鞍钢干熄焦提升机电气传动控制系统优化

赵锋，李昌胤，张建功，朱文东，甘秀石

（鞍钢股份有限公司炼焦总厂，辽宁鞍山114021）

干熄焦提升机的主要用途是在提升塔处将装满红焦的焦罐提升到提升机顶部，并横移到冷却塔处，使焦罐下降到装入装置、将焦炭送入冷却塔，然后再将空焦罐提升、离开装入装置，横移到提升塔处，最终下落到焦罐车上，完成一次工作循环。整个工作过程主要由PLC控制变频器驱动提升电机及走行电机与其他设备联动运行，完成焦罐的提升、横移、装入、下降等动作，全程无人操作，全部自动控制。提升机电气传动控制系统是干熄焦工艺设备自动控制的核心。为了将焦炭连续装入干熄炉里，保证焦炭质量，提升机传动控制系统必须稳定运行。2016年鞍钢股份有限公司炼焦总厂 （以下简称鞍钢炼焦总厂）1#、2#140 t/h干熄焦生产运行中分别出现一次主提升机溜车、掉罐现象，为解决此问题，对干熄焦提升机电气传动控制系统进行了优化改进。

1 提升机电气传动控制系统组成

提升机电气传动系统主要由ACS600交流变频器实现传动控制，ControlLogix系列PLC实现整个系统的逻辑控制。

提升机构采用两台逆变器控制两台315 kW变频电动机的一拖一传动控制方式，电动机为进口专用变频电机；走行机构采用两台逆变器控制两台37 kW变频电动机的一拖一传动控制方式；电动机为国产专用变频电机。提升和走行电机均带强迫通风和PTC保护，强迫通风形式保证了电动机在频繁起制动和低速运行时电动机仍能够输出额定力矩，内置PTC热保护元件使控制系统可以在电动机过热时采集实时信号，及时采取安全保护措施。逆变器采用ACS600多传动模块，采用全数字式参数设定，能够对电机参数自动辩识,实现自适应矢量控制。

提升机PLC采用Controllogix 1756系列产品，双CPU热备，总线采用可冗余的ControlNet网络，远程控制器由可冗余的适配模块带I/O接口模块组成。PLC系统还采用了ControlNet和DeviceNet的转化模块，用于采集绝对值编码器的数字信号。提升机PLC和本体系统EI之间的控制信号采用开关量的方式采集交换，通过总线与地面PLC CPU进行信号传输，减少现场电缆施工、连接的工作量，同时提供了控制系统的紧密性和可靠性。

2 存在的问题

鞍钢炼焦总厂1#、2#140 t/h干熄焦提升机原有变频系统采用ACS600系列变频器。该变频系统从2005年投入使用至2015年底一直比较稳定，但在2016年1#、2#干熄焦现场分别出现过一次主提升机溜车、掉罐现象，后果严重。通过现场分析得出溜车、掉罐现象与ACS600系列变频器老化及编码器电缆受干扰有关。

2.1 变频器故障问题

ACS600变频器从2005年投入使用至2016年连续运行约12年，已超过变频器的稳定工作期，变频器内部的一些电子元件进入老化期，控制精度和稳定性方面都存在一定问题，导致变频器在内部计算上出现偏差，造成主提升机溜车。ACS600变频器使用年限与故障率关系如图1所示。

由图1可以看出，ACS600变频器使用年限超过8年后故障率开始逐渐增加，变频器内部主要部件进入老化期。由于ACS600系列变频器已经于2004年初停产，正常备件的供应也已经于2014年底停止，无法采购到新品。因此，必须对ACS600提升变频系统进行升级改进，并对原有系统中存在的缺陷进行完善,减少干熄焦提升机运行的风险。

图1 ACS600变频器使用年限与故障率关系

2.2 编码器故障问题

当编码器速度反馈出现问题时，提升电机逆变器经常报编码器故障，造成系统停机，无法正常投入运行，严重影响干熄焦的正常生产。为使提升机恢复正常，只能将编码器速度反馈取消，不参与控制，但提升机电机没有编码器作为速度回馈，变频器无法实现精准的闭环控制，不能有效避免溜车、掉罐事故，系统运行安全性降低。特别当提升机电机在低速运行时，由于没有编码器的速度回馈，将导致变频器控制的电机输出力矩不足，造成主提升机溜车。

通过更换RTAC-01、RDCU-12C模块，更换编码器电缆，重新更换安装编码器，仍不能解决逆变器频繁报编码器故障的问题。进一步分析发现：提升电机非负荷侧轴承上的空心轴轴套绝缘增量式光电编码器与变频器脉冲编码器接口模块编码器通过双绞屏蔽电缆直接连接，电缆为8芯双屏蔽控制电缆，一端接编码器接口模块ATAC-01，为编码器提供12 V电源并接收反馈信号；另一端接编码器本身，中间电缆长度约250 m，超过编码器电缆长度150 m的要求；而且编码器的控制电缆与动力电缆走的是同一路径，容易造成干扰，反馈信号衰减严重。以上两点都是编码器工作不稳定的原因，解决这两个问题即可在逆变器处接收到正常的反馈信号，使编码器正常投入使用。

3 改进措施

3.1 提升机变频系统升级改进

3.1.1 变频器升级改进

由于干熄焦提升机传动系统使用的ACS600系列变频器停产和原有布局结构问题，变频器升级选择把现有的ACS600系列变频器替换为ACS800系列变频器。ACS800变频器为高端变频器，稳定性好，工业领域应用广泛。

变频器升级改进后具有以下优势：

（1）彻底更新了传动系统的硬件，解决了由于变频器硬件老化影响变频系统稳定性的问题，降低了提升机的运行风险。

（2）解决了ACS600系列变频器停产而没有备件、进行日常维护难的问题。

（3）实现了并联模块的冗余应用。ACS600和ACS800系列变频器与电机连接方式对比如图2所示。

图2 ACS600和ACS800系列变频器与电机连接方式对比

ACS600变频系统每个模块只作为一相电输出，如果一只模块出现故障，需要把故障模块取出，再安装上一只与原有模块同相的新模块到故障模块的位置，才能恢复系统，且ACS600模块非常笨重，更换困难。ACS800变频系统每个模块都有U、V、W三相输出，如果一只模块出现故障，只需把故障模块从工作位抽出就可以继续使用，且ACS800模块下端安装了小车、前端安装了把手，方便模块抽出。

3.1.2 整流系统升级改进

原有变频系统采用的是ACS600晶闸管整流系统（TSU），使用中出现过因现场电网品质问题损坏直流侧快熔的情况，因此，本次整流系统改进使用了ACS800 IGBT整流系统（ISU）。

IGBT整流系统具有以下优点：

（1）提升直流母线电压,电压波动时也能保持电机额定电压。

（2）抗干扰能力强。由于IGBT门极可控，所以当供电电网出现问题时，IGBT整流不会出现像晶闸管整流出现的颠覆现象 （即在主提升机下降时,电机需要把多余的能量回馈给电网，如果这个时候电网电压出现波动，由于晶闸管的关断要依靠反向电压，波动会导致晶闸管不能关断，造成晶闸管或保护晶闸管的快熔损坏）。

（3）IGBT功率模块可灵活使用，降低备件库存量。由于整流模块和逆变模块使用相同的功率模块，变频系统备件只需一台功率模块即可同时适用于整流和逆变，维护备件降低了50%。

（4）对电网无干扰，功率因数高，ISU效率高,η＞97%。

基于系统改进的优势分析，利用1#、2#干熄焦年修期间对变频系统进行升级改进，将ACS600晶闸管整流改为ACS800 IGBT整流系列产品，并完成ACS800新柜体和线路的安装及系统调试。整流模块和逆变功率模块使用相同功率模块，实现互换功能。升级改造后的柜内整流和逆变模块如图3所示。

图3 升级改进后的柜内整流和逆变模块

3.2 完善主提升机电机编码器

根据现场使用条件及编码器使用技术要求，改进提升机闭环速度反馈的传输方式，采用多模光纤替代屏蔽控制电缆，避免电缆干扰问题，光纤两端接光纤变送器、光纤解码器，通过短距离电缆接到逆变器和编码器上。在变频器侧增加脉冲编码器接口模块，型号RTAC-01，电源电压DC 24 V。脉冲编码器作为速度检测构成闭环速度控制,在全速范围内实现高精度控制。PLC控制信号与逆变器给出的低速抱闸信号相结合，控制制动器动作，实现低速抱闸及准确定位功能。转矩响应快速,可防止松闸、抱闸时的溜车现象。

主提升机电机选用Johannes HUBNER Giessen 2系列编码器，替代现场原HUBNER BERLIN品牌编码器。编码器为空心轴轴套绝缘增量式光电编码器测速装置，型号：FGHJ2AK-1024G-90G-NG/16K。编码器的电气指标和机械指标如表1所示。

表1 编码器电气指标和机械指标

3.3 增设后台在线检测系统

为了对提升机出现的故障做出及时反应、跟踪故障信息、快速分析解决故障，采用DriveWindow测试工具（DriveWindow是一种用于ACS600、ACS800、ACS6000 和 DCS600 调试和维护的Windows应用程序），在干熄焦主控室安装1套光纤通讯系统和后台机，PC直接和传动的CH3通过RUSB-02光纤转换器进行连接，使整个干熄焦提升机变频拖动系统形成星形网络。在变频室能够在线实时检测各台整流、逆变单元的设备状态；完成对提升机各个装置的速度控制，系统操作控制，系统运行状态、参数、曲线监控；实现系统保护、备份或修改等功能。通过安装后台监测软件，增加对故障情况的分析、诊断手段，提高对变频器运行性能的监控，方便日常维护和故障处理，提升工作效率。

4 改进效果

（1）从2016年4月开始，优化改进后的提升机电气传动控制系统开始在鞍钢炼焦总厂1#、2#干熄焦现场投入使用，至2018年5月，无掉罐事故发生，事故时间平均降低150 h/年，降低事故损失约300万元/(套·年)，提高干熄率约1%～2%。

（2）优化改进后，主控室工控计算机上可观察提升机运行状态，不仅可通过观察程序分析故障原因，也可通过后台监测软件直接判断故障原因,实现了对故障的查询、分析和判断，使日常维护和故障处理更加方便快捷。

5 结语

鞍钢炼焦总厂针对干熄焦提升机溜车、掉罐现象，对1#、2#140 t/h干熄焦提升机电气传动控制系统进行了优化改进，应用ACS800系列变频器、DriveWindow测试工具及Johannes HUBNER的设备和技术，实现了信号抗干扰、故障追踪等功能，提高了提升机传动控制系统的安全稳定性，为干熄焦稳定生产提供了时间和技术保证。