爐前400炮液壓及電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

回廣振 同國(guó)慶 宗立杏

（中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司 陜西西安 710201）

1 前言

1500至2500立方級(jí)的高爐主要集中于各大型國(guó)有鋼廠，市場(chǎng)保有量約為200座左右。爐前400炮是目前國(guó)內(nèi)冶金行業(yè)主流設(shè)備，400炮液壓電控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，可提升高爐的出鐵效率，改善工作條件，優(yōu)化冶煉過(guò)程，增加工作安全性，實(shí)現(xiàn)泥炮、開(kāi)鐵口機(jī)的遠(yuǎn)程和遙控控制，實(shí)現(xiàn)爐前設(shè)備成套設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，解決用戶現(xiàn)場(chǎng)機(jī)、液、電接口不配套、故障責(zé)任分析不明確、服務(wù)不及時(shí)等問(wèn)題。同時(shí)還可提升爐前設(shè)備整體技術(shù)質(zhì)量水平。

2 液壓系統(tǒng)的組成

400炮液壓系統(tǒng)主要由泵站、油箱及閥臺(tái)三大部分組成。

2.1 泵站部分設(shè)計(jì)

爐前作業(yè)分為堵口作業(yè)和開(kāi)口作業(yè)，兩者不能同時(shí)工作，根據(jù)KD400炮及開(kāi)口機(jī)的參數(shù)可得知系統(tǒng)的工作壓力為25MPa，作業(yè)所需最大流量為400L／min。選用2臺(tái)180規(guī)格的恒壓變量泵［1］可滿足流量需求，為提高系統(tǒng)安全可靠性系統(tǒng)采用兩用一備三臺(tái)液壓泵設(shè)計(jì)。選用電機(jī)功率可由下式計(jì)算可得：

式中：P—電機(jī)功率，kW；

Pn—泵的額定壓力，MPa；

Qn—泵的額定流量，L／min；

ηp—泵的總效率，從規(guī)格表中查出；

φ—轉(zhuǎn)換系數(shù)，取φ=0.4。

每臺(tái)主電機(jī)的啟停都是由軟啟動(dòng)器來(lái)控制，主電機(jī)的啟停分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，主油泵有一個(gè)電磁溢流閥［2］控制卸荷，1個(gè)高壓球閥控制其油路的通斷。考慮到現(xiàn)場(chǎng)的工況以及液壓泵、溢流閥發(fā)熱，還需給系統(tǒng)增加冷卻系統(tǒng)，在液壓系統(tǒng)中工作介質(zhì)溫度一般不超過(guò)70℃。選用信號(hào)蝶閥的開(kāi)閉，可以有效避免泵的空吸早有油泵的損壞。另外油箱上需要必要的附件例如檢測(cè)油箱溫度、油箱液位、循環(huán)過(guò)濾器及回油過(guò)濾器堵塞狀態(tài)。額外增加蓄能器站，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)作補(bǔ)壓及吸收系統(tǒng)震動(dòng)的作用。泵站原理圖如圖1所示。

圖1 泵站原理圖

2.2 閥臺(tái)部分設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的情況，檢查各閥在各種工況下達(dá)到的最高工作壓力和最大流量，以此選擇閥的額定壓力和額定流量。選擇流量控制閥時(shí)，其最小穩(wěn)定流量應(yīng)能滿足執(zhí)行元件最低工作速度要求，即

式中：Qνmin—流量控制閥的最小穩(wěn)定流量，m2／s；

νgmin—液壓缸最低工作速度，m2／s；

A—液壓缸有效面積，m2；

nmmin—液壓馬達(dá)最低工作轉(zhuǎn)速，r／s；

qm—液壓馬達(dá)排量，m3／s。

閥臺(tái)部分由以下閥組組成：泥炮打泥閥組、泥炮旋轉(zhuǎn)閥組、補(bǔ)壓閥組、沖擊器閥組、鉆削閥組、送進(jìn)閥組、開(kāi)口機(jī)旋轉(zhuǎn)閥組、掛鉤閥組，每臺(tái)閥組由電磁換向閥控制液壓缸或馬達(dá)的動(dòng)作，閥臺(tái)部分需要檢測(cè)每臺(tái)液壓缸的有桿腔及無(wú)桿腔壓力［3］，并將其壓力在主操作臺(tái)上顯示。

3 電氣控制系統(tǒng)組成

3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

400炮液壓站電氣控制系統(tǒng)分別可以在操作臺(tái)和遙控器兩處進(jìn)行。控制系統(tǒng)可以運(yùn)行在本地和遙控兩種模式下。本地和遙控模式的切換是在操作臺(tái)上的手動(dòng)自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行。在手動(dòng)模式下所有設(shè)備的啟停及油缸馬達(dá)的動(dòng)作都必須在操作臺(tái)進(jìn)行；而在遙控模式下是在遙控器上完成。無(wú)論在本地還是遙控模式下，主油泵電機(jī)和冷卻電機(jī)都可進(jìn)行連鎖啟動(dòng)控制，但必需將其控制柜面板上的手自選擇開(kāi)關(guān)打到遙控位置，這樣才可以由程序控制，此時(shí)操作臺(tái)上的所有啟停按鈕將失去作用，除了急停按鈕。在選擇了自動(dòng)位置后，當(dāng)操作員按下遙控器里的主電機(jī)連鎖啟動(dòng)按鈕時(shí)，3臺(tái)主油泵電機(jī)為兩用1備，將按照15s的時(shí)間間隔逐一啟動(dòng)。當(dāng)油溫大于35℃時(shí)，冷卻電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，當(dāng)油溫小于30℃時(shí)，冷卻電機(jī)自動(dòng)停止。當(dāng)油溫小于20℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)加熱，當(dāng)油溫大于25℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止加熱。

3.2 電氣硬件系統(tǒng)

該電控硬件系統(tǒng)分別由1臺(tái)進(jìn)線柜、1臺(tái)軟啟動(dòng)柜、1臺(tái)冷卻泵柜、1臺(tái)PLC控制柜、1臺(tái)操作臺(tái)、1臺(tái)閥臺(tái)端子箱及1臺(tái)液壓站端子箱組成。其布置如圖3所示。

圖3 電氣硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3.2.1 控制柜設(shè)計(jì)

用戶將三相四線供電接入進(jìn)線柜，然后配給1臺(tái)軟啟動(dòng)柜和冷卻泵柜，1臺(tái)PLC控制柜通過(guò)UPS電源供電，電源柜和控制柜的外形尺寸為2200mm×800mm×600mm（高×寬×深），前后開(kāi)門。控制柜的頂部各裝有兩臺(tái)30W 功率的軸流風(fēng)機(jī)，保證了柜體內(nèi)部良好的通風(fēng)及散熱。

3.2.2 操作臺(tái)設(shè)計(jì)

操作臺(tái)上設(shè)置泵的啟停、加載卸載及各動(dòng)作的開(kāi)關(guān)按鈕，配備相應(yīng)的指示燈及報(bào)警燈。

3.3 電氣軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)配備山特在線式高性能UPS，當(dāng)市電輸入正常時(shí)，UPS將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，此時(shí)的UPS就是一臺(tái)交流市電穩(wěn)壓器，同時(shí)它還向機(jī)內(nèi)電池充電；當(dāng)市電中斷（事故停電）時(shí)，UPS立即將機(jī)內(nèi)電池的電能，通過(guò)逆變轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)220V交流電，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。UPS始終向負(fù)載提供高質(zhì)量的交流電源，達(dá)到穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、抑制浪涌、尖峰、電噪音、補(bǔ)償電壓下陷、長(zhǎng)期低壓等因素干擾。經(jīng)過(guò)UPS處理后的220V交流電，一部分提供給PLC、計(jì)算機(jī)的電源系統(tǒng)，一部分經(jīng)過(guò)24V直流電源轉(zhuǎn)換成24V直流電輸出，提供給隔離繼電器等需要直流供電的地方。

圖2 閥臺(tái)原理圖

PLC控制系統(tǒng)采用S7－300可編程控制器，S7－300是一種通用性的PLC［4］，能適合自動(dòng)化工程中的各種應(yīng)用場(chǎng)合，CPU選用CPU315－2DP，集成了PROFIBUS通訊接口，通過(guò)PROFIBUS通訊電纜可以實(shí)現(xiàn)S7－300PLC之間的通訊，以及與其它SIMATIC S7PLC進(jìn)行通訊［5］，PROFIBUS－DP通訊主要連接分布式I／O，該控制系統(tǒng)采用1個(gè)主站，3個(gè)分站，主站機(jī)架上主要安裝有1個(gè)PS電源模塊、CPU模塊、1個(gè)CP通訊模塊及3個(gè)模擬量輸入模塊，分站1機(jī)架上主要安裝有1個(gè)接口模塊、1個(gè)模擬量輸入模塊、1個(gè)模擬量輸出模塊、3個(gè)數(shù)字量輸入模塊，分站2主要由1個(gè)接口模塊及6個(gè)數(shù)字量輸入模塊組成，分站3主要由1個(gè)接口模塊及6個(gè)數(shù)字量輸出模塊組成。

4 結(jié)論

此系統(tǒng)能滿足設(shè)備大流量高壓力的使用需要，也提高產(chǎn)品的集成化、自動(dòng)化。

采用分布式I／O集中控制系統(tǒng)完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息的采集與控制，同時(shí)采用市場(chǎng)上最先進(jìn)的PROFIBUS－DP通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)主站與分站之間的數(shù)據(jù)交換，采用工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC之間的通訊，完全滿足了工藝設(shè)計(jì)要求，提高了設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行程度。