關于煉鋼鐵水測溫取樣機安全系統的設計

龐興利

（四川攀研技術有限公司，四川 攀枝花 617000）

以往鐵水取樣槍長3m，無向下換槍部分，從使用情況來看，無論是在調試還是在使用過程中，都發生過取樣槍失控飛車的情況，發生該事故的主要原因是鐵水取樣限位及其它安全系統設計上的缺陷，包括對限位的硬件設計和程序設計。事故造成取樣槍直接插到鋼包里面，這在煉鋼對設備的使用安全和工藝要求上都是不允許的，給使用單位和維護單位帶來了一些安全隱患，一旦出現故障，對煉鋼生產也將造成極大的影響。而目前鐵水取樣設備的長度是過去的2倍，限位點多，限位要求高。另外現場電磁干擾大，也是對取樣系統運行安全穩定的極大考驗。

1 鐵水測溫取樣原理

取樣機主要由雙軸變頻電機、制動器、渦輪減速器、傳動箱、齒條、破渣頭、測溫取樣復合槍、取樣開關門、取樣限位器及控制系統組成。取樣機的工作過程：安裝好測溫取樣探頭→按下取樣按鈕→取樣開個門開→取樣頭下降到達液面進行破渣測溫取樣→取樣頭提升復位→人工取下樣品進行水冷→取樣頭提升復位→取樣開關。

2 機械限位裝置設計

如圖1所示，該裝置的設計目的是防止在取樣組態下取樣槍失控，以至于槍體插到鋼包底部，引發人員和設備的安全事故。該機械裝置需要配合焊接導軌上的擋塊一起使用，其原理是：在取樣狀態下，氣缸動作，限位導向塊伸出，系統檢測氣缸上面的行程開關信號，伸出信號正確，取樣動作可執行，否則，系統報故障，不能執行取樣要求；在換槍狀態下，氣缸動作，限位導向塊收回，系統檢測氣缸上面的行程開關信號，收回信號正確，換槍動作可執行，否則，系統報故障，不能執行換槍要求。

圖1

3 取樣電氣限位設計

取樣限位由三限位組成，一是溫度限位，二是編碼器限位，三是接近開關限位。3個限位為并聯關系，都具有相同的限位功能，即系統只要采集到其中1個限位信號，控制系統都會執行相應的動作，不同的是，3個限位發生時間有先后，一般情況下，首先發生效應的是溫度限位，該限位由安在取樣頭的測溫熱電偶傳至PLC，取樣槍進入鋼液下降過程中，熱電偶檢測到的溫度是逐步上升的，當溫度達到設定溫度并穩定時，即溫度達到1300℃，取樣槍自動上升。

由于鋼包鋼液面深度有差距，有些鋼包液面很低，甚至無法取樣。另外在取樣過程中，熱電偶可能發生故障，此時不能靠溫度限位，從而在溫度限位的基礎上設計了另外兩種限位，編碼器限位為第二重限位，只有當溫度限位失效時，該限位才發揮作用，接近開關為第三重限位，只有當前兩種限位方式都失效時，該限位才發揮作用。3個限位發生的作用一樣，而發生的條件不一樣。

另外，取樣零位的控制也由3個限位組成，一是編碼器信號，二是接近開關信號，三是行程開關信號。3個限位為并聯關系，都具有相同的限位

本系統PLC控制選用西門子S7300CPU，取樣機電機采用變頻電機，其變頻器采用西門子的MM440，采用PROFIBUS-DP通訊方式控制電機轉速和轉向。安全限位系統里面的各個限位數據均接入PLC控制系統，其中溫度數據采用4～20mA信號接入模擬量模塊，原理如圖2。

圖2

4 EMC電磁抗干擾設計

電磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility)，是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行，并不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中，對所在環境產生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對所在環境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

鐵水取樣電氣系統所在地方，電磁干擾大，控制柜和取樣機距離遠，而變頻器本身也會產生大的電磁干擾。一旦電磁干擾大或抗干擾設計不足，將會給系統的安全性造成致命的影響。本系統EMC設計包含以下幾個部分：

（1）用三相五線制，引入單獨的接地線。

（2）對所有電器元件接地。

（3）對PROFIBUS-DP通訊終端設置終端電阻。

（4）通訊波特率調低，設置為9600Kb/s。

（5）變頻器和PLC控制系統隔開，單獨放置。

（6）所有強電和控制線分開布線。

5 安全限位程序設計

用STEP7-300編程，程序模塊化，主要分為OB主程序組織塊，故障報警FC1功能塊，取樣槍主程序FC2塊，信號指示FC3功能塊，數據轉換FC4功能塊，系統功能復位FC5塊，用于數據調用的DB數據塊等，面對取樣設計的安全取樣限位系統程序主要集中在FC2塊。

取樣槍安全系統限位FC2塊程序設計：

A "急停"

A "手動"

A "下降"

AN "取樣下降到位"

AN "取樣下限位持續"

O

A "急停"

A "快速下降"

AN "上升標志"

AN M 4．2

AN "快速上升"

= L 8．0

A L 8．0

JNB _001

L W#16#47F

T PQW 268

_001： NOP 0

A L 8．0

A "自動"

= L 8．1

A L 8．1

A(

L " 數據轉換 "．speed

L 4500

)

JNB _002

L "數據轉換 "．speed

T PQW 270

_002： NOP 0

A L 8．1

A(

L "數據轉換 "．speed

L 4500

>=I

)

JNB _003

L 4500

T PQW 270

_003： NOP 0

A L 8．0

A "手動"

= L 8．1

A L 8．1

A(

L MD 100

L 8．416210e+006

)

A(

L " 數據轉換 "．speed

L 4500

)

JNB _004

L "數據轉換 "．speed

T PQW 270

_004： NOP 0

A L 8．1

A(

L MD 100

L 8．416210e+006

)

A(

L " 數據轉換 "．speed

L 4500

>=I

)

JNB _005

L 4500

T PQW 270

_005： NOP 0

A L 8．1

A(

L MD 100

L 8．416210e+006

>=R

)

JNB _006

L 1800

T PQW 270

_006： NOP 0

A L 8．0

BLD 102

R "取樣上升到位"

6 制動電阻的選型設計

制動電阻是波紋電阻的一種，主要用于變頻器控制電機快速停車的機械系統中，幫助電機將其因快速停車所產生的再生電能轉化為熱能。取樣機在下降過程中，由于重力的作用，取樣機會帶動電機轉動，會產生大量的再生電能，如果不及時消耗掉這部分再生電能，就會直接作用于變頻器的直流電路部分，輕者變頻器會報故障，重者則會損害變頻器；制動電阻的出現，很好的解決了這個問題，保護變頻器不受電機再生電能的危害。

選型計算步驟如下：

（1）電阻功率（kW）=電機千瓦數×(10%～50%)=10kW

（2）制動電阻值（Ω）。

R=U/2I～U/I=5～10，直流回路電壓計算如下：U=380×1．414×1．1V=600V

其中，R為電阻阻值，U為直流母線放電電壓，I為電機額定電流。

（3）最小容許電阻(Ω)：max(驅動器technical data中要求，放電電壓/額定電流)。

制動轉矩=[(電機轉動慣量+電機負載測折算到電機測的轉動慣量）×（制動前速度-制動后速度）]/375×減速時間-負載轉矩=1333N．M

（4）制動電阻的阻值 =制動元件動作電壓值的平方/（0．1047×(制動轉矩-20%電機額定轉矩）×制動前電機轉速）=6．3Ω

（5）制動電阻選型型號為：4BC21-2EA0。

7 結語

本文從目前鐵水取樣出現的問題出發，分別從硬件和軟件的角度，對取樣系統進行安全設計，提出了多重多位并聯式安全限位系統設計，EMC抗干擾設計，及制動電阻抗再生能設計，使鐵水測溫取樣設備的安全使用系數大大提高，使用性能穩定，為煉鋼安全生產提供了保障。