PLC在脱硫喷枪系统中的应用

姬乐乐

（天津天铁冶金集团热轧板公司，河北涉县 056404）

PLC在脱硫喷枪系统中的应用

姬乐乐

（天津天铁冶金集团热轧板公司，河北涉县 056404）

介绍了脱硫喷枪控制系统的特点，将PLC技术和变频器技术应用到脱硫喷吹传动控制系统，改变了传统的控制方式，实现了控制的测、控、信息一体化。系统采用PLC、变频器控制及计算机上位监控，丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。

脱硫站 变频器 喷枪 系统 传动 控制

1 引言

在现代钢铁企业中，脱硫技术已经被广泛使用，脱硫也就成为铁水处理的重要工序，随着炼钢生产节奏的加快，对脱硫的控制稳定性要求越来越高。脱硫运行状态的稳定与否将直接影响下一级生产工序能否顺利进行，而作为脱硫重要设备的喷枪控制系统是否完善则是影响脱硫站运行状态的最主要因素，因此就需要一整套完善而可靠的喷枪控制系统。天铁热轧板公司把喷枪控制系统和计算机技术结合起来，形成一套更安全可靠的操作系统，减少了生产中诸多不必要的经济损失。根据生产实践为背景，现场环境和工艺流程为依据，利用变频器和可编程控制器来实现以下几个功能：喷枪高低速转换、两地操作的选择、完善的报警系统、正常和检修选择模式的切换。

2 脱硫喷枪控制系统的特点

2.1 脱硫喷枪控制系统流程

脱硫喷枪系统主要由喷枪电动机、编码器、变频柜、PLC控制系统、现场操作箱、HMI控制面板组成。主要流程见图1。

图1 脱硫喷枪系统流程图

2.2 脱硫喷枪控制系统的功能

（1）喷吹系统启动时，喷枪喷吹出由干燥氮气携带的石灰粉，这样主要防止喷枪被铁水堵塞，同时喷枪开始以高速下降，下降至距喷吹位置100 mm处改为低速，下降至喷吹位时喷枪喷吹出由干燥氮气携带的石灰粉和钝化镁粒，使其与铁水中的硫进行化学反应，从而降低铁水中的含硫量，实现铁水脱硫处理。喷吹完毕时喷枪上升至铁水液面以上500 mm处停止，喷枪继续喷吹干燥氮气60 s后停止喷吹是为了防止石灰粉和钝化镁粒堵塞喷枪，接着喷枪高速上升距上限位100 mm处改为低速上升，当挡铁触碰到上限位时喷枪停止运动。

（2）喷枪系统共有两地操作，分别为主控室远处计算机画面操作及现场操作箱操作。

喷枪系统主控室远程计算机画面操作又分为自动模式和手动模式。当把系统的现场操作箱上的“就地—集中”选择开关选至“就地”再经主控室远程计算机画面进行确认操作，就可以进行使用现场操作箱操作。当把系统的现场操作箱上的“就地—集中”选择开关选至“集中”，再经主控室远程计算机画面进行确认操作，就可以进行使用计算机画面操作。自动模式和手动模式的选择可以从计算机画面上直接选择。

（3）在正常生产过程中，使用主控室远程计算机画面操作的自动模式。检修，调试及自动模式失灵时使用主控室远处计算机画面操作的手动模式及现场操作箱操作。

（4）喷枪系统有3个限位，由上至下分别为上超位、上限位和下超位；喷吹位以及变速位由编码器标定；系统分为高速和低速，高速为35 Hz，低速为15 Hz。喷枪系统在主控室远程计算机画面操作时，喷枪下降至距喷吹位100 mm时变为低速，至喷吹位时停止运行。喷枪上升至距上限位100 mm时变为低速，至上限位时停止运行。在现场操作箱操作时只能低速运行。在任何模式下，喷枪行至下超限位和上超限位时都停止运行。当PLC控制失灵时，可以按下“紧急提升”按钮，将喷枪提升至上超位。喷枪系统的电源状态、变频器状态、限位状态及下降高度在HMI画面上有显示。喷枪系统具有故障报警功能。HMI画面上也有报警显示。

3 可编程控制器在脱硫喷枪系统上的应用

3.1 可编程控制器的选择

可编程控制器已经越来越多地应用于工业控制系统中，并且在自动控制系统中发挥着非常重要的作用。因此对PLC的正确选择是非常重要的。我们根据生产需要，所使用的是S7-400系列PLC，CPU选用的是414-2 DP。程序是整个自动控制系统的“心脏”，程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统的运作。

3.2 硬件组态

在组态中，我们选用的是S7-400 DP系列的PLC，并且选用PROFIBUS连接方式来达到与现场编码器通讯，并通过工业以太网实现工控机与PLC通讯要求。在PLC的外围接线中，设立外部互锁电路：在继电器电路中采取了互锁措施的电路，在改用PLC控制时也应采取同样的硬件互锁措施。如控制电动机正反转的交流接触器如果同时动作，将会造成三相电源短路。为了防止出现这样的事故，应在PLC外部设置硬件互锁电路。

3.3 常闭触点输入信号的处理

为了使梯形图和继电器电路图中触点的常开／常闭的类型相同，建议尽可能地用常开触点作PLC的输入信号。如果某些信号只能用常闭触点输入，可以按输入全部为常开触点来设计，然后将梯形图中相应的输入位的触点改为相反的触点，即将常开触点改为常闭触点，常闭触点改为常开触点。

3.4 可编程控制系统的选择

此系统采用的S7-400是一种功能强大的可编程控制系统，该系统具有在通讯设备间交换少量的数据，通讯可以利用MPI或在一个站内通过PROFIBUS-DP连接智能从站等方式的功能。

4 变频器在脱硫喷枪系统上的应用

4.1 变频器

它是喷枪调试控制关键设备，其性能的优劣直接影响着系统的可靠性、先进性和经济性，是电动机调速控制的基础。要选择较好变频器就要清楚变频器的工作原理、分类、控制模式、参数设置等方面的知识。

4.2 变频器的工作原理概述

交流电动机的异步转速表达式为：

式中，n为异步电动机的转速；f为异步电动机的频率；s为电动机转差率；p为电动机极对数。由公式（1）可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电动机的极对数有关，因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速、转子串电阻调速或串级调速、内反馈电动机和变频调速等。而我们现在运用最广泛的就是变频调速，由于转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50 Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

4.3 变频器选型

（1）根据脱硫站喷枪调速传动系统的实际情况要求，选用的变频器应该具有性能稳定、应用灵活、适应环境、维护方便、性价比高等特点。6SE70系列变频器是交-直-交变频器，具有V/F控制和矢量控制等多种控制模式，抗干扰性好，运行可靠，适应电源电压波动范围广，灵活多变的通讯方式，标准化及模块化设计，可针对具体交流电动机进行优化，低速时也能提供额定转矩等特点。

（2）脱硫喷枪所用变频器为：6SE7026-OED61，容量为60 A。该变频器是由32位微处理器控制，并采用具有现代先进水平的绝缘栅双极性晶体管作为功率输出器件，其脉冲宽度调制开关频率高，具有先进的电压矢量控制和数字模拟控制方式，它的磁通电流控制功能改善了动态响应和电动机特性，快速电流（FCL）限制功能实现了无跳闸运行。为保证变频器输入电压的稳定性和增加抗干扰能力，在其电源输入输出侧加装EMC滤波器。环境温度影响变频器的寿命和可靠性，选择变频器的允许温度大于环境温度的变频器，按使用环境选用变频器绝缘等级为IP54。选过载能力高保护性好的变频器。制动电阻，保证停车稳定。

（3）喷枪的位置测量所使用的是图尔克公司生产的绝对值编码器，采用PROFIBUS接口通过DP网与PLC实现数据通讯。绝对编码器是直接输出数字量的传感器，这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。

4.4 脱硫喷枪变频器参数设置过程

脱硫喷枪变频器参数设置是根据喷枪控制图设置的，喷枪控制电气原理见图2。

当PLC接收到动作信号后，经PLC程序判定后输出对应的速度控制信号，此信号为开关量常开点，经过输出中间继电器电气隔离后传至变频器CUVC控制板，PLC与变频器之间采用的是直接的点对点的硬线连接控制，直接输出至变频器的CUVC板，根据变频器CUVC板提前设定好的控制参数，接收来自于PLC的开关量信号，相对应的CUVC板输入端子24VDC控制电源接通，变频器受控。

图2 喷枪控制电器原理图

参数设置过程为：

（1）恢复出厂设置

P053=7允许CBP+PMU+PC机修改参数；

P60=2固定设置，参数恢复到缺省；

P970=0启动参数复位，执行此操作后会看到面板数字从R000开始所有参数刷新复位到出厂状态。

执行参数出厂设置后可以通过操作面板控制电动机的运行，只能控制电动机一个方向的运行，要想达到基本的变频器应用还必须进行必要的参数设置。

（2）简单应用参数设置

P60=3简单应用参数设置，P071进线电压，P095=10同步/异步电动机IEC国际标准，P100=3控制方式；

P101电动机额定电压，P102电动机额定电流，P107电动机额定频率Hz，P108电动机额定速度RPM；

P368=0设定和命令源为PMU+MOP；

P370=1启动简单应用参数设置，此参数步骤必须执行，执行此参数后操作面板会看到参数刷新一遍；

P60=0结束简单应用参数设置。

（3）系统优化

P60=3简单应用参数设置；

P115=2计算电动机模型“静止状态电动机辨识”注意：在按下“P”键后，出现警告信号“A087”变频器必须在20 s内通过面板PMU操作合闸，否则需从新设置进行电动机静态辨识，电动机线须连接，大约1 min后变频器自动分闸，电动机辨识完毕；

P115=4计算电动机模型“空载测量”注意:在按下“P”键后，出现警告信号“A080”变频器必须在20 s内通过面板PMU操作合闸，否则需从新设置，进行电动机空载测量，大约1 min后变频器自动分闸，电动机辨识完毕。

（4）功能参数设置

P590=B1，外控选择；

P554.2=B534，合闸信号；

U299=B18，输入合闸信号CUVC板第七端子；

U300=1 s，延时1 s合闸；

U301=0，得电延时接通；

U951.67=2，激活计时器功能块；

P561=B532，使能信号；

U951.23=2，激活功能块，见图3或门功能块；

U296=B621；

U297=5 s，延时5 s；

U298=1，断电延时5 s使能断开；

U241.1=B16，喷枪下降CUVC板第六端子；

图3 或门功能块

U241.2=B5115，喷枪上升EB1扩展板41端子；

喷枪在上升或下降停止后延时5 s使能信号封锁

P433=K521，速度给定；

U953.85=2，激活功能块，见图4模拟信号开关功能块；

图4 模拟信号开关功能块

U167.1=K401，速度给定值K401/K402为频率的百分数的速度给定；

U167.2=K402，速度给定值；

U166=B22，高低速选择CUVC板第九端子；

P652=B620，驱动准备或门；

U240.1=B100，合闸准备好；

U240.2=B102，运行准备；

U240.3=B104，运行；

P651=B530，抱闸控制；

U293=B104，运行信号；

U294.1=1 s，延时时间；

U295=0，得电延时接通；

P653.2=B107，变频故障输出；

P571.2=B5115，EB扩展板控制正方向；

P572.2=B16，反方向CUVC板第六端子；

P555.2=B5117，急停EB1扩展板42端子。

5 结束语

通过S7-400可编程控制和变频器在喷枪系统上的应用，提高了设备运行的自动化程度，方便了生产中的操作和故障排查。系统化的程序设计，把设备和主控室画面联系起来，使原本孤立的设备与其他系统更紧密的联系起来，成为不可分割的整体。不仅满足了生产需要，并且适应了复杂的生产环境。

Application of PLC Controlled Frequency Converter to Desulfurization Injection System

Ji Lele

(Hot Rolling Plate Company,Tianjin Tiantie Metallurgy Group,She County,Hebei Province 056404,China)

The paper describes the characteristics of desulfurization injection control system.PLC technology and frequency converter technology are applied,which changes traditional control mode and realizes the measurement,control and information integration of the control system.Utilizing PLC,frequency converter control and host computer monitoring,the system provides abundant control functions and improves system reliability.

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姬乐乐，女，2009年7月毕业于辽宁科技学院自动化专业，现在天铁热轧板公司从事电气自动化控制工作。

（收稿 2012－04－11 编辑 崔建华）