探讨PLC和ABB变频器在高炉卷扬上料系统中的应用

胡立伟

摘要：现如今的高炉金属冶炼过程中，在自动化控制高炉的体系中，核心部分就是上料控制系统。上料系统从以具体的生产工艺要求作为基础，将槽下准备好的原料稳定安全的运输到高炉炉顶，为了有效控制上料系统，ABB变频器得以在高炉卷扬上料系统中广泛应用，本文就ABB变频器在高炉卷扬上料系统中的应用展开了研究。

关键词：高炉卷扬上料系统;ABB变频器;PLC

1.ABB变频器中应用的技术分析

1.1主从控制技术

这一技术主要是被应用在多电机传动中，借助光纤连接各个变频器，并将其中的变频器设置为主机，其余的均为从机。主从机的电机轴是一种刚性的连接，主要是由减速机、钢丝绳、卷筒三者进行连接。包括启停在内的外部信号只能够和主机变频器进行连接。通过光纤主机就可以很好的在控制及传输转矩给定值的前提下，实现有效控制从机的目标。主机主要负责控制速度，而从机主要负责控制转矩，从机的转矩及速度信号是主机以自身转矩输出比例作为基础计算得出结果之后给予的，可以做到有效平衡控制负载。当在一个合理正常运行范围内的时候，从内的速度调节器输出数值为0，从机可以做到紧紧跟随主机的转矩给定，做到负载的始终平衡。在主从机速度存在一定差异，并且这个速度差异维持在窗口范围内的情况下，窗口控制的存在会将从机速度调节器的输入和输出数值都维持在0，从而保障从机再次跟随主机的转矩给定，始终平衡负载。而当这个差异数值超过窗口范围的情况下，出于平衡负载的目的，窗口就会将速度差异数值骨和速度调节器进行连接，速度调节器就可以提输出数值或者是将内部转矩给定数值降低，知道达到全新的负载平衡为止。

1.2直接转矩控制技术

这一技术是在上世纪80年代中期提出的，随后ABB变频器中的直接转矩控制技术研究就逐渐走入到研究人员视野中。从本质上来看，直接转矩控制技术就是一种以电机电磁状态作为出发点的直接控制转矩及速度的一项技术，具体一些来说，就是将一个交流异步电机的软件数学模型置入ABB变频器的内部，通过实时测量直流母线的电压、开关状态来确定一组精准度较高的定子磁通和电机转矩的实际数值，并在控制输出单元开关状态的过程中直接使用这些参数，变频器的任意一次开关状态确定都是独立的，换言之，开关组合的最佳搭配可以针对负载的变化实施及时的转矩响应，从真正意义上实现了实时控制电机转矩和转速的目标。

2.高炉卷扬上料系统组成分析

高炉料车卷扬机在使用的过程中需要满足如下的几点要求：第一，具备足够的物料运输能力，具体一些来说就是上料速度可以满足高炉生产过程的实际需求。第二，要保持稳定可靠的运行，确保高炉生产得以连续顺利进行。第三需要做到上料的自动化操作，并且系统结构较为简单，以便于今后维护工作的有效开展和落实。一般而言，高炉卷扬上料系统中使用的都是斜桥式料车上料系统。这一系统主要是由斜桥、料车、卷扬电机三部分共同组成的。在具体的工作过程中，一台卷扬机需要同时拖动两台料车，料车本身位于斜桥轨道上，载料车装满炉料处于上升状态的情况下，空车需要做到下行，从本质上来看，空料车相当于一个平衡车，主要是为平衡料车自身的重量。由此不难看出这一形式的高炉卷养上料系统是由两辆料车交替进行上料工作的。在斜桥上的料车运动，主要可以分为启动、加速、稳定运行、减速、倾翻和制动这6个阶段。在具体的运行过程中，电机始终处于一种负载状态，并且在整个过程中包括了两次减速和一次加速状态。同时，料车的运动速度和自身的加速度，对于料车提升一次所需要的具体时间有着显著的影响。

3.高炉卷扬上料系统中应用ABB变频器的分析

3.1主从控制方案的应用

ABB变频器所用的主从控制技术本身就是为适应多传动应用而研发出来的，整体系统交由多个变频器进行驱动，这一技术的应用使得负载可以较为均匀分配到各个传动单元上。在高炉上料系统中应用ABB变频器，其中的主机变频器需要使用速度控制模式，从机变频器则是需要使用转矩控制模式，确保各个传动单元之间的速度维持同一个数值上。全部的外部控制信号只能够和主机变频器的数字输入口进行连接，从机的控制信号来源是主机，并不需要二次接受外部信号。因为从机不会借助串行主从机的方式将数据反馈到主机中，只需要使用一根单独的电缆将从机故障信息端口和主機的启动连锁端口进行连接，就可以实现在从机出现故障问题的时候，主从机同步停止运行的目标。

3.2电机运行方向控制

从主从控制的原理出发，为实现有效控制电机运行方向的目标，与之相关的线路连接和参数设定只需在主机上进行即可。高炉卷扬上料的计算机控制系统是由PLC控制器进行控制的，自动和手动控制料车皆可，前者也是交由PLC控制器完成，而后者则是由人工控制操作台的开关来完成的。上料车本身是一个重在负荷系统，出于控制的安全问题，在信号的传输过程设计中可以使用电缆的一对一信号传输。PLC输出的两个正反向运行数字信号需要和手动的开关信号一起通过控制选择，并在经过保护联锁之后，就可以将信号的接入到变频器的两个输入点内，从而实现有效控制变频器启动等动作的目标。

3.3变频器多步速的应用实现

当上料小车处于运行状态的时候，速度会发生不同的变化，在这一背景下，控制上料小车不同速度阶段及停车点位置有着十分关键的作用。在上料小车减速位置滞后的情况下，就会导致停车时有着较快的速度和剧烈窜动，容易造成料车挂顶而造成设备损坏。停车点位置靠前则会带来上料小车无法精准到达受料斗的问题。出于料车定位精准化的考量，可以通过结合使用多圈光电编码器和PLC控制来实现这一目标。前者需要直接安装在上料小车钢丝绳卷筒轴上，这样一来，多圈光电编码器一圈发出的1024个脉冲就会和卷筒一圈钢丝绳的长度完全对应，具体来说，卷筒周长除以1024得出的数值就是一个脉冲数对应的钢丝绳长度。在系统中，设置上料车在料坑内最低点位置为0，在上料小车逐渐上升的过程中，编码器产生的信号会传输到PLC中，PLC中的计数值也会不断的上升，借此就可以十分有效地判断出轨道上上料小车的实时位置。

变频器具备的多步速功能，从本质上来看，就是在结合使用不同的数字输入端子组合及软件参数设定的前提下，做到上料小车运行速度的阶段性变化，在外部连线完成之后，变频器的START FUNCTION需要设定为CNST DC MAGN（就是恒定直流励磁方式），但考虑到高瞬时转矩应用的具体需求，恒定预励磁时间需要设置得足够长，借此产生充足的励磁和转矩，至于时间的设置长短则需要以实际的使用需求为基础。

4.总结

高炉卷扬上料系统中，ABB变频器的有效应用，尤其是直接转矩控制和主从控制技术的应用，有效解决了高炉上料车的重载启动和定位精准性中存在的问题，同时在同步多传动问题解决中也会发挥了重大的作用，在缩减整个系统规模的同时将投资量和维护工作量做出了削减。再加之和多圈光电编码、PLC控制器综合使用组成的控制系统，不但在操作简便性和精度上有着巨大优势，同时维护工作开展也变得十分便利，可以很好的满足高炉上料系统使用的各项要求。

参考文献：

[1]陈钧.高炉上料变频传动系统启动故障分析[J].电气传动，2016，46（04）：84-86.

[2]刘立辉，张亚静.高炉卷扬上料系统改进与实践[J].科学之友，2013（10）：65-66.

[3]王礼平，李长谏.ABB变频器在高炉卷扬上料中的应用[J].机电信息，2013（12）：74-75.