45 t轉爐氧槍機械升降裝置自動控制系統

王海帆

（河鋼唐鋼公司 河北 唐山 063000）

0 引言

任何一項生產都需要完備的設施作為支撐，在轉爐實際生產運作中，直流電機作為控制轉爐氧槍的驅動方式被廣泛使用，也是重要的單體設備，在生產運行中極為關鍵。隨著生產技術的不斷革新，交流調速電機驅動逐漸引入生產實踐中來控制轉爐氧槍的升降[1]。交流調速電機驅動有著獨特的優越性能，運行中能夠實現實時調整，并且隨著升降速度的不同發生改變[2]。與高速升降電機驅動相比，低速升降所用的電機驅動局限性更為明顯，不僅占用空間大并且耗時較長，制動性能也未能達到最佳狀態[3]。高低速之間的轉換過程也不能順暢過渡。在轉換的過程中還會因為作用力之間的關系不匹配而造成設備受損[4]。這一過程無論對生產的精準性還是成本耗量都會產生重要影響。在現代化生產作業模式下，交流變頻調速技術所充當的角色變得越來越重要，無論是中型轉爐養槍升降還是小型轉爐氧槍升降，交流調速電機驅動都能發揮出重要的作用[5]。不僅使生產成本得到了控制，設備的內耗問題也會因此減緩，使用起來也更為方便快捷。本文以某鋼廠45 t轉爐氧槍升降自動控制系統為例進行研究，分析交流變頻調速技術在生產中所扮演的重要角色。

1 工藝過程

轉爐煉鋼過程中，每套氧槍的轉換點之間的作用關系基本相同，無論是氧槍的配套參數，還是光電編碼器，每一個部分都是嚴格按照配比關系來進行，它們之間的作用關系是保障安全生產必備裝置。凸輪控制器、行程開關缺一不可。氧槍位見表1。

表1 氧槍槍位

以氧槍由換槍點至吹煉點為例。氧槍的作用力發揮，首要起始點源于0速啟動，這種啟動方式在以往的生產運用中并未進入到實踐化操作。伴隨煉鋼工藝的不斷改進，該啟動方式已得到普遍應用。一旦啟動成功，換槍點便開始運行。設備在運行中速度頻率不斷提升，升降的速率也逐漸進入到高速運行狀態。當生產需要改變時，該速率可切換至低速運行狀態，并將變速點進行下降調節，當換槍點調節到一定位置后即可進入到吹煉點，速度在不斷下降的過程中逐漸調整并停止。

2 自動控制系統的構成

2.1 硬件配置

PLC：本系統PLC采用新品Control Logix5450，該產品的應用與其他同類產品相比更具優越性，在控制轉爐氧槍升降過程中，這種性能更為突出，受到許多鋼鐵企業受眾群體青睞。不但性能高效，運行整體狀態也極其平穩，應用范圍主要針對轉爐氧槍升降控制系統設備來完成。該系統CPU模塊精心采用1684-L1M2型號：這是一款高端模塊組，有了該模塊組生產效能將變得更高，這在以往生產中并未被投入使用[6]。而Control Net通信模塊采用1766-CNBR；Device Net通信模塊采用1766-DNB。

工作站：45 t轉爐氧槍機械升降裝置自動控制系統工作站配備研華工控機，CPU主頻2.8 GHz，內存512 M，配備了三套硬盤系統，均為1 T存儲量，50倍速光驅，內置Control Net網卡，顯示器采用22英寸華碩顯示器。該工作站不僅能夠滿足普通生產中的應用，還能作為科研器械來進行使用。例如它作為編輯器進行應用，滿足生產的自動化控制需求。除此之外，該系統采用了EPSONLQ-1600K針式打印機對日常數據進行打印分析，這樣很多近期數據就能利用此種方式實時進行打印輸出，實現信息傳播的快捷性和精準性，也保證了數據的時效性。

通信：本系統在運轉過程中數據傳輸采用同軸電纜傳輸方式，通過與PLC之間的關聯通信進行遠程數據傳輸，使用的網絡控制系統為Control Net，傳輸速率可達到5M bit/s，有效地保證了數據傳輸的準確性與及時性。在系統中賴以支撐的是Device Net，它是變頻器與PLC之間所需的設備通信裝置。通信介質為Device Net專用的5芯粗纜。

2.2 軟件配置

PLC編程軟件：45 t轉爐氧槍機械升降裝置自動控制系統的PLC編程軟件采用RS Logix5000 Ver 12.02這一最新款產品，該軟件應用較方便，非常易于上手，在使用中用戶可在較短的時間內完成。操作界面清晰直觀，通過各項指令設定能夠較為輕松地進行使用。

上位監控軟件：本系統的上位監控軟件采用了RS View32中文Ver 6.30.16這一款最新圖形開發工具。該軟件在生產應用中極其方便，所有參與工作人員通過該軟件可詳盡地掌握到所需信息內容，不僅如此，它的數據既可以做到歷史記錄保存，又可以進行數據的實時更新，工作人員可以隨時掌握生產信息源。所調取的數據可以生成多種形式，一旦發現與實際生產不符的狀況便會產生報警[7]。最為關鍵的是它還能根據需要進行口令功能的設定，以適應更為廣泛的生產需求。

通信軟件：本系統的通信軟件為了便于后期的升級維護，采用最新產品 RSLinx Ver 2.39，RSNetWorx for Control Net Ver4.20，RSNetWorx for Device Net Ver 4.21。該軟件具有診斷功能，與上位監控軟件的作用一樣，也能起到監控的作用，并且所呈現出的圖像更為清晰直觀。

操作系統軟件：以上全部軟件工具均在Windows 2000及中文Office 2002操作系統環境下進行安裝運行。

2.3 變頻器

本系統采用最新產品1336 IMPACT變頻器。該變頻器采用的技術為FORCE技術，能將控制電動機的磁場獨立分隔開，并且轉矩效應也能作為獨立的個體進行掌控。這樣即便是變頻器處于0速狀態，也可達到滿轉矩的生產需要。如果將設定的編碼進行調速，配置它的作用范圍能夠達到1 000：1。并且調速范圍越低，它的精準性越高。例如當調速范圍控制在100：1以內時，這時的調速精準性將得到進一步提升，轉矩調整率也會因此得到提升。

3 PLC與變頻器之間的數據通信

3.1 PLC與變頻器之間數據通信特點

在本系統中，1336 IMPACT變頻器通過自帶的1203- GK5 Device Net通信接口與PLC機架上的1756-DNB Device Net通信模塊實現了生產數據的信息通信與傳輸。通過通信電纜即可實現PLC與變頻器之間的數據交換，大幅度降低生產所需成本，使生產變得更為安全高效，不僅操作方便，還能使系統的性能得到大幅提升。PLC輸入映像見表2。

表2 PLC輸入映像表

3.2 PLC與變頻器之間的數據通信實現

PLC的功能實現需要作用媒介通過調整電機電壓來實現，也可通過電機轉矩調整，當電機所轉換的信息資源被PLC讀取時便形成了可視映像，這些資源數據通過傳輸功能線進入到PLC系統中，實現變頻器與PLC之間的信息轉換。變頻器狀態字見表3。PLC輸出映像見表4。

表3 變頻器狀態字

表4 PLC輸出映像表

3.3 變頻器相關參數設定

系統運行參數通過變頻器操作面板上設置參數來完成，這些參數可以保證系統正常運行。每個參數值范圍都有它特定的含義，標志著該變頻器的精準性及操作范圍劃定。變頻器控制字見表5。

表5 變頻器控制字

例如：參考頻率3設定為8 Hz，對應的速度值為每分鐘8 m；參考頻率4設為45 Hz，所運行的速度范圍值為每分鐘40 m。加速過程為1 m/s設定為3 s，減速過程為1 m/s設定為3 s。變頻器的頻率—時間特性曲線見圖1。

圖1 變頻器的頻率—時間特性曲線

4 PLC程序及功能

4.1 PLC程序功能

有了PLC程序生產操作性程序，所有的實時功能都變得更為靈活多變，它的操作方式可以有多種選擇，無論是自動還是手動都能實現。一旦選定了某種生產運行方式，便可進行預設，設定的程序會隨著設定的起始點進行運動。從起始點運動減速到停止需完整的生產過程[8]。如果選定了吹煉位置，氧槍可進行微調，以滿足槍位的精準瞄準目標。

4.2 工作站畫面功能

工作站畫面有了此功能，將更高效地在運行中呈現出氧槍槍位以及升降變頻器狀態等各個實時畫面。工作人員可隨意調度取用，隨時監控各個生產環節中的氧槍狀況，通過畫面更為直觀掌握各運行參數，并可清晰地捕捉。一旦發生異樣情況，可根據截取畫面采取有效措施進行調整，此時系統的報警功能就發揮了重要作用。它能在出現問題時及時反饋一些不安全因素，從而保證生產的順利完成。

5 防墜落控制裝置

在防墜落控制裝置中，起關鍵性作用的是安裝在氧槍升降小車上的摩擦制動防墜落機械裝置，該裝置之所以能夠起到防護作用，關鍵在于它能通過螺栓之間的咬合以及齒輪之間的咬合形成了環環相扣的制動能力。有了這種制動力升降小車在上下運行過程中，能有效避免意外狀況的發生。特別是在安裝導向輪以及立柱上的導軌設置，能使咬合幾乎達到完美程度。而運行軌跡也會沿著這些咬合齒輪印跡進行，這樣便能有效降低生產不安全因素。

轉爐氧槍摩擦制動防墜落裝置安裝結構如圖2所示，圖2中1為防墜落機械裝置、2為齒條、3為齒條安裝梁。

圖2 轉爐氧槍摩擦制動防墜落裝置安裝結構

防墜落機械裝置升降小車在上下運行時增加了安全可靠性，有效地降低了事故發生率，而齒輪之間的咬合裝置也使得氧槍升降小車能夠平穩地沿著運行軌跡上下活動。應注意的是這種咬合角度需要實時進行檢查，一旦出現咬合錯開以及脫軌現象，就要及時進行調整和修正，否則制動力強度就會削減，從而影響了生產安全性。

摩擦制動防墜落裝置的可靠性與安全性有目共睹，它為生產的高質量以及安全做出了有效保障。在實際生產過程中，帶氧槍小車的運行安全系數會大幅度提升，確保生產順利進行，其作用不容忽視。特別是當兩廂小車的運行速度超過既定標準時，這種防護裝置便會啟動。在啟動過程中，升降小車所產生的拉力能夠確保小車在原有軌跡上運行，而這種咬合齒塊也會增強平穩性，使防護裝置起到安全作用。一旦發生鋼繩斷裂事件，升降小車便會出現失控現象，這才是摩擦制動防護裝置真正起到作用的關鍵時刻——摩擦制動防墜落裝置因意外摩擦力而形成自動化的啟動裝置，使墜落的小車快速地將速度調整到一個平穩狀態。但齒塊式防墜落裝置并沒有因此而啟動，主要原因在于鋼絲繩還存有拉力的作用。

齒輪安全器防護機械裝置在運行中并不會對機械設備造成磨損或者更多的傷害，因為它的運行原理完全依靠于內部摩擦力，而不是機械之間的磨損力來達到控制目的。當生產中因為操作不當出現氧槍掉落到轉爐中的情況時，也可通過該設置將氧槍及時提起，這樣就能有效避免危險事故的發生。有了這個防墜落裝置，相當于給生產做了一個安全防護工程，它不但操作極其簡單快捷，還能夠確保生產的順利進行。

6 結語

綜上所述，45 t轉爐氧槍機械升降裝置自動控制系統自投入使用以來，在生產中發揮了重要的作用，不僅大幅度提升了生產的效率，還使生產成本得到了有效控制。該系統運行穩定，實現了生產的高效性與精準性。因此該系統與同類生產操作系統相比更容易維護，其優越性明顯，值得推廣。