基于ABB變頻器在控制系統中的應用

韋荔甫

摘 要：本文以某公司高爐卷揚上料控制系統改造、設計為例，把施耐德M340 PLC、組態監控軟件和ABB ACS800型變頻器有機結合起來，以矢量控制方式實現了對上料小車的精確控制，供電模式通過主回路上的倒閘來獨立實現，互不干擾，提高了卷揚上料系統的穩定性，對高爐穩產、高產，降低成本起到關鍵作用，確保較好的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：PLC 變頻器 卷揚 上料

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

0 引言

上料主卷揚系統是高爐煉鐵設備中的主要組成部分，是高爐原料輸送的重要裝置，它的穩定性是保證整個煉鋼工藝過程中的關鍵。如何進行高爐上料卷揚系統的技術改進和優化，已成為現代鋼鐵生產工藝中的一個重要課題。

目前，國內許多中小型高爐的上料形式主要是皮帶上料。皮帶上料作為標準上料設備是國內中小型企業采用的最原始的一種上料方法。生成中，要求上料設備要具備足夠的運送能力，即上料速度要滿足高爐生產的要求：1、運行可靠，耐用，保證高爐能連續生產；2、能夠實現上料自動化；3、結構簡單，維護方便；4、一旦投產上料，設備就不能中途暫停，必須一直運行，保證原料不斷地運上高爐。否則，系統因不穩定而造成慢風、休風、停產等問題。為了降低生產中可能出現的問題，本設計通過M340 PLC和ABB ACS800型變頻器的有機結合，實現對上料系統精確、可靠的控制，來提高卷揚上料系統的穩定性，有效地解決了長期因卷揚控制系統不穩定而造成的慢風、休風、停產等問題，降低上料系統的故障率。

本設計高爐卷揚機上料系統主要由主令控制器、變頻電機、變速箱、抱閘、靠背輪和主卷揚組成，如圖1.1所示。卷揚機動力驅動主要依靠三相異步電機通過減速器帶動鋼絲繩卷筒轉動，料車分左車和右車，左車、右車的上下移動由鋼絲繩牽引。上料時，各種原料經過槽下配料后進入中間料斗，再送到料坑，供料至料車，此時，中間料閘門關閉到位。當爐頂準備好后，料車啟動，經過加速→勻速→一級減速→二級減速→到達爐頂停車、制動。牽引兩個上料小車的鋼絲繩由同一個卷筒驅動，假如左車（裝料車）上行時，右車（空料車）下行，左車到頂，對應的右車到底，沒有空行程，如圖1.2所示。

1總體設計

系統改進時采用施耐德M340 PLC和ABB ACS800型變頻器來控制左右上料車。其特點：自帶啟動引導程序，具有自定義編程功能，即內置有可編程模塊、濾波器、斬波器及電抗器，是目前最先進的交流異步電機的控制方式。組態監控軟件使用IFIX，IFIX的作用是采集和傳遞工業現場數據，能實現集中顯示和遠程操作。其最大的優勢就是具有強大的開放式功能和完善的通訊協議以及用戶權限管理功能，能夠很好支持各類PLC。完善之后高爐上料系統組態監控實現的功能如圖1.2所示，由料車系統、探尺系統、皮帶系統、小鐘系統和大鐘系統組成。

1.1設計要求

以某公司某車間為例：該車間每天二十四小時都處于工作狀態，每小時上6批料，每車料用時60秒，其中料車運行時間為45秒，料車停、運和槽下裝料的時間為12秒。這樣，主卷揚電機反復啟動→快速加速（5～10S）→高速運行（30～20S）→快速減速（5～10S）→低速運行（5S）→停止，工作工況于正轉、反轉反復交換，工作條件惡劣。主卷揚電機由變頻器驅動，變頻器必須經受住每天二十小時反復地啟動時大電流的沖擊和減速時的高電壓沖擊而不出現問題。根據產能和技術經驗，該設計時選用了2臺重載功率為110KW ABB ACS800型的變頻器作調速裝置（一臺備用）。在運行過程中，該裝置通過矢量控制方式來實現精確的速度控制。同時，系統還配置了制動單元和制動電阻來實現卷揚系統的制動。主傳動部分由兩臺變頻調速柜組成，一臺主用，一臺備用。在實際生產中，通過主控制柜實現兩個裝置之間的切換，來解決因系統故障不能運行而造成停產的問題。同時實現每個變頻器的控制信號均通過雙向切換電氣設備來完成基本的聯鎖及控制功能，在主PLC與切換柜之間、操作臺與切換柜之間還有繼電器相互隔離，提高了整個系統的可靠性。

1.2系統主回路控制電路的實現

兩臺卷揚變頻器的主回路靠0DK倒閘切換來獨立供電，互不干擾，徹底杜絕了供電主回路共用時主回路的自動空氣斷路器、接觸器、快速熔斷器任何一個元件損壞而導致上料停止的事故發生。兩臺主卷揚變頻器的輸出回路都接至雙投隔離開關2DK上，經2DK的倒閘切換可將任一臺主卷揚變頻器的輸出回路與主卷揚電機接通，如圖1.3所示。

1.3變頻控制功能的實現

① 主卷揚變頻器的啟停控制（以左車上行及停止為例，右車與左車同）：變頻器啟動的前提條件為變頻器無故障，控制回路DC24V電源Z+、Z-正常且變頻器主回路供電輸入AC380V正常。左車上行，繼電器1001K、1002K得電后動作，變頻器的RUN FOR控制端子為高電平（DC24V），則變頻器啟動并正向運轉，料車左車上行。左車上行到位，主令控制器XK到位停車點（第2點）斷開或左車上行位置檢測絕對值編碼器檢測到左車上行到位，而輸出繼電器1014K（自動停止左車上行繼電器）得電動作使左車上行繼電器1001K、1002K失電，變頻器立即停止工作輸出。當受料斗繼電器K1009得電動作，此時，料車禁止上行，直至接收到解除料車禁止上行信號為止，如圖1.3所示。

② 抱閘制動器控制（以1#變頻器工作、左車上行到位后抱閘為例，右車與左車同）：抱閘制動器打開，保證控制線路電源正常得電21KA，即：變頻控制回路（1DK）合閘正確，變頻輸出回路（2D）合閘正確，抱閘制動器供電回路（3DK）合閘也正確。在滿足上述的條件后，1#變頻器正確合閘，繼電器1XLJ得電。當左車上行方向繼電器1012K得電動作后，1#變頻器啟動運行，1RU N得電。1#變頻器輸出力矩繼電器1TORQ也得電，這時，繼電器26KA得電自保，抱閘制動接觸器ZDC閉合，抱閘制動器液壓泵電機得電運轉，抱閘制動器打開。當左車上行到位，主令控制器XK的到位制動點（第七點）斷開或左車上行位置的絕對值編碼器檢測到左車上行到位，該制動輸出繼電器1010K（左車自動定位抱閘繼電器）得電，抱閘制動接觸器ZDC便斷開，抱閘制動器液壓泵電機失電停止運轉，則抱閘制動器抱閘，實現抱閘功能。

③ 變頻器的速度控制（以左車上行及停車為例，右車控制同）：變頻器左重車啟動前4KA、5KA得電動作，則變頻器的SPEED SEL1控制端為低電平（DC0V），1007K失電則變頻器的SPEED SEL2控制端子亦為低電平（DC0V），啟動后變頻器按重車高速：45～50HZ的給定頻率加速（5～10S）到給定頻率，重車高速運行（30～20S），4KA、5KA相繼失電，則變頻器的SPEED SEL1控制端子為高電平（DC24V），變頻快速減速（5～10S）至重車低速給定頻率：5～15HZ，直至到位停車。變頻器左空車啟動時1007K得電，變頻器的SPEED SEL2控制端子為高電平（DC24V），變頻快速加速（5～10S）至空車高速給定頻率：35～40HZ，空車高速運行（30～20S），5KA一失電則變頻器的SPEED SEL1控制端子為高電平（DC24V），變頻快速減速（5～10S）至空車低速給定頻率：5～15HZ，直至到位停車。

④ 料車定位控制。主卷揚上料車定位控制有兩種方式，一是依靠與卷筒同軸轉動的無觸點主令控制器，這種方式簡單、可靠。另一種采用絕對值編碼器控制方式，該編碼器采用現場總線傳輸至PLC控制站，實現料車定位的數字化控制，定位精度高（±1cm）且調整、調試簡單，只須通過鍵盤就可更改定位點；另外通過鍵盤還可設定定位的最大、最小值，這樣就可避免料車沖頂而造成嚴重的事故。

⑤ 系統安全聯鎖

a、在N7（料車主卷揚低壓柜）上設置有緊急停車按鈕TA。 b、左（右）車上行方向超極限保護有XK的第1點、第9點。 c、當出現鋼繩的松繩故障時，松繩檢測開關1SK或2SK動作，變頻器合閘主接觸器斷開，變頻器失電，抱閘制動器失電抱閘。 d、抱閘制動器液壓泵電機供電主回路空氣開關跳閘，則試變頻器合閘主接觸器無法合閘或跳閘，變頻器失電，抱閘制動器失電抱閘。 e、當出現以下任一故障：制動系統故障、超速故障、運行方向故障、減速頻率錯誤故障時，16KA均得電引起變頻器合閘主接觸器斷開，變頻器失電，抱閘制動器失電抱閘。 f、過流繼電器1001GL1、1001GL2或非門1002GL1、1002GL2任一動作時，均引起變頻器合閘主接觸器斷開，變頻器失電，抱閘制動器失電抱閘。g、快速熔斷器R1、R2、R3或R4、R5、R6任一動作時，均引起變頻器合閘主接觸斷開，變頻器失電，抱閘制動器失電抱。

1.4 PLC控制功能的實現

PLC控制流程圖如圖1.4所示。本控制系統通過改造設計實現了振篩振動下料、各倉閘門的關與開、變頻器工作與電機調速、料車的上下行、料車倒料和裝料、大小鐘的關閉與打開的自動控制。其中：

① 振篩控制

PLC的信號：料倉稱重傳感器為“0”，表示倉閘門已關到位，當震動下料，料倉稱重傳感器為“1”時，振篩的振動就停止。

② 倉閥門控制

中間倉閥門關閉，料倉稱重傳感器為“1”，同時中間倉閥門稱重傳感器為“0”，PLC控制倉閥門打開；反之，PLC控制倉閥門關閉，則料倉稱重傳感器為“0”。

③ 變頻器控制

變頻器正、反轉由PLC控制實現。小車停在斜橋底部，當料滿載后，PLC控制變頻器正轉，加速上行；小車空載且在斜橋頂部，PLC控制變頻器反轉，加速下行。中間過程還有勻速和減速控制，靠限位開關給PLC輸入，改變料車運行狀態。

④ 大小鐘控制

小車倒料完畢，PLC控制小鐘開，延時12S后，小鐘關閉。小鐘關閉后，PLC控制大鐘開，延時10S后，大鐘關閉。

⑤ 故障和報警

為避免料車失控、變頻器故障、松繩和設備異常等故障，本系統設置了相應的檢測等裝置，顯示故障并采取了電機抱閘等安全控制措施。

2 結論

本設計通過PLC與變頻器及編碼器的有機結合實現了倉閘門的開與關、變頻器調速、大、小鐘的開與關的控制。通過一年多的生產運行，無論是正常啟動還是中途停車再啟動，均能實現高爐上料的平穩運行。同時，能按照工藝流程完成從料倉經運礦皮帶運至中間倉、從中間倉下落至料車、由料車運至高爐頂卸料至高爐進行冶煉的過程，達到全自動控制的目的。年產值比改造前提升了20%以上，對高爐穩產、高產，降低成本起到關鍵作用，確保較好的經濟效益和社會效益。

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