石灰爐卷揚電氣傳動與控制系統的改進

丁振洪　

石灰爐卷揚電氣傳動與控制系統的改進

丁振洪

（中國鋁業廣西分公司，廣西 平果 531499）

文章介紹國內某氧化鋁廠石灰爐卷揚電氣傳動與控制系統的組成及其控制原理。卷揚旋轉式位置編碼器產生的脈沖信息傳送到PLC，PLC根據高速計數器的當前計數值與各段減速預置值相等的條件，通過多次執行中斷程序的方式控制卷揚變頻器的啟動、方向、轉速及下一級減速的預置值，直到多級減速完成、觸發限位停車或脈沖超限保護停車。分析前期卷揚運行過程中存在的“沖頂”“蹲底”和“撒料”等問題產生的原因，并通過優化PLC程序以及提高限位可靠性等措施加以解決，達到了改善控制性能的預期效果，為今后卷揚的運行和維護提供積極的指導意義。

卷揚電氣傳動與控制系統；多級減速；存在問題；優化

引言

石灰爐卷揚運行過程中的“沖頂”“蹲底”和“撒料”等事故會給生產、設備及安全帶來的嚴重影響，因此提高電氣系統的可靠性和設備本質安全水平十分重要。本文深入研究卷揚電氣控制原理，分析卷揚“沖頂”“蹲底”和“撒料”的原因，從“硬件”和“軟件”兩方面采取措施完善電氣控制系統，解決困擾卷揚運行的技術問題，取得了良好的實際效果。研究成果“脈沖編碼器斷軸檢測保護”控制模式（用于防止卷揚“沖頂”和“蹲底”），已成功復制推廣到赤泥壓濾皮帶“防打滑”控制，顯著降低了崗位人員清理物料的勞動強度。

1 石灰爐卷揚主要工作流程

國內某氧化鋁廠原料車間石灰爐工序有兩臺石灰爐，爐前石灰石倉和焦炭倉的石灰石及外購的焦炭經電子皮帶秤以一定的比例進行混合并加入到混料倉，卷揚下降到位后混料倉放料到卷揚料斗，配好的石灰石和焦炭經卷揚加入到φ4.5 m×22.25 m的石灰爐頂。石灰爐卷揚是石灰爐上料系統的重要設備，其自動循環控制的主要工作流程為：料斗進入下限位置—主控室PLC得到卷揚下降到位信息—主控室PLC控制混料倉放料—卷揚快速上升—經三級減速—到上限位置停車卸料—卷揚快速下降—經三級減速—碰下限位停車裝料。

2 電氣傳動與控制系統的組成與原理

石灰爐卷揚電氣傳動與控制系統如圖1氣所示。電氣傳動由卷揚主電機和ABB變頻器構成交流調速系統。控制裝置主要由S7200可編程序控制器（PLC）、觸摸屏、位置脈沖編碼器、上下行程限位等組成。卷揚電氣傳動與控制系統的核心功能是控制卷揚的運動，對卷揚的位置、速度進行實時的控制管理，使其按固定的運行軌道和規定的運行參數進行運動。同時要求卷揚在上、下限位置能實現精準停車，卷揚的控制類似于電梯的位置控制、要求料斗定位準確，以確保卷揚完成料斗的裝料和卸料操作。

圖1 卷揚電氣傳動與控制系統簡圖

變頻器預設四級恒定速度，各級速度的大小在變頻器參數組12 CONSTANT SPEEDS設置[1]，恒定速度通過變頻器數字輸入口進行選擇，輸入口DI3、DI4、DI5的組合狀態確定變頻器的速度設定。

變頻器的速度選擇、啟停命令及運行方向均由PLC控制。PLC的開關量輸出點Q0.6、Q0.7、Q1.0控制變頻器控制板數字輸入口DI3、DI4、DI5的狀態，轉速的選擇、各級轉速的大小及對應卷揚的運動狀態見表1。PLC 輸出點Q0.4控制卷揚變頻器的啟動（DI1），PLC輸出點Q0.5控制卷揚變頻上升或下降運動方向（DI2）。變頻器的運行、反轉運行及故障等變頻器信號反饋給PLC，用于顯示卷揚的運動狀態和控制抱閘，如果PLC發出了變頻啟動或反轉命令而沒有收到變頻器反饋的運行或反轉運動信息，則PLC延時4秒控制卷揚變頻器停車抱閘并在觸摸屏上產生報警信息。

D150型變頻器配有制動單元，當卷揚下降或機構制動時，電動機所產生的能量使直流母線上的電壓升高，直流電壓超過極限值時，制動斬波器和外接制動電阻開始工作，起到“能耗制動”的作用。

表1 速度選擇與變頻器的運行狀態

增量式脈沖編碼器與減速機輸入軸連接，每旋轉一圈產生100個脈沖，脈沖信號通過單極開關卷揚位置脈沖編碼器信號接入PLC的輸入點I0.0，作為PLC內部高速計數器HSC0脈沖輸入信號。HSC0計數方向是雙向的，由高速計數器的控制字節的第3位來控制加計數或減計數，當卷揚上升時該位為1時高速計數器為加計數，當卷揚下降時該位為0時高速計數器為減計數[2,3]。單極開關用于手動調節計數器的當前實際計數值，使其與卷揚的料斗位置相對應。變頻器四級速度與卷揚的運行位置相對應，卷揚變頻器的4級速度根據計數器實際計數值的范圍選定，越靠近上、下限位置卷揚速度越慢（準備停車卸料或裝料）。轉速與計數值的對應關系如表2所示，VD為PLC內部數據塊，其參數值可通過觸摸屏修改。計數值的合理范圍為：VD528＜HC0＜VD512，當計數值大于VD512脈沖超限保護動作卷揚停止上升，當小于VD528脈沖超限保護動作卷揚停止下降。脈沖編碼器故障時很容易產生脈沖超限，計數值曾經高達60多萬，此時需要修改當前計數值才能恢復設備的正常運行。

表2 變頻器速度與計數值的對應關系

各級速度啟動時除了選擇速度外還需設定下一級減速的HSC0預置值或脈沖保護預置值，當實際計數值等于下一級減速度或脈沖保護預置值時，PLC通過多次執行中斷程序的方式控制卷揚變頻器減速，直到多級減速完成、觸發限位停車或脈沖計數超限保護停車。中斷子程序主要控制變頻器的轉速、啟動、方向、抱閘、下一級中斷高速計數器預置值及改變計數器計數方向。當上升和下降運動相互轉化時，需要改變高速計數器HSC0的計數方向。上升和下降過程的三級減速及脈沖超限保護都是通過中斷程序來執行，以達到快速響應的目的，總共有八個中斷子程序，上升和下降過程各占４個，各中斷子程序的執行條件均是計數器HSC0的當前值與計數器的三級減速和脈沖超限保護預置值相等。三級減速既要保證卷揚的定位可靠性，減速后用第4段最小的速度觸發上（下）限位精確停車，又要充分減少卷揚上升和下降的時間，盡可能延長卷揚的高速運行時間。觸摸屏用于設置卷揚運行參數和顯示故障信息。主要設置卷揚上升三級減速計數器預置值、上升到頂停車預置值、上升到頂下降時賦值、卷揚下降三級減速預置值、下降到底停車預置值、下降到底上升時賦值。卷揚一般經三級減后碰限位停車，脈沖數超限時也會停車。

為減少脈沖累積誤差，在卷揚下降到底上升的瞬間和上升到頂下降的瞬間程序自動更新高速計數器HSC0的當前值，給實際計數值重新賦值，而不是在當前計數值數據基礎上進行加減。重新賦值的條件是計數器HSC0的當前值介于三級減速與脈沖超限保護值之間，且上或下限位動作。這個過程對穩定卷揚的運行有重要作用，實際計數值能否成功賦值是檢驗卷揚是否調試正常的主要依據，這個功能脈沖誤差不會累加，誤差在正常的范圍內不會影響設備的運行，即設備本身具有一定的調節功能，但不能超出這個范圍。

３ 卷揚常見的運行問題

（1）當脈沖編碼器連接軸斷或脈沖編碼器不工作時，高速計數器HSC0沒有脈沖輸入，其當前值保持為原來的數據，即使停電也能保持。卷揚運行脈沖數不變，始終達不到三級減速的預設值，卷揚不減速運行始終以高速沖向爐頂或爐底，即使上、下限位觸發動作，終因速度過快抱閘剎不住車，卷揚料斗超越上、下限位位置，俗稱“沖頂”或“蹲底”。“沖頂”或“蹲底”不僅會導致卷揚鋼絲繩拉斷，還可能引發其他設備和安全事故，是卷揚控制系統亟待解決的問題。

（2）兩臺石灰爐時有“撒料”現象出現。在卷揚料斗沒有就位（降至下限位置），即卷揚料斗未對準下料口的情況下，石灰石和焦碳混合倉氣動閥打開放料，配好的石灰石和焦碳沒有加入卷揚料斗內，“漏料”在地面堆積成小山，導致卷揚上料系統無法運行，影響石灰爐的正常生產。該問題還增加了崗位人員的勞動強度，每次“撒料”崗位員工要清理10多噸物料，需要花費整個班的工作時間用于清理。

４　解決卷揚存在問題

4.1 增加脈沖編碼器斷軸檢測保護程序

石灰爐卷揚的“沖頂”和“蹲底”對生產和設備的影響極大，且存在較大的安全風險。當卷揚位置脈沖編碼器故障或脈沖編碼器聯接傳動軸斷會造成脈沖編碼器沒有脈沖輸出，PLC接收不到位置脈沖編碼器的脈沖信號，因此PLC高速計數器所得實際計數值不變，卷揚不經過三級減速始終以上升或下降高速運行（此時變頻器的設定速度為720 r/min），直到上或下限位動作而停車，但因速度太快，抱閘制動根本剎不了車，最終造成“沖頂”和“蹲底”現象并引發其它設備事故。為此，需要增加脈沖編碼器軸斷保護程序。在卷揚運行時，利用系統時間（SM0.5）每秒鐘讀取高速計數器中的當前值（VD544）一次，并與上一秒的脈沖數相比，如果連續6秒內當次脈沖與脈沖前次的相等，既脈沖沒有變化，則PLC程序判斷脈沖編碼器存在斷風險，內部時間繼電器延時６秒動作控制卷揚以最低速度運行（三級減速中最小的一檔速度），10秒后內部時間繼電器延時動作控制停車和抱閘。該程序只在自動運行模式起作用，在手動模式下為了調整實際脈沖數，需要通過脈沖數據開關反復斷開與閉合來調整實際脈沖數。在脈沖數據開關閉合的情況下，卷揚上升時實際脈沖數增加，卷揚下降時實際脈沖數減少；在脈沖數據開關斷開的情況下，實際脈沖數保持不變。例如在下限位置卷揚的實際脈沖數應為0左右，如還有1萬多，可通過多次手動上升下降來減少脈沖，上升時斷開脈沖數據線開關實際計數值不變，下降時接通脈沖數據線開關使實際計數值數變小，當然也可用編程電腦直接修改這個參數，但需要專業設備和技能。卷揚通常都在自動模式工作，手動模式用來試車和調整脈沖，使脈沖與位置相對應，如1#卷揚上升到頂的脈沖數約6 400，下降到底的脈沖數約0。脈沖編碼器斷軸保護的STL程序見表3。

表3 脈沖編碼器斷軸保護程序

4.2 優化卷揚控制系統，解決卷揚“撒料”問題

（1）修改卷揚下降到位信號，嚴格控制卷揚下降到位后石灰石和焦碳混料倉氣動閥打開放料條件，避免因下降脈沖超限保護停車而產生的“撒料”事故。

“卷揚下降到位”是卷揚PLC送主控室PLC信號，主控室PLC收到此信號后控制混料倉氣動閥打開放料。原始程序中卷揚下降限位（I2.1）和下降脈沖超限保護停車（M1.1）都可置位“卷揚下降到位”信號（Q2.3），兩者是或的邏輯關系。卷揚上升后自動復位“卷揚下降到位”。通常情況下卷揚下降經過三級減速后靠下降接近限位開關停車（脈沖不超限），這種情況下不會出現“撒料”現象，因為卷揚料斗停在下降限位是“真正”的到位，此時卷揚料斗對準混料倉下料口。問題就出在下降脈沖保護停車（M1.1），它會使卷揚料斗停在位置不確定的“虛假”到位情況，此時卷揚料斗不一定對準混料倉下料口。當料斗停在下料口下方當然不會“撒料”，當料斗停在下料口上方則必然造成“撒料”。卷揚下降到位Q2.3的原始STL程序見表4。

表4 卷揚下降到位原始程序

正常情況下，卷揚下降經三級減速后靠下降限位停車，脈沖超限保護停車是后備保護，只有實際下降計數脈沖值超限（vd544＜vd528），脈沖超限保護停車才會起作用。此時中斷程序INT_7啟用, 卷揚停止下降并抱閘制動，同時置位下降脈沖保護超限停車（M1.1），主控室得到“卷揚下降到位”（Q2.3）的信息，但此時料斗有可能在下限位的上方偏離下料口的位置，因此造成“撒料”在所難免。INT_7中斷程序見表5。

表5 INT_7中斷程序

脈沖計數超限中變量（M1.1）可以用來保護停車，但不能用于置位卷揚下降到位信號控制混料倉氣動閥打開，特別是在脈沖編碼器本身有故障輸出脈沖不準的情況下。所以必須在下降到位程序中將它刪除。修改程序后，即使卷揚脈沖超限保護停車，主控室不會得到卷揚下降到位信息，混料倉不打開放料，也不會命令卷揚上升。脈沖超限保護動作后自動循環工作、終止，似乎降低了設備自動化程度，但提醒電氣人員及時維修故障和調整脈參數，逐步達到最優的參數配置，形成標準化、制度化參數。脈沖保護后停下來處理問題很有必要，因為一旦脈沖保護動作，卷揚很難恢復到正常的工作狀態，甚至形成惡性循環的狀態，運行脈沖數與實際位置的偏差越來越大，因為此時控制系統失去自我調節功能，下降到底和上升到頂計數值不能自動賦值，不能消除脈沖累積誤差。自動賦值的條件是實際脈沖數在三級減速和脈沖保護值之間（脈沖保護沒有啟動），且上或下限位動作的情況（正常停車狀態）。

（2）防止“撒料”的另一個改進措施是提高下限位的可靠性。一是選用可靠性高的非機械式電磁接近開關，并將其安裝絕緣支架上，以提高其抗干擾能力。二是增加一個平行下降到位限位，信號接到PLC備用輸入點（I3.1）。修改PLC程序，將新增下限輸入點（I3.1）與原下限輸入點（（I2.1））在邏輯上互相串聯，只有兩個接近限位同時觸發才是真正下降到位。如果有其中一個下降限位誤動作，另外一個正常，下降到位輸出點（Q2.3）不會置位，主控室無法得到卷揚下降到位信息，混料倉不打開放料。“雙保險”措施可有效防止限位誤動作，以減少打雷或暴雨等極端天氣對接近限位開關的干擾。當然卷揚料斗在下限位置上升的瞬間，實際運行脈沖數的自動重新賦值也需要兩個限位同時觸發。修改后的Q2.3置位的STL程序見表6。

表6 修改后下降到位程序

5 結束語

本文主要介紹國內某氧化鋁廠石灰爐卷揚電氣傳動與控制系統的組成及其控制原理。運用卷揚電氣控制原理分析卷揚產生“沖頂”“蹲底”和“撒料”現象的原因，并通過增加編碼器斷軸保護PLC程序、修改有PLC瑕疵的程序以及提高限位設備可靠性等措施加以解決，完善了卷揚電氣控制系統，提高設備可靠性，有效減輕了設備維修費用和崗位人員的勞動強度。

[1] 北京ABB電氣傳動系統有限公司. ACS800固件手冊(標準控制程序7.X)[Z]. 北京: 北京ABB電氣傳動系統有限公司，2010.

[2] 廖常初. S7-200 PLC 基礎教程[M]. 北京: 機械工業出版社，2010.

[3] 向曉漢. 西門子PLC高級應用實例精解[M]. 北京: 機械工業出版社，2010.

Improvement of Electrical Transmission and Control System of Lime Furnace Winch

The article introduces the composition and control principle of the electrical transmission and control system for the lime furnace winch in an alumina plant in China. The pulse information generated by the rotary position encoder of the winch is transmitted to the PLC. The PLC controls the start, direction, speed, and preset values of the next level of deceleration of the winch frequency converter through multiple interrupt programs based on the condition that the current count value of the high-speed counter is equal to the preset values of each segment of deceleration, until the multi-level deceleration is completed, the limit stop is triggered, or the pulse overrun protection stop is triggered. The article analyzes the causes of problems such as "hitting the top", "squatting", and "scattering" during the early operation of the winch, and solves them through optimization and improvement measures such as optimizing PLC programs and improving limit reliability. The expected effect of improving control performance has been achieved, providing positive guidance for the operation and maintenance of the winch in the future.

electrical transmission and control system of the winch; multistage deceleration; existing problems; optimization

TM76

A

1008-1151(2023)09-0042-04

2023-05-24

丁振洪，男，廣西平果人，中國鋁業廣西分公司高級工程師，從事電氣自動化管理工作。