探討PLC和ABB變頻器在高爐卷揚上料系統中的應用

胡立偉

摘要：現如今的高爐金屬冶煉過程中，在自動化控制高爐的體系中，核心部分就是上料控制系統。上料系統從以具體的生產工藝要求作為基礎，將槽下準備好的原料穩定安全的運輸到高爐爐頂，為了有效控制上料系統，ABB變頻器得以在高爐卷揚上料系統中廣泛應用，本文就ABB變頻器在高爐卷揚上料系統中的應用展開了研究。

關鍵詞：高爐卷揚上料系統;ABB變頻器;PLC

1.ABB變頻器中應用的技術分析

1.1主從控制技術

這一技術主要是被應用在多電機傳動中，借助光纖連接各個變頻器，并將其中的變頻器設置為主機，其余的均為從機。主從機的電機軸是一種剛性的連接，主要是由減速機、鋼絲繩、卷筒三者進行連接。包括啟停在內的外部信號只能夠和主機變頻器進行連接。通過光纖主機就可以很好的在控制及傳輸轉矩給定值的前提下，實現有效控制從機的目標。主機主要負責控制速度，而從機主要負責控制轉矩，從機的轉矩及速度信號是主機以自身轉矩輸出比例作為基礎計算得出結果之后給予的，可以做到有效平衡控制負載。當在一個合理正常運行范圍內的時候，從內的速度調節器輸出數值為0，從機可以做到緊緊跟隨主機的轉矩給定，做到負載的始終平衡。在主從機速度存在一定差異，并且這個速度差異維持在窗口范圍內的情況下，窗口控制的存在會將從機速度調節器的輸入和輸出數值都維持在0，從而保障從機再次跟隨主機的轉矩給定，始終平衡負載。而當這個差異數值超過窗口范圍的情況下，出于平衡負載的目的，窗口就會將速度差異數值骨和速度調節器進行連接，速度調節器就可以提輸出數值或者是將內部轉矩給定數值降低，知道達到全新的負載平衡為止。

1.2直接轉矩控制技術

這一技術是在上世紀80年代中期提出的，隨后ABB變頻器中的直接轉矩控制技術研究就逐漸走入到研究人員視野中。從本質上來看，直接轉矩控制技術就是一種以電機電磁狀態作為出發點的直接控制轉矩及速度的一項技術，具體一些來說，就是將一個交流異步電機的軟件數學模型置入ABB變頻器的內部，通過實時測量直流母線的電壓、開關狀態來確定一組精準度較高的定子磁通和電機轉矩的實際數值，并在控制輸出單元開關狀態的過程中直接使用這些參數，變頻器的任意一次開關狀態確定都是獨立的，換言之，開關組合的最佳搭配可以針對負載的變化實施及時的轉矩響應，從真正意義上實現了實時控制電機轉矩和轉速的目標。

2.高爐卷揚上料系統組成分析

高爐料車卷揚機在使用的過程中需要滿足如下的幾點要求：第一，具備足夠的物料運輸能力，具體一些來說就是上料速度可以滿足高爐生產過程的實際需求。第二，要保持穩定可靠的運行，確保高爐生產得以連續順利進行。第三需要做到上料的自動化操作，并且系統結構較為簡單，以便于今后維護工作的有效開展和落實。一般而言，高爐卷揚上料系統中使用的都是斜橋式料車上料系統。這一系統主要是由斜橋、料車、卷揚電機三部分共同組成的。在具體的工作過程中，一臺卷揚機需要同時拖動兩臺料車，料車本身位于斜橋軌道上，載料車裝滿爐料處于上升狀態的情況下，空車需要做到下行，從本質上來看，空料車相當于一個平衡車，主要是為平衡料車自身的重量。由此不難看出這一形式的高爐卷養上料系統是由兩輛料車交替進行上料工作的。在斜橋上的料車運動，主要可以分為啟動、加速、穩定運行、減速、傾翻和制動這6個階段。在具體的運行過程中，電機始終處于一種負載狀態，并且在整個過程中包括了兩次減速和一次加速狀態。同時，料車的運動速度和自身的加速度，對于料車提升一次所需要的具體時間有著顯著的影響。

3.高爐卷揚上料系統中應用ABB變頻器的分析

3.1主從控制方案的應用

ABB變頻器所用的主從控制技術本身就是為適應多傳動應用而研發出來的，整體系統交由多個變頻器進行驅動，這一技術的應用使得負載可以較為均勻分配到各個傳動單元上。在高爐上料系統中應用ABB變頻器，其中的主機變頻器需要使用速度控制模式，從機變頻器則是需要使用轉矩控制模式，確保各個傳動單元之間的速度維持同一個數值上。全部的外部控制信號只能夠和主機變頻器的數字輸入口進行連接，從機的控制信號來源是主機，并不需要二次接受外部信號。因為從機不會借助串行主從機的方式將數據反饋到主機中，只需要使用一根單獨的電纜將從機故障信息端口和主機的啟動連鎖端口進行連接，就可以實現在從機出現故障問題的時候，主從機同步停止運行的目標。

3.2電機運行方向控制

從主從控制的原理出發，為實現有效控制電機運行方向的目標，與之相關的線路連接和參數設定只需在主機上進行即可。高爐卷揚上料的計算機控制系統是由PLC控制器進行控制的，自動和手動控制料車皆可，前者也是交由PLC控制器完成，而后者則是由人工控制操作臺的開關來完成的。上料車本身是一個重在負荷系統，出于控制的安全問題，在信號的傳輸過程設計中可以使用電纜的一對一信號傳輸。PLC輸出的兩個正反向運行數字信號需要和手動的開關信號一起通過控制選擇，并在經過保護聯鎖之后，就可以將信號的接入到變頻器的兩個輸入點內，從而實現有效控制變頻器啟動等動作的目標。

3.3變頻器多步速的應用實現

當上料小車處于運行狀態的時候，速度會發生不同的變化，在這一背景下，控制上料小車不同速度階段及停車點位置有著十分關鍵的作用。在上料小車減速位置滯后的情況下，就會導致停車時有著較快的速度和劇烈竄動，容易造成料車掛頂而造成設備損壞。停車點位置靠前則會帶來上料小車無法精準到達受料斗的問題。出于料車定位精準化的考量，可以通過結合使用多圈光電編碼器和PLC控制來實現這一目標。前者需要直接安裝在上料小車鋼絲繩卷筒軸上，這樣一來，多圈光電編碼器一圈發出的1024個脈沖就會和卷筒一圈鋼絲繩的長度完全對應，具體來說，卷筒周長除以1024得出的數值就是一個脈沖數對應的鋼絲繩長度。在系統中，設置上料車在料坑內最低點位置為0，在上料小車逐漸上升的過程中，編碼器產生的信號會傳輸到PLC中，PLC中的計數值也會不斷的上升，借此就可以十分有效地判斷出軌道上上料小車的實時位置。

變頻器具備的多步速功能，從本質上來看，就是在結合使用不同的數字輸入端子組合及軟件參數設定的前提下，做到上料小車運行速度的階段性變化，在外部連線完成之后，變頻器的START FUNCTION需要設定為CNST DC MAGN（就是恒定直流勵磁方式），但考慮到高瞬時轉矩應用的具體需求，恒定預勵磁時間需要設置得足夠長，借此產生充足的勵磁和轉矩，至于時間的設置長短則需要以實際的使用需求為基礎。

4.總結

高爐卷揚上料系統中，ABB變頻器的有效應用，尤其是直接轉矩控制和主從控制技術的應用，有效解決了高爐上料車的重載啟動和定位精準性中存在的問題，同時在同步多傳動問題解決中也會發揮了重大的作用，在縮減整個系統規模的同時將投資量和維護工作量做出了削減。再加之和多圈光電編碼、PLC控制器綜合使用組成的控制系統，不但在操作簡便性和精度上有著巨大優勢，同時維護工作開展也變得十分便利，可以很好的滿足高爐上料系統使用的各項要求。

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