淺談高爐探尺交流變頻控制改造及調試

楊軍軍

（陜鋼集團漢鋼公司，陜西 漢中 724200）

1 概述

漢鋼公司1#高爐探尺改造前是采用直流電機驅動其機械設備,直流電機結構復雜，故障率較高，備件種類及附件多且維護困難，故予以改造。改造方案需要將原直流電機改型為交流變頻電機。探尺系統將原有直流控制需要改造為交流變頻控制。西門子變頻器廣泛，維修人員熟悉便于維護，因此選用西門子公司矢量控制電壓源型S120變頻器。探尺設計方案如下：

（1）傳動電機采用三相交流異步電機，型號YZTET1132M-6。電機功率：2.2kW，電壓：380V，轉速：996轉/分，電機絕緣等級H，連續工作制。

（2）減速機構速比63，卷尺滾筒直徑667mm。正常工作時，提尺速度0～0.5m/s,放尺速度0.33～0.37m/s。

（3）旋轉編碼器/卷筒軸轉速=（編碼器旋轉一圈，重錘位移2000mm）。

（4）探錘質量選用150Kg倒錐形重錘,提升高度10000mm,工作提升高度為6000mm。

（5）本次改造選用西門子S120變頻器，功率模塊6SL3210-1SE21-OUA0/4KW。探尺放尺中使用力矩控制，電動機處于發電狀態,需加制動電阻6SL3201-0BE12-0AA0/和制動單元6SL3203-0CD21-4AA0/以消耗能量。

2 機械探尺的工作原理

目前，1#高爐使用的機械探尺是鏈條式垂直軟探尺，又稱鏈條探尺。基本結構為將鏈條固定于卷筒上，鏈條下端懸掛重錘，鏈條隨重錘下探到高爐內部，電機驅動滾筒正反向轉動，帶動重錘上升或下降。具體工作過程分三個階段：放尺、料面跟蹤、提尺，工藝必須滿足以下方面：

（1）放尺要順暢、勻速，速度不要太快。

（2）料面跟蹤時探錘緊貼料面，無倒錘現象，自動跟隨料面下降，無浮錘和懸錘。

（3）提尺過程迅速、穩定，到待機位時自動停尺。

2.1 放尺過程

根據探尺受力分析，重錘重力Mg，鏈條重力ML，變頻器提張力Md，可知Mg、ML方向垂直向下，Md方向垂直向上。放尺過程變頻器處于速度控制狀態，調節Md使重錘以恒速V下落，受力關系滿足Md≤Mg+ML。

2.2 料面跟蹤過程

探尺在勻速下放的過程中，當探錘觸及料面時，變頻器由速度控制切換為力矩控制。假定探錘受料面支撐力為Mz，氣流對探錘的浮力為MF，工藝要求探錘保持直立形態而不倒，電機要產生保持向上的張力Md拉住重錘，此時，受力分析為Md+Mz+MF=Mg+ML。探尺跟蹤料面時要求探錘隨料面下降而同步下降，并且不出現懸浮和傾倒的狀態。即要求選擇合適的力矩Md，若Md太小，重錘容易傾倒，如果Md太大，重錘就不能跟隨料面，發生重錘懸浮現象，探尺也不能反映料面的真實高度。

2.3 提尺過程

當探尺跟蹤料面降到一定高度時，探錘需要向上回收，此時，變頻器切換為純速度控制控，重錘以設定速度上升到待機位，并保持在待機位，稱為提尺。提尺過程中，受力關系為：Md＞Mg+ML。

探尺的調試難點主要在以下兩個方面：一是探尺重錘的定位；二是重錘在不同區間段運行時不同控制方式間的切換。探尺基本的位置有檢修位置、待機位置、上極限、零位（0m料線）、6m料線、下極限。可以根據操作習慣選擇待機位或零位（0m料線）停機，優選待機位停機。

3 探尺的變頻控制

提尺和放尺時，變頻器采用速度控制，跟蹤料面時采用轉矩控制，三個階段變頻器內部實現自由切換。內部功能框圖如圖1所示。

圖1 變頻器內部控制功能圖

提尺時，PLC發出提尺命令，控制繼電器吸合，信號通過參數r0722.1控制變頻器內部開關K1處于“0”位，K2處于“0”位。此時系統實質為轉速轉矩雙閉環系統，為主動傳動系統。電動機處于電動狀態，通過參數P1001設定可控制探尺的提尺速度，電機50Hz運行時1500rpm/min，設定600rpm/min。

放尺時，PLC發出放尺命令，控制柜內繼電器吸合。放尺分為三個階段，分別是：第一階段是速度控制，信號通過參數r0722.2控制變頻器內部開關K1處于“1”位，通過參數P1002設定可控制探尺的提尺速度，我們設定300rpm/min。電機主動反轉，有利于克服機械系統的靜摩擦，將重錘下放。第二階段，采用力矩控制：延時8s（參數r20160控制）電子開關k2切換到“1”位，電機由轉速轉矩雙閉環切換為轉矩環控制，力矩略值小于重錘力矩，電磁力矩Mo+Mf=Mg+ML，探尺被倒拉著繼續勻速下放。探尺繼續下放，直到重錘底部碰到料面被擋住。進入第三個階段：重錘碰到料面，重錘會發生一定的傾斜現象，力矩變小同時滿足力矩達到下限（參數r20233控制）時，通過附加轉矩給定P1003由P1503端輸人，P1003為設定值約為3%～5%，產生向上的力將重錘扶起，重錘很快被扶正，直至Ms=Mg-Mz，重錘垂直立于料面上，力矩保持暫時的平衡。隨著料面下降，重錘失去料面的支撐，暫時的力矩平衡會被打破，重錘跟隨料面下降。

調試中，重點和難點依然是放尺和跟隨。放尺初始速度設定值P1002，放尺的附加轉矩給定值P1003不宜過大或過小。

4 調試過程中出現的跟蹤料面問題及解決辦法

探尺投入運行后，跟蹤料面效果不是很好，變頻器設置的參數沒有改變的情況下，高爐爐況也無較大的波動情況下，有時跟蹤好無倒尺現象，有時重錘有倒尺現象，還有的會出現懸尺現象。探尺電動機制動器調整不當，有輕微的點剎現象，將制動器重新安裝，情況有所改變。但還是沒能達到理想狀態。隨后計算探尺的受力，探尺的卷筒力矩：Mj=F×L=9.8×105×0.636÷2≈330n·m，電動機放尺力矩：Md1=Mj/減速機速比=330n·m÷63≈5.24n·m，跟蹤料面力矩為：Md2=(Mg+ML-MZ)/63≈1.97n·m。

借鑒2#高爐探尺實踐經驗，為徹底解決探錘倒尺問題，改變探尺形狀和重量，一方面降低重心位置，增大探錘與料面接觸面，一方面弱化傳動系統摩擦力影響，探尺由圓柱體改為圓柱和圓錐結合體，重量增加60KG。改進后探尺受力分析，探尺的卷筒力矩：Mj=F×L=9.8×165×0.636÷2≈514n·m，電動機放尺力矩：Md1=Mj/減速機速比=514n·m÷63≈8.16n·m，跟蹤料面力矩為：Md2=(Mg+ML-MZ）/63≈3.36n·m，探錘質量的增加有效克服了系統摩擦力的影響。探錘更換后，探尺工作狀況明顯改善，從爐內成像觀察不再有倒錘現象，探尺運行趨勢也達到了理想效果，如圖2所示。

圖2 改造后探尺效果圖

5 結語

改造后，在探尺本身的機械特性變化不大的情況下，隨著爐內料位、壓力等其他因素的變化，交流探尺控制系統都能精確實時地探測料面，并跟隨料面下降，不倒尺、不懸尺。現場多次測定其精確度達到厘米級，為確保高爐順利、穩定生產奠定了基礎。