变频调速在高炉上料系统中的应用

赵家国

(福建三安钢铁有限公司，福建泉州 362411)

0 引言

高炉卷扬上料控制系统是实现高炉自动控制的核心。三安钢铁厂3#高炉卷扬上料系统原采用继电－接触器逻辑控制方式，起动性能和节能效果差，调节及控制性能不便，故障率高，可靠性及维护差;已满足不了生产的需求。因此，需要对工艺、设备进行优化调整和技术改造。经分析，变频调速装置选配 SIMATIC 6SE7032－1EG60，可编程逻辑控制器(PLC)采用SIMATIC CPU412，与ET200M从站 I/O模板构成核心，实现高炉上料自动控制。下面对该系统的传控方案进行讨论。

1 工艺概述

按照工艺要求，卷扬料车起升、下降速度按料车行程曲线调整。各种原料经槽下设备称量、配料后放入中间料斗;料车到达料坑后，中间斗把料放入料车，中间斗闸门关到位并且炉顶准备好后，料车由坑部起动，经加速—高速—低速—减速—停车抱闸，到达炉顶。将高炉所需的各种原料不断送入高炉内。为保证高炉的稳定运行，料车，大、小钟，大、小均压，布料器，探尺皆按照工艺要求定时打开或关闭，并与主卷扬料车有一定的联锁关系。其中，主卷扬工作频繁、负载重，是整个上料系统的核心，也是传控系统技术改造的重点。

2 改造的必要性

原高炉卷扬上料控制系统采用一台6极55 kW JC=25%绕线转子异步电机拖动，转子回路靠切换电阻实现速度调整，通过主令控制器(与电机同轴连接)采集料车位置控制电阻的投入切除，同时控制机械抱闸的开闭。该继电－接触器控制系统与变频调速系统相比，主要缺陷如下。

(1)起动性能差。绕线转子异步电机转子串电阻调速起动会产生很大的冲击电流，这对电动机和电网都很不利。其调速变化呈跳跃状，属能耗型转差调速，电阻容易烧毁;使得减速机齿轮、料车与斜桥导轨之间，在加、减速运行阶段均受到冲击力的作用，设备易损坏，钢丝绳易疲劳，维修量大，检修费用增加。而采用变频调速可实现软起动，对电网和机械都没有冲击，可以降低用电配备容量，节省增容费的开支，而且起动过程可以控制，起动、加减速等均可设置。

(2)调节及控制性能差。串电阻起动调速范围小，调速困难，使得料车速度呈突变，减速后停车时仍有较高转速，对制动器和限位开关的调整精度要求高，且易发生越位及掉道事故。采用变频调速系统的动态调节过程非常快，且调速范围广，调节时间可设置，可实现精确控制。

(3)节能性差。变频调速的低速性能的节能效果比转子串电阻调速明显。料车低速时，机械特性软，因为转速的降低是通过转子外接电阻消耗能量来实现的，消耗在电阻中的能量比例越大，能耗越高，极不经济，电网电压的高低对速度影响很大。严重时，料车无法起动，易产生事故。

显然，传统的控制方式已不能满足现代生产的要求，采用变频调速新技术进行技术改造已势在必行。

3 高炉卷扬上料系统变频调速改造方案

(1)变频调速改造的目的:改善上料系统的运行质量，为高炉的优质高产创造条件;节约能源，降低消耗，减少故障率，提高经济效率。

(2)变频调速装置实现的主要功能:①能够频繁起动，制动，停车，反向，转速平稳;② 卷扬料车起升、下降速度调整按料车行程曲线运行，能广泛调速，防止过载、过流;③起升初始脉冲电压调整，防止抱闸打开时重物下滑;④制动器动作与变频器起停联锁，延时调整，防止装置过载、过流;⑤料车起动、停车及加、减速应平稳，速度控制受负载(空载或满载)影响较小;⑥ 动态储能，电源瞬间掉电时传动系统仍保持一定的动能;⑦自动再起动功能，电源掉电恢复后变频器可直接切入正在工作的电机，保证正常工作;⑧ 电机保护功能，I2t限制;故障自诊断计故障报警，跟踪记忆过程参数;⑨通信功能，跟踪记忆过程参数，并传送给上位PLC系统。

(3)上料卷扬电机容量的选择如下。

①3#高炉卷扬料车原采用YZR绕线型电机加转子串电阻方案进行调速，YZR绕线型电机加转子串电阻方案的最大转矩为电机额定转矩的3.3倍，变频电机采用变频调速方案的最大转矩为电机额定转矩的2.3倍，变频电机的概算功率为:

②计算方法为:

式中:Q——起重量，Q=6 000 kg;

N——起升速度，N=60 m/min;

K——功率安全系数，1.5 ～2，取 K=1.8。

由式(1)、(2)验算结果可见，选用一台6极75 kW的变频调速电机是合理的。

(4)变频器的选用。

对于高炉卷扬上料系统这种特殊性负载，选用的原则之一是所选变频器必须具有在满载或过载时输出恒定转矩的功能，即要用具有转矩限定的无跳闸变频器。例如:当小车装完料时，在关闭出料口有大的物料将出料口卡住，或料门关闭系统发生故障时，使小车多装料20% ～40%，发生这种情况时，按工艺要求及实际情况是不可能用人工将多装的料卸掉的，只能拉到炉顶倒入高炉。所以要求变频器要留有较大的电流余量。又如:在高炉亏料时，要求及时赶料线;上料系统需要连续作业，以致引起变频器工作温度上升，运行电流下降，其过载能力也相应下降等。基于上述考虑，选用SIMTIC 6SE7032－1EG60型变频调速装置。运用矢量控制方式，实现精确的速度控制。

变频器容量选择是根据电机电流进行而不是根据电机功率进行的，本系统选择75 kW的6极变频电机，其额定电流是140 A，在达到其最大转矩时需要电流为:I最大=140×2=280 A。

变频器的技术参数表明通用变频器的过载电流是变频器额定电流的150%、1 min，本卷扬系统要求的最短上料时间是56 s。根据系统平稳性要求，变频器频率的上升时间和下降时间最短各需要7 s，这样一来处于过载运行的时间占整个运行周期的28%，所以需要最大限度地利用变频器的过载能力，才能满足高炉上料系统的工艺要求。

(5)变频调速改造方案。

采用变频调速，在不改变工人操作习惯的前提下，充分利用原有系统的线路、柜体等设备，取代原有的串电阻调速、继电－接触器控制系统，实现高炉上料过程的自动控制。变频调速系统选配西门子6SE7032－1EG60;PLC采用 SIMATIC CPU412，与ET200M从站 I/O模板构成核心控制。变频器制动单元选配50 kW与制动电阻8 Ω，采用能耗制动方式实现了卷扬系统的制动。主传动部分为两台变频调速柜实现一备一用，通过主控制柜实现装置之间的切换。每个变频器的控制信号通过切换柜的电气设备来完成基本联锁及控制，在PLC与切换柜之间、操作台与切换柜之间利用继电器相互隔离，使料车的控制可以由PLC或操作台分别控制系统，提高了整个系统的可靠性。

由6SE70变频器装置中的抱闸专用控制功能来实现料车运行中的抱闸控制及联锁控制，实现精确停车。料车定位系统由主令控制器来实现，主令控制器分别记录料车在上行和下行过程中的特定位置，如:加速点，减速点，抱闸点等，并将这些位置信号以开关量的形式传送至主控室PLC柜，再由其统一负责逻辑计算后控制变频器的动作。考虑到系统的维护方便性，始终把可靠性放在第一位。设计了两套系统并存的方案，即在新装变频调速系统的同时，仍保留原有的继电－接触器控制系统。两套系统皆可独立运行，互不影响，并且能够快速方便地互相切换。改造后的系统框图如图1所示。

图1 高炉上料控制系统框图

(6)料车变频调速与PLC控制原理见图2。

图2 变频调速与PLC控制原理

卷扬上料系统操作模式主要有:①单动，操作单体设备起停，用于调试、检修及维护;②联动，依据工艺流程顺序起动和停止流程线上的相关设备，用于正常生产，连续运行。

为保证上料系统安全性与稳定性，避免料车失控、飞车事故导致高炉停产、休风等严重事故，系统将一系列可能发生的故障和可能导致危险发生的情况的开关量进行串联，汇总于一个零压保护回路继电器1LYJ中。取一辅助触点进PLC零压已合。在不出现任何故障的状况下，零压回路为闭合状态，此时主回路接通，系统才可以正常工作;如果出现在零压回路中的任何一种危险则零压回路断开，此时串联至主回路中的触点断开，系统料车故障指示灯点亮或电笛发出警报声，提醒操作人员，系统发生了故障急需处理，此时，系统停止工作，抱闸将卷扬电机的传动轴抱死，整个传动装置立即停止，从而避免了可能危险的发生。

下面以卷扬料车联动工作原理来具体分析:当料车在料坑底部备料装好后，中间斗闸门关到位并且炉顶准备好，炉顶布料器料空，申请上料，由PLC发出命令，料车上行QJ33继电器动作。在综合各种情况并判断零压回路闭合后。传送运行命令至变频器。料车由坑部起动，6SE70调速装置发出打开抱闸命令，转矩输出继电器11KA15动作，使抱闸打开，实现料车的平稳起动。

由于起始阶段斜桥坡度较大、所带负载惯量较大，需要加速运行一段时间，设定为7 s(根据负载惯量可自定义)。当料车运行到加速点，通过加速检测点时，切换互锁高速运行继电器11KA3动作。发送信号给变频器，料车以60 Hz高速运行一段时间。当料车要到达炉顶，进入上行方向低速检查，通过检测点时，实际运行速度作出比较判断，此时，料车减速运行继续提升负载上行，变频器输出低速信号给11KA16继电器动作，料车以22 Hz低速信号运行。在综合各种情况后，6SE70根据料车位置、速度作出判断，如果判断系统工作在正常条件下，料车继续向上运行，通过停车点，主令料车到顶继电器11LXJ动作，此时主令开关将料车到顶信号传送至PLC。调速装置发出命令给转矩输出继电器11KA15动作，6SE70完成停车，控制抱闸回路动作;此时料车的停车位置应是工艺要求的角度，即能将车内的炉料倒净而又不撞到极限弹簧。如果判定非正常情况发生，则系统停机，抱闸抱死主运行轴。

当料车卸料完成并延时几秒后，PLC发出下行命令，料车下行继电器QJ34动作，使抱闸打开，实现料车的下行，重复上述工作过程。当料车返回下行距底部2～3 m时，料车进入下行方向低速检查，实际运行速度作出比较判断，判断当前料车位置是否正常。如果判定条件正常，继续向下运行，通过停车点，料车到底继电器12LXJ动作;此时主令开关将料车到顶信号传送至PLC。调速装置发出命令给转矩输出继电器11KA15动作，6SE70完成停车，控制抱闸回路动作。此时料车的停车位置应是工艺要求的角度。电动机主回路断电，同时制动单元能耗制动。一个工作周期完成，依次循环重复上料过程。料车速度曲线如图3所示。

图3 料车速度曲线

(7)料车运行保护。料车运行以高可靠性为目标，在PLC中设置了完善的保护功能。主卷扬料车装有钢绳松弛开关;在轨道顶端安装两个行程开关作为料车行程极限和超极限双重保护装置，当碰到限位时，必须切断卷扬抱闸制动，料车停止。以防止主令控制器失灵时的最后保护，再次防止料车“挂顶”事故的发生。此外还设有工作间断电保护功能，在上料过程至中途系统发生故障时，由抱闸系统将料车抱住，以防止料车下滑。在解除故障系统重新起动时要求变频器在很低的频率时输出很大的转矩，这只有矢量控制的变频器才能做到。

4 主要性能参数

变频器:SIMTIC 6SE7032-1EG60，210 A，110 kW，400 V，2台;制动单元:SIMTIC，50 kW，2套;制动电阻:8 Ω，2套;电动机功率:75 kW，140 A;最大起重量:Q=6 000 kg;可编程控制器:SIMATIC PLC CPU412和 ET200M I/O从站;编程、监控软件:Step7 5.1、WinCC 5.1。

变频器丰富的控制方式和控制功能给用户提供了非常灵活的使用空间，可以根据实际情况和使用经验来选择它们当中的一种或几种功能，调试、修改及维护非常方便。

5 改造后系统效果

三安钢铁厂3#高炉卷扬上料系统技术改造系统自投入运行以来，一直运行稳定，为高炉稳产、高产打下了基础。提高了效率，降低了成本，其效果主要表现在:

(1)PLC与变频调速技术相结合，替代了频繁动作的继电－接触器逻辑控制系统，操作方便，各个环节的联锁和保护运行可靠。提高了系统可靠性，尤其是设备故障检测、报警记录及重要趋势曲线图，通过WinCC画面实时监控，减轻了操作人员的工作量;降低了设备维护、运行费用。

(2)6SE70变频调速控制系统解决了调速及控制性能差的难题。改造后的料车升、降速度调节方便，范围宽，尤其是料车到达终点停车平稳、准确，消除了“挂顶”事故，为高炉的稳定运行提供了保证。

(3)提高了功率因数。对于高炉卷扬上料系统这种特殊性负载，串联电阻起动能源消耗大，功率因素很低。而采用变频调速后，变频器可以与电动机进行无功功率的交换。改造后经测算，功率因素从0.6上升到0.96;节约电能达到30%以上，大大节约了电能。

6 结语

采用变频调速技术来改造传统的继电－接触器卷扬上料控制系统，在技术的先进性和社会、经济效益方面都具有重大意义。采用变频技术，提高了系统的可靠性，节约了电能;解决了调速困难、故障率高的难题;减轻了工人劳动强度，在改善工人的劳动环境等方面都起到了积极作用。

[1]孟晓芳，李策，王钰，等.西门子系列变频器及其工程应用[M].北京:机械工业出版社，2008.

[2]韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京:机械工业出版社，2003.