1S左右的時間來建立力矩，從搖動轉爐手柄到轉爐搖動差不多約4S的時間，完全不能滿足工藝生產需要，為此本系統采用了一種“轉爐快速搖爐功能”。

圖3　快速搖爐功能流程圖

操作臺選擇開關旋至本地，便啟動變頻器開始勵磁，但此時轉速設定值 （p1142） 和轉速控制器 （p0856）處于鎖定狀態。電機已勵磁，因而省去了變頻器通常需要的勵磁時間，大約1～3s。現在，在搖爐手柄偏轉和轉爐傾動之間只間隔了抱閘打開時間。一旦搖爐手柄偏轉，便發出“來自控制系統的設定值使能”，立即使能轉速設定值及轉速控制器。搖爐手柄處于零位時，轉速設定值被鎖定，驅動會沿著斜坡函數發生器的下降斜坡減速，一旦低過靜止狀態檢測閾值（p1226），抱閘立即閉合。在抱?閘閉合時間（p1217） 結束后，轉速控制器被鎖定。選擇開關旋至遠程時，停止變頻器。流程圖如圖3所示。

圖4　傾動電機電流曲線

結束語

本系統采用主從控制方式，利用西門子PLC與S120變頻器通過DP總線通訊實現了自動主從切換，保證了系統工作中的穩定性和可靠性。在某鋼廠300t轉爐的實際應用中，該傾動控制系統穩定性好，動態響應快，速度控制精確，電機間轉矩平衡性好，運行平穩。實際應用效果如圖4所示。

上式物理量的計算及其意義見文獻。其他一些套管內防砂篩管完井下的產能公式與公式（10）基本一致。

幾種完井方式下的產能比較

根據某井的地層參數，進行對比計算：

油層厚度h=16m，水平滲透率Kh=0.32um2，垂向滲透率Kv=0.11um2，原油密度ρO=0.974g/cm3，原油粘度μo=71.6mPa·s，原油體積系數Bo=1.076；分支井數n=2，分支水平井長度L=300m，泄油半徑re=1000m，井徑rw=0.107m，機械表皮系數Sv=3，分支水平井到油層底部的距離zw=11m。

分析表1中的結果可以知道，考慮了鉆完井影響的真實井產能都要比理想井產能低。由于鉆井液和完井液對地層的污染和射孔損害，使得射孔完井的產能要比理想井低16.7%；繞絲篩管完井的產能在此基礎上還要低6.7%；而套管內預充填礫石篩管完井的產能是防砂完井方式中最低的。

結語

（1）本文通過運用等值滲流阻力的方法和勢的疊加原理，在輻射狀三分支水平井自然產能公式的基礎上，進行了套管射孔完井、套管內下繞絲篩管完井、套管內預充填礫石篩管完井和其他一些防砂篩管完井方式下的產能研究。

（2）結合現場實例，將適用于分支水平井射孔系列完井方式下的產能與理想井產能進行比較，表明了數學模型的正確性。并指出應當結合實際情況考慮地層損害和完井方式對產能的影響，這對于正確指導分支井鉆完井設計具有重要意義。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.043