梅鋼3號燒結機豎冷爐卷揚電氣系統調試

吳建明

(上海梅山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠 江蘇南京 210039)

1 前言

上海梅山鋼鐵股份有限公司3號燒結機為198平方米帶式燒結機[1]，采用環冷機冷卻熱燒結礦的方式，日產燒結礦6060t。為了實現節能減排升級改造，實現帶燒熱燒結礦的余熱回收，公司決定對3號燒結機進行改造，使用豎冷爐冷卻熱燒結礦及余熱回收工藝[2]，該工藝是一項新型工藝技術。豎冷爐冷卻熱燒結礦及余熱回收工藝技術的核心是在完成燒結礦冷卻的同時，實現對燒結礦顯熱的高效極限回收。作為一種燒結礦新型冷卻工藝，避免了機上冷卻、環冷、帶冷等傳統冷卻工藝密封困難、揚塵散熱嚴重等缺點，并具有熱回收效果顯著、占地面積較小、設備維護量小的優點，是實現燒結礦冷卻和高效回收的先進技術。梅鋼3號燒結廠區位置較為緊湊，采用豎冷爐工藝技術平面布置更為合理。采用豎冷爐冷卻熱燒結礦新工藝，通過收集冷卻熱燒結礦所產生的高溫廢氣,經余熱鍋爐生產中壓和低壓蒸汽，使燒結礦顯熱得到最大限度的回收。

根據現場設備布置情況，采用單料車卷揚機上料系統[3]，實現熱破碎燒結礦的裝爐工藝過程。為消除尖峰負荷并降低運行電耗，配置了料車配重系統設備,配重小車及斜橋。

2 卷揚設備系統配置及控制方式改進情況

卷揚裝置的設備組成如圖1所示。包括了卷筒、電機、減速機、制動器、底座等，布置于豎冷爐和皮帶通廊之間的地坪上。卷揚機控制與燒結機下料管閘門、豎冷爐頂部料倉料位等連鎖控制，由PLC按設定程序控制作業，可以實現連續生產自動控制。在卷筒上帶測速裝置，安裝兩臺安全制動器。安全制動器配套專用液壓站、PLC；在傳動或工作制動器失效時，就能將料車安全停住，起到安全保護作用。

圖1 卷揚系統設備組成示意圖

料車通過鋼絲繩牽引實現沿固定軌道的運行。料車運行過程具有自動上料、自動卸料、自動返回的功能；根據燒結臺車的容積確定基本的料車容積和循環周期。料車卷揚機控制方式包括手動控制和自動控制，上料小車控制包括上行控制和下行控制，光電編碼器采集料車的位置信號，料車通過變頻電機控制，包括上行低速，上行加速，上行高速，上行減速，頂部倒料位停止；下行低速，下行加速，下行高速，下行減速，受料位停止完成一次循環過程；料車到達底部后，卸料斗閘門打開小車受料，裝料完成后閘門關閉料車起動上升，開始下一個循環過程。

系統原設計使用兩個主令控制器來進行料車的上行和下行的行程控制，使用增量式編碼器來實現料車實際位置的檢測，并將檢測到的料車實時位置信息接入PLC系統，在HMI畫面上顯示，然而并未用編碼器數據做控制。筆者在調試過程中對幾個地方做了優化和改進。首先是原設計西面主令控制器負責料車上行控制，東面主令控制器負責料車下行控制，不是很合理，所以進行了改進，改為東西面主令控制器均控制料車的上下行過程，這樣的話，系統的可靠性更高，如果其中一個主令控制器發生故障，另外一個還起作用，不會造成料車的失控，系統安全性提升一個檔次。但是在調試過程中發現，因為該主令控制器為國產，而且非主流品牌，產品質量存在缺陷，出現了斷軸等嚴重產品質量問題。由此引發了筆者對該產品后期長期運行時穩定性的擔憂，于是筆者提出了一個改進優化方案。

改進方案第一步，使用原有的增量式編碼器檢測的料車位置數據做料車的行程控制；第二步，在西面小齒箱的出軸上再增加一個絕對值編碼器，同樣作為料車行程控制的備用手段；第三步，第二步完成后，料車行程控制就有2個主令控制器和2個編碼器，共4種方式，為了在主令控制器失效的情況下，不影響生產，在控制程序了采取了對4種控制方式采取了分別使能的控制方法，一旦主令控制器出現問題，可以在程序里面快速將其禁用，不對系統產生影響。在后來的實際生產過程中，確實出現了主令控制器故障，上述方法產生了作用，沒有影響生產。

3 變頻系統的改進及調試

卷揚系統使用交流變頻電動機，采用ABB ACS880全數字交流變頻調速裝置進行調速控制[4,5]。采用兩套變頻器控制，兩套變頻器一用一備，配套制動器和制動電阻。料車運行的基本參數見表1，豎冷爐的料車循環周期根據設計要求為112.5s/車，才能夠滿足燒結機生產的要求，并留出事故狀態下單臺臺車的容量，防止熱礦溢料影響安全和生產。燒結臺車翻料節奏37.5s，正常生產時3臺燒結臺車的翻料量裝入1個料車(對應一個料車運行周期)；特殊情況下允許4臺燒結臺車的翻料量裝入1個料車(最大量)；此時屬于事故狀態，料車降頻率減速運行。

表1 料車基本參數

為了滿足生產的需要，在滿足安全的前提下，盡可能縮短料車運行時間。為了滿足料車112.5s的大循環周期，刨去料車在底部等待放料時間和頂部倒料時間，料車時間運行時間必須控制在80s以內。則料車單次上行或下行運行時間要控制在40s以內，根據表1參數可以計算出高速段速度須大于1.4m/s，低速段速度須大于0.45m/s，折算成電機轉速為高速大于992r/min，低速大于250r/min。

根據計算結果，ACS880變頻器的速度控制參數按照表2所示數值進行設置，實際運行時間與期望值基本相符，料車實際運行時間可以控制在80s以內。

表2 變頻器速度控制主要參數

4 料車抱閘的控制方式的改進

在提升類設備的電氣控制中，常常使用安全接觸器和工作接觸器共同配合來實現抱閘的安全控制[6]，以達到提高安全性目的。圖2中，K1為安全接觸器，K2為工作接觸器。安全接觸器接收來自PLC的指令，正常情況下K1吸合，當PLC檢測到如超速，超限，以及變頻器故障等一系列故障時，分開K1，抱閘失電抱住，達到安全控制的要求；還有一種情況便是，制動器打開指令發出去以后，在指定的時間內，PLC未收到制動器打開到位信號，PLC同樣發出指令，指揮抱閘動作，確保安全。工作接觸器接收來自變頻器的控制信號，同時K2上一副接點引入變頻器作為應答信號。采用此雙重保護以后，系統安全性又一次得到提升。

5 編碼器的編程與調試

光電編碼器從原來的備用手段變成了后期控制料車運行的關鍵設備，發揮了重要作用，主要體現在編碼器的高精度，高可靠性以及數據調整的便捷性。但是在調試初期也在編碼器上遇到了不少難題。

圖2 料車抱閘控制回路圖

增量式編碼器是原設計就提供的，作為顯示料車實際位置數據的。該設備采用SSI接口(Synchronous Serial Interface)，SSI使用差分RS422模式，二進制編碼或者Gray編碼格式，其工作原理是由從設備根據主設備所發送的時鐘信號返回相應的數據。調試初期遇到了編碼器數據亂跳不連續和不穩定的情況，起初以為是信號干擾引起的，進行了干擾方面的排查，問題也沒有解決。最后發現，編碼器與PLC模塊的設置是引發問題的關鍵所在。圖3中，PLC的SSI模塊的SSI Word Filter Control，即濾波設置最初是設置為“Max”選項的，正是這個設置，讓料車在高速運行時的編碼器數值不隨著料車的移動發生變化，原因就是因為被濾波了，將此選項設置為“Off”后，數據開始隨著料車移動發生變化。但是，新的問題又來了，數據跳躍很大，不連續，再次檢查發現，編碼器使用的Gray碼，如圖3左上角的Code Type為“Gray”，將SSI 模塊的Gray-to-Binary Convert勾選后，編碼器數值顯示正常。原因就是將編碼器的Gray碼值轉換為二進制碼值，才能使我們最終看到的數值為正常數值。

圖3 SSI編碼器設置

圖4 絕對值編碼器數值預置

Rockwell公司的842D絕對值多圈編碼器[7]在我公司鐵前系統有著廣泛的應用，使用效果很好，除了精度高，穩定性好以外，該產品可檢測多圈圓周運動，使用Devicenet總線，抗干擾能力強，因為是總線連接，所以編碼器的配置也十分方便。編碼器的預設值按照常規情況，是將料車停在一個參考位置，然后技術人員到現場調整編碼器數值。如圖4程序，使用842D編碼器后，可以編寫一段預置編碼器數值的程序，這樣技術人員不必每次都到現場去操作，只要確認好料車停止位置，在HMI畫面上就可以將編碼器的數據初始化為預定的數值，非常便捷。通過MSG指令[8]可以顯式地改變842D編碼器的“Preset”值(初始值)，圖4中Source Element中所存數據即為初始數據，可以根據實際需要在HMI畫面進行設置。

6 結束語

豎冷爐料車卷揚系統作為關鍵設備，在豎冷爐生產中發揮著重要作用，如果發生故障造成停機，則整個豎冷爐會由此停止生產。所以保持卷揚系統的連續穩定工作和安全工作是十分必要的。料車卷揚系統經過行程控制安全性方面的改進，通過多重行程檢測手段，保證了料車在整個運行行程中不會發生失控故障；經過變頻器系統的改進優化，保證了料車整個行程的運行時間控制在生產周期允許的范圍內，最大程度滿足生產要求；經過料車抱閘系統的改進，繞料車在故障狀態下能夠及時停車，避免發生事故，提升了料車運行的安全性。經過多方面的優化改進之后，系統的可靠性，穩定性得到了極大的提升，系統從2018年初投入運行以來，未出現任何問題，運行情況良好。