基于6SE70變頻器在高爐探尺系統的優化設計

趙家國

（泉州閩光鋼鐵有限公司信息自動化部，福建泉州 362411）

前言

隨著變頻技術日趨完善，控制系統的設計以前只有直流調速才能控制的高精度、大轉矩系統，現在逐漸采用交流變頻器控制。傳統的機械探尺調速系統主要經歷了接觸調壓器調速加主令控制—直流調速器加主令控制—至今通用的交流調速器加編碼器幾個階段。

閩光鋼鐵高爐探尺采用Siemens 6SE70 矢量變頻器來驅動三相異步電動機來帶動探尺減速機拖動探錘上升和下降實現提尺、放尺和料面跟隨控制，其穩定的性能、開放式的組合功能可以靈活設置，它有極高的經濟效益和廣泛的參考價值。

1 高爐探尺工藝概述

探尺是用來檢測爐內礦石與焦炭等料面高度及分布情況的重要設備，探測高爐料面的準確與否，直接影響生產人員對高爐整個生產爐況的監測和分析判斷。盡管采用直流電機調速特性穩定，轉矩特性好，但維護成本較高；選用6SE70矢量變頻器驅動三相異步電動機來帶動探尺減速機拖動探錘上升和下降實現提尺、放尺和料面跟隨控制，關鍵核心在于對料面跟隨控制；通過設置合理的變頻速度和力矩參數進行跟隨控制，從而得到穩定的料線，會給爐長、操作人員上料計劃及維護人員提供重要參考。

2 舊探尺變頻器控制系統存在的不足

閩光鋼鐵高爐探尺原采用Siemens 6RA70 直流調速裝置拖動直流電動機帶動探尺減速機拖動鏈條頂探錘上升和下降進行料面高度探測。但雷雨季節系統工作會不穩定，導致故障率高、料線不易控制等問題，主要如下。

（1）采用直流變頻器和直流電機控制，換向器容易壞，采購備品備件困難，維護成本較高。

（2）采用機械主令和老式接線編碼器控制，信號不穩定，故障率高，每次更換探錘時需要重新校零位，維護工作量大。

（3）放尺采用小電壓控制，電壓波動時，放尺速度不穩定；當負載發生變化時，跟蹤料面力矩輸出不恒定，會有探錘放尺放不下，經常要人工打手動操作。

3 6SE70變頻器在高爐探尺系統的選型設計

根據舊探尺控制系統的使用經驗，高爐改造采用Siemens 6SE70 變頻器驅動三相異步電動機來帶動探尺減速機拖動探錘上升和下降；主令控制設備做為探尺的上極限和下極限保護。對探錘頭位置檢測采用高精度總線型編碼器。其選型如下。

3.1 探尺控制原理圖

變頻器控制采用外部端子控制模式，輸入信號有PLC 給出的探尺、放尺和高低速信號。滿足一定條件時，變頻器輸出制動器打開信號，變頻器運行，故障信號，參與到過程連鎖控制中。如圖1所示。

圖1 探尺控制原理圖

3.2 鏈式探尺及探尺卷揚機設備參數

型式：鏈式卷筒雙探尺，提升質量190 kg；卷筒直徑636 mm；提升速度0.56 m/s；下降速度0.25 m/s；提升重量190 kg；工作行程11 300 mm；極限行程14 030 mm；工作壓力200～210 kPa。

3.3 控制系統硬件

主要配置如下：S7-400PLC 帶ET200M 擴展一套；變頻器6SE7023-4EC61 15 kW 一臺；電動機YTSZ112M-6 2.2 kW AC380 V 一 臺；抱 閘YWZ5-200/30 一個；增量型編碼器8.5020.D354 1024 DP 總線型一個；主令控制一套等。

3.4 高爐探尺工作流程控制狀態的分析

如圖2 所示［2］。探尺電機過程控制分為：放尺、提尺及料面跟隨三種狀態。其工作過程為：當探錘自零位按設定的料線開始自動下放，變頻器接收到放尺命令時，對電機進行速度加轉矩控制，因探錘受到的提升力和阻力小于其自身重量U＞U0時探尺加速下降。當下降速度超過設定負向極限值U0時，變頻器會增大電機輸出轉矩來減小下降速度，最終探尺以恒速U0降至料面［2］。料線高度由電機軸編碼器傳至變頻器從南將將實際位置反饋給PLC。

圖2 探尺工作流程圖

探錘接觸到料面時，受到料面向上的支撐、電機提升力和自身重力，變頻器給出一個附加浮尺力矩扶正探錘，跟隨料面運動，從而達到平衡，穩定在一個料面高度進行精準料面跟隨控制。此時變頻器退回到轉矩控制，探尺相對于料面靜止，下降速度與料面下降速度相同，跟隨料面運動的同時通過位置編碼器將實際位置反饋給PLC 在上位機上顯示，達到實時測量料位的目的［2］。

探錘下探到爐內物料即設定的料線位或出現爐內榻料而達到強制提尺距離時，變頻器采用速度控制方式使探尺恒速快速提尺到零位，礦石與焦炭等物料依據工藝設定值向高爐爐內下料，物料下料完成，等待下一輪下料命令；如此循環往復，使探尺穩定在一個料面高度。

4 探尺控制的關鍵技術

4.1 控制方式

選擇合理的控制方式是精準測量料線的關鍵，也是整個程序設計的核心。在整個電動機轉速范圍提供恒定轉矩，在閉環控制驅動中提供絕對的速度控制；能調節電動機轉矩，頻率范圍，需具有較硬的機械特性；系統采用P100=3無速度傳感器矢量控制方式。

4.2 電機參數優化

探尺是一個位能負載，在放尺到料面跟隨的過程中對力矩的控制、對系統的快速性要求較高；因此要想為獲得傳動較好的閉環控制效果，必須對電機辨識優化。本系統對電機分別完成P115=1，2，3，4或5辨識。這對電機優化達到理想狀態有好處。

第三，服務與品牌管理。在中小零售企業電子商務商業運營模式建立和運行過程中，要想維持企業和客戶之間的關系，就要突出企業的競爭優勢，并且企業要在設計實際運行體系的過程中充分考量服務結構，提高品牌的社會市場辨識度，從而提升客戶的忠誠度，促進企業利潤的全面優化。

4.3 力矩控制關鍵點

為實現浮尺操作，需要保證探錘觸到料面時，不僅無倒尺現象的發生，而且鋼絲繩一直保持有一定的張力而張緊，同時能隨料面的下降而下降。為此，先分析負載特性，即探錘從放尺開始，到觸到料面，并跟隨料面下降這一過程中速度與力矩的變化過程。

放尺時采用速度控制，讓探尺較快的下放，是一個加速往下放的過程，當快到觸到料面時，這時候采用力矩控制，對電機施加一較大向上的力矩，以使重錘速度為0，當觸到料面時，自動切換到力矩控制，給出一個附加浮尺力矩（P505=10%）扶正探錘，這時候對電機施加一向上但比較小的力矩，使得與料面的支持力和重錘的重力基本相等，使重錘直立在料面上，同時鋼絲繩保持一定的張力。

當提尺時，抱閘打開變頻器為速度控制，提尺到“零點”時，系統發出停車命令；提尺的力矩大于探錘自重；通常探錘向上張力約為其重力的5%～70%時運行效果較為理想。

4.4 系統主要參數設置

（1）變頻器啟動專家應用

依據電機銘牌，輸入電機基本參數。

（2）抱閘控制

當變頻器接收到提尺和放尺并且輸出力矩達到額定力矩P611=20約20%左右，抱閘打開，反之抱閘關閉。

U951.78=4，U186.1=20 濾波后速度，U186.2=501 限幅后速度，U186.3=18，U187.2=41 固定給定值，U187.4=42固定給定值，U187.5=525；

P401=17 放尺速度，P402=0 扶尺速度，P403=60提尺高速，P404=50提尺低速。

（4）轉矩控制

起步轉矩條件：U952.38=4，U132.2=24 電機轉矩給定，U132.1=46轉矩固定設定值；P406=10。

扶尺轉矩條件：U951.34=4，U281.1=661，U281.2=18，U281.3=471，P405=6。

（5）附加轉矩

U950.85=4，U166=501，U167.1=0，U167.2=K087，P506=521，P505=10%。

5 結束語

通過對探尺調速控制系統優化設計和調試，采用以Siemens 6SE70變頻器為核心的調速控制，方便的實現探尺的提尺、放尺和料面跟隨控制，料線穩定，滿足高爐生產工藝的要求；降低了故障率，節約了備品備件及維護費用，為公司帶來了良好的生產效益；有很好的經濟價值和同行業學習參考價值。