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1  引言

    近年來，國內(nèi)自主建設(shè)了相當(dāng)數(shù)量的中大型轉(zhuǎn)爐（80t~150t級）。基于轉(zhuǎn)爐傾動裝置的工藝特點（頻繁地啟動、制動和加減速）、氧槍的工藝要求（快速自由升降、較高的定位精度），考慮到交流電動機自身的優(yōu)點、電力電子/微電子技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用日趨成熟，交流變頻技術(shù)在這些中大型轉(zhuǎn)爐上得到了更多的應(yīng)用。甘肅某鋼鐵公司新建的三座120 t轉(zhuǎn)爐就采用了交流變頻技術(shù)。

2  控制系統(tǒng)的組成

    本系統(tǒng)采用Rockwell公司的ControlLogix 1756-L55控制器（以下簡稱CLXD）作為控制主站。一方面，CLXD通過ControlNet與轉(zhuǎn)爐本體控制器（以下簡稱CLXM）實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，CLXM發(fā)出設(shè)備起停的控制指令、給定速度，CLXD實時反饋變頻裝置的具體參數(shù)、報警信息在HMI上顯示。另一方面，CLXD下掛六臺1336　Force變頻裝置，通過控制網(wǎng)ControlNet控制每一臺裝置的運行。將傾動氧槍變頻裝置的控制與轉(zhuǎn)爐本體其余設(shè)備的控制分開，編程、調(diào)試、維護、查找故障都較為方便。四臺傾動電機的變頻裝置通過D2D通訊實現(xiàn)裝置之間的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2.1。

    轉(zhuǎn)爐的容量為120t，采用全懸掛式的四點嚙合的結(jié)構(gòu)形式，由4臺交流變頻電機拖動。每臺電機都由一臺1336 Force變頻裝置供電，四臺變頻器拖動四臺電機在轉(zhuǎn)爐傾動時均衡分擔(dān)負載。考慮到檢修的方便，每臺變頻裝置的出線側(cè)均設(shè)置了輸出接觸器用于形成電氣回路上的可靠斷點。兩套氧槍卷揚電機各設(shè)置一套1336　Force變頻裝置。為達到一定的控制精度要求、提高低速時的動態(tài)響應(yīng)性能，每臺電機上均設(shè)置了一個增量型速度編碼器。作為速度反饋值，該信號直接進入變頻裝置。

    在生產(chǎn)過程中，如果傾動電機或是變頻裝置發(fā)生故障，為保持生產(chǎn)的連續(xù)性，電機容量及變頻裝置容量的選擇已能滿足三臺電機生產(chǎn)時能保證一個班次的正常生產(chǎn)、兩臺電機生產(chǎn)時能維持一個爐次的正常生產(chǎn)的情況。如果氧槍電機或變頻裝置在該氧槍處于工作狀態(tài)時出現(xiàn)故障，通過設(shè)置兩組機械互鎖的接觸器實現(xiàn)兩套變頻裝置與兩臺電機之間的任意組合，實現(xiàn)該爐次的正常吹煉。由于1336　Force是一種高性能的矢量變頻裝置，在無速度反饋時仍具有較好的控制精度（1%），變頻裝置在切換時采用開環(huán)控制。這樣，既避免了易受干擾的編碼器信號的復(fù)雜切換，又保證了可以接受的控制精度。單線系統(tǒng)圖見圖2.2。

3  控制系統(tǒng)的功能

    由于轉(zhuǎn)爐的四臺電機屬于剛性連接、機械速度一致，這樣就要求控制電機的變頻裝置輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)大體一致（各電機的負荷差異<10%）。為滿足負荷平衡的要求，本系統(tǒng)采用主從控制的傳動控制系統(tǒng)。四臺電機中任選一臺做為主裝置，主裝置接收CLXM發(fā)出的控制指令、速度要求，采用速度控制模式，該電機的編碼器反饋用于閉環(huán)控制。其余三臺變頻裝置均為從裝置，采用轉(zhuǎn)矩控制模式，從裝置的編碼器反饋用于速度限幅。通過Drive to Drive 通訊，裝置之間得以實現(xiàn)最快2mS、最大500k/S的數(shù)據(jù)通訊。主裝置采用速度控制，使得電機的速度能夠動態(tài)跟隨；從裝置采用轉(zhuǎn)矩控制，使得四臺電機的出力保持平衡。

    基于安全控制的考慮，轉(zhuǎn)爐在運行過程中如果主變頻裝置或是主電機出現(xiàn)故障，從裝置立即會因通訊故障而停機。操作人員進行故障確認(rèn)后，可以通過人工選擇主變頻裝置或是控制系統(tǒng)自動重新選擇主裝置來實現(xiàn)繼續(xù)生產(chǎn)。這樣既保證了設(shè)備的安全運行又不會影響正常的生產(chǎn)。
　　
    傾動裝置與氧槍均是位能負載。轉(zhuǎn)爐回垂直位或是氧槍下放時，電動機均工作在發(fā)電狀態(tài)，多余的能量必須釋放。本系統(tǒng)通過配備制動單元和制動電阻實現(xiàn)能量的自動釋放，以保證變頻裝置的直流母線電壓維持在正常的范圍。根據(jù)制動電阻阻值的計算以及對負載的分析，傾動電機及氧槍電機處于制動狀態(tài)的時間較長。從安全的角度考慮，制動單元及制動電阻均選擇了兩套。
　　
    國內(nèi)的中大型轉(zhuǎn)爐一般采用正負力矩進行力矩設(shè)計。從力矩分析及生產(chǎn)的情況來看，轉(zhuǎn)爐在測溫取樣區(qū)域可能出現(xiàn)負力矩（見參考文獻[3]）。因此必須要求電機的制動器在電機輸出足夠的轉(zhuǎn)矩后才允許打開，使?fàn)t體不至于產(chǎn)生回位動作和抖動。CLXM發(fā)出啟動指令后，制動器不能立即打開。CLXD在判斷變頻裝置的輸出轉(zhuǎn)矩達到一定數(shù)值時再打開制動器，爐體就能夠比較平穩(wěn)的啟動。CLXM發(fā)出停止指令后，CLXD在判斷變頻裝置的輸出轉(zhuǎn)矩降至一定數(shù)值時再關(guān)閉制動器，就避免了變頻裝置電流過大或是機械抖動較大的情形。由于制動器打開前變頻裝置輸出的轉(zhuǎn)矩值取決于給定速度值，在轉(zhuǎn)爐的低速傾動區(qū)就必須采用快速勵磁方式使得輸出轉(zhuǎn)矩盡可能快地達到要求，以避免低速區(qū)響應(yīng)時間較長的情況。

4  控制效果

    響應(yīng)時間短、超調(diào)量小，是對控制系統(tǒng)的基本要求。由于轉(zhuǎn)爐的四臺變頻裝置采用主從控制，那么主裝置的參數(shù)整定對整個系統(tǒng)的動態(tài)性能有著較大的影響。如果主變頻裝置的響應(yīng)時間較長，由于爐體傾動的特點（兌鐵或出鋼時需斷續(xù)得電），可能系統(tǒng)會出現(xiàn)無法跟隨給定的狀態(tài)；如果主變頻裝置的超調(diào)量較大，那么從裝置驅(qū)動的電機將反復(fù)振蕩。因此，變頻裝置的Ki、Kp、Kf參數(shù)需反復(fù)調(diào)整。圖4.1為經(jīng)過參數(shù)調(diào)整后以4#變頻裝置為主裝置、現(xiàn)場裝料操作（兌鐵、加廢鋼）結(jié)束后爐體回到垂直位過程的四臺電機的電流曲線。圖中左上方顏色圖例的含義依次為：爐體傾動角度、1#變頻裝置的輸出電流（4096對應(yīng)著電機的額定電流）、2#變頻裝置的輸出電流、3#變頻裝置的輸出電流、4#變頻裝置的輸出電流。

圖4.1　各變頻裝置電流曲線（爐體傾動角度）