关于炼钢铁水测温取样机安全系统的设计

庞兴利

（四川攀研技术有限公司，四川 攀枝花 617000）

以往铁水取样枪长3m，无向下换枪部分，从使用情况来看，无论是在调试还是在使用过程中，都发生过取样枪失控飞车的情况，发生该事故的主要原因是铁水取样限位及其它安全系统设计上的缺陷，包括对限位的硬件设计和程序设计。事故造成取样枪直接插到钢包里面，这在炼钢对设备的使用安全和工艺要求上都是不允许的，给使用单位和维护单位带来了一些安全隐患，一旦出现故障，对炼钢生产也将造成极大的影响。而目前铁水取样设备的长度是过去的2倍，限位点多，限位要求高。另外现场电磁干扰大，也是对取样系统运行安全稳定的极大考验。

1 铁水测温取样原理

取样机主要由双轴变频电机、制动器、涡轮减速器、传动箱、齿条、破渣头、测温取样复合枪、取样开关门、取样限位器及控制系统组成。取样机的工作过程：安装好测温取样探头→按下取样按钮→取样开个门开→取样头下降到达液面进行破渣测温取样→取样头提升复位→人工取下样品进行水冷→取样头提升复位→取样开关。

2 机械限位装置设计

如图1所示，该装置的设计目的是防止在取样组态下取样枪失控，以至于枪体插到钢包底部，引发人员和设备的安全事故。该机械装置需要配合焊接导轨上的挡块一起使用，其原理是：在取样状态下，气缸动作，限位导向块伸出，系统检测气缸上面的行程开关信号，伸出信号正确，取样动作可执行，否则，系统报故障，不能执行取样要求；在换枪状态下，气缸动作，限位导向块收回，系统检测气缸上面的行程开关信号，收回信号正确，换枪动作可执行，否则，系统报故障，不能执行换枪要求。

图1

3 取样电气限位设计

取样限位由三限位组成，一是温度限位，二是编码器限位，三是接近开关限位。3个限位为并联关系，都具有相同的限位功能，即系统只要采集到其中1个限位信号，控制系统都会执行相应的动作，不同的是，3个限位发生时间有先后，一般情况下，首先发生效应的是温度限位，该限位由安在取样头的测温热电偶传至PLC，取样枪进入钢液下降过程中，热电偶检测到的温度是逐步上升的，当温度达到设定温度并稳定时，即温度达到1300℃，取样枪自动上升。

由于钢包钢液面深度有差距，有些钢包液面很低，甚至无法取样。另外在取样过程中，热电偶可能发生故障，此时不能靠温度限位，从而在温度限位的基础上设计了另外两种限位，编码器限位为第二重限位，只有当温度限位失效时，该限位才发挥作用，接近开关为第三重限位，只有当前两种限位方式都失效时，该限位才发挥作用。3个限位发生的作用一样，而发生的条件不一样。

另外，取样零位的控制也由3个限位组成，一是编码器信号，二是接近开关信号，三是行程开关信号。3个限位为并联关系，都具有相同的限位

本系统PLC控制选用西门子S7300CPU，取样机电机采用变频电机，其变频器采用西门子的MM440，采用PROFIBUS-DP通讯方式控制电机转速和转向。安全限位系统里面的各个限位数据均接入PLC控制系统，其中温度数据采用4～20mA信号接入模拟量模块，原理如图2。

图2

4 EMC电磁抗干扰设计

电磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility)，是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行，并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中，对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。

铁水取样电气系统所在地方，电磁干扰大，控制柜和取样机距离远，而变频器本身也会产生大的电磁干扰。一旦电磁干扰大或抗干扰设计不足，将会给系统的安全性造成致命的影响。本系统EMC设计包含以下几个部分：

（1）用三相五线制，引入单独的接地线。

（2）对所有电器元件接地。

（3）对PROFIBUS-DP通讯终端设置终端电阻。

（4）通讯波特率调低，设置为9600Kb/s。

（5）变频器和PLC控制系统隔开，单独放置。

（6）所有强电和控制线分开布线。

5 安全限位程序设计

用STEP7-300编程，程序模块化，主要分为OB主程序组织块，故障报警FC1功能块，取样枪主程序FC2块，信号指示FC3功能块，数据转换FC4功能块，系统功能复位FC5块，用于数据调用的DB数据块等，面对取样设计的安全取样限位系统程序主要集中在FC2块。

取样枪安全系统限位FC2块程序设计：

A "急停"

A "手动"

A "下降"

AN "取样下降到位"

AN "取样下限位持续"

O

A "急停"

A "快速下降"

AN "上升标志"

AN M 4．2

AN "快速上升"

= L 8．0

A L 8．0

JNB _001

L W#16#47F

T PQW 268

_001： NOP 0

A L 8．0

A "自动"

= L 8．1

A L 8．1

A(

L " 数据转换 "．speed

L 4500

)

JNB _002

L "数据转换 "．speed

T PQW 270

_002： NOP 0

A L 8．1

A(

L "数据转换 "．speed

L 4500

>=I

)

JNB _003

L 4500

T PQW 270

_003： NOP 0

A L 8．0

A "手动"

= L 8．1

A L 8．1

A(

L MD 100

L 8．416210e+006

)

A(

L " 数据转换 "．speed

L 4500

)

JNB _004

L "数据转换 "．speed

T PQW 270

_004： NOP 0

A L 8．1

A(

L MD 100

L 8．416210e+006

)

A(

L " 数据转换 "．speed

L 4500

>=I

)

JNB _005

L 4500

T PQW 270

_005： NOP 0

A L 8．1

A(

L MD 100

L 8．416210e+006

>=R

)

JNB _006

L 1800

T PQW 270

_006： NOP 0

A L 8．0

BLD 102

R "取样上升到位"

6 制动电阻的选型设计

制动电阻是波纹电阻的一种，主要用于变频器控制电机快速停车的机械系统中，帮助电机将其因快速停车所产生的再生电能转化为热能。取样机在下降过程中，由于重力的作用，取样机会带动电机转动，会产生大量的再生电能，如果不及时消耗掉这部分再生电能，就会直接作用于变频器的直流电路部分，轻者变频器会报故障，重者则会损害变频器；制动电阻的出现，很好的解决了这个问题，保护变频器不受电机再生电能的危害。

选型计算步骤如下：

（1）电阻功率（kW）=电机千瓦数×(10%～50%)=10kW

（2）制动电阻值（Ω）。

R=U/2I～U/I=5～10，直流回路电压计算如下：U=380×1．414×1．1V=600V

其中，R为电阻阻值，U为直流母线放电电压，I为电机额定电流。

（3）最小容许电阻(Ω)：max(驱动器technical data中要求，放电电压/额定电流)。

制动转矩=[(电机转动惯量+电机负载测折算到电机测的转动惯量）×（制动前速度-制动后速度）]/375×减速时间-负载转矩=1333N．M

（4）制动电阻的阻值 =制动元件动作电压值的平方/（0．1047×(制动转矩-20%电机额定转矩）×制动前电机转速）=6．3Ω

（5）制动电阻选型型号为：4BC21-2EA0。

7 结语

本文从目前铁水取样出现的问题出发，分别从硬件和软件的角度，对取样系统进行安全设计，提出了多重多位并联式安全限位系统设计，EMC抗干扰设计，及制动电阻抗再生能设计，使铁水测温取样设备的安全使用系数大大提高，使用性能稳定，为炼钢安全生产提供了保障。