1 引言
河北津西鋼鐵股份有限公司，位于河北省遷西縣三屯營(yíng)鎮(zhèn)，始建于 1986年，是河北省首家在香港上市的鋼鐵企業(yè)，是一家具有年產(chǎn)鋼、鐵各 400萬噸、軋材 300萬噸、發(fā)電 2.5億度的集煉鐵、煉鋼、軋鋼、發(fā)電為一體的大型股份制鋼鐵聯(lián)合企業(yè)。主要生產(chǎn)裝備有 100T轉(zhuǎn)爐 1座、50T轉(zhuǎn)爐 2座，120 T轉(zhuǎn)爐 1座全部采用施耐德 ATV68和 ATV71系列變頻器，2007年底新投產(chǎn) 120噸轉(zhuǎn)爐一座，PLC與變頻器全部采用施耐德電氣公司產(chǎn)品，運(yùn)行穩(wěn)定良好，完全滿足其檢測(cè)準(zhǔn)確及時(shí)，自控性能優(yōu)越的要求。
2 轉(zhuǎn)爐煉鋼工作原理簡(jiǎn)介
煉鋼就是把從高爐出來的鐵水和廢鋼裝入煉鋼爐內(nèi)，氧化去除鐵水中的硅、錳、碳和磷等元素，并通過造渣進(jìn)行脫磷和脫硫。使鋼水達(dá)到規(guī)定的化學(xué)成分和溫度。
目前煉鋼的方法主要有三種，即平爐煉鋼法、轉(zhuǎn)爐煉鋼法、電爐煉鋼法。轉(zhuǎn)爐煉鋼（圖一）是目前世界上采用的主要煉鋼生產(chǎn)工藝方法之一，其煉鋼產(chǎn)量可以達(dá)到世界鋼產(chǎn)量的70%以上，大部分采用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼，示意圖見圖(二),構(gòu)成氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的設(shè)備與裝置主要包括如下：
1） 原料供應(yīng)設(shè)備；2）轉(zhuǎn)爐主體設(shè)備；3）吹氧裝置；4）煙氣凈化設(shè)備；5）爐渣處理設(shè)備。
其中轉(zhuǎn)爐主體設(shè)備主要由爐體、爐體支承裝置和爐體傾動(dòng)的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)，吹氧裝置是指使氧槍升降的動(dòng)力裝置并完成吹煉，濺渣護(hù)爐，刮渣工藝要求的設(shè)備。
轉(zhuǎn)爐本體外形呈梨型，由爐體、托圈、耳軸和傾動(dòng)機(jī)械等組成，爐體為鋼板焊接體，可分為爐帽、爐身和爐底三個(gè)部分。爐帽一般和爐身焊成一體。爐底有的與爐身焊成一體，稱為“死爐底”；有的可以拆卸，稱為“活爐底”。
傾動(dòng)部分采用 4臺(tái)傾動(dòng)電機(jī)，通過減速機(jī)剛性連接，并采用全懸掛固定方式，根據(jù)工藝要求，轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)角度為正負(fù) 360°。轉(zhuǎn)爐爐口和爐底方向軸線與地平面垂直時(shí)為零位狀態(tài)。
據(jù)工藝設(shè)計(jì)說明，轉(zhuǎn)爐按正力矩設(shè)計(jì)，即爐子耳軸下部比上部高，下部比上部重。從而確保轉(zhuǎn)爐電控系統(tǒng)失靈或抱閘力不夠時(shí)，能靠爐體自身的正力矩來確保爐口向上，這樣不至于發(fā)生倒鋼等事故。但當(dāng)維修爐拆除爐底后以及爐口粘鋼渣太多時(shí)，爐體可能出現(xiàn)上部較下部重，由于液體鋼水重心隨轉(zhuǎn)爐傾角的變化而變化，這樣在修爐和出渣或出鋼時(shí)，可能出現(xiàn)負(fù)力矩。當(dāng)爐體處于正力矩狀態(tài)時(shí)，電機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)爐體處于負(fù)力矩狀態(tài)時(shí)，電機(jī)處于回饋制動(dòng)狀態(tài)。在轉(zhuǎn)爐正常工作時(shí)，如果需要傾倒鋼水，就由電動(dòng)機(jī)輸出正力矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)爐緩慢傾動(dòng)。倒完鋼水后，需要緩慢的把爐體回歸正位，這時(shí)，就需要把轉(zhuǎn)爐的勢(shì)能回饋系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)工作在回饋狀態(tài)。轉(zhuǎn)爐能連續(xù)回轉(zhuǎn) 360°，并且能準(zhǔn)確停止在任意位置上，還應(yīng)根據(jù)工藝要求具有調(diào)速性能。
3 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制要求簡(jiǎn)介
通常，轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)由 4臺(tái)電機(jī)完成，所以為了系統(tǒng)更可靠更穩(wěn)定的工作，這 4臺(tái)電機(jī)就必須要求進(jìn)行負(fù)荷平衡，也就是所有的電機(jī)出力是一樣的。由于這 4臺(tái)電機(jī)是剛性連接，所以要求所有電機(jī)的速度要絕對(duì)同步，因此 4臺(tái)電機(jī)的傳動(dòng)采用主/從控制，4臺(tái)變頻器之間用電纜進(jìn)行連接。所以，在系統(tǒng)配置中，將一臺(tái)變頻器作為主機(jī)，由它進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，輸出轉(zhuǎn)矩給定，其它變頻器作為從機(jī)，跟隨主機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，同常規(guī)的控制方式相比，這種使用將系統(tǒng)的性能提高到了一個(gè)新高度。有效解決由于電機(jī)運(yùn)行中的不同步而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐“點(diǎn)頭“和”搖頭“的現(xiàn)象。
4臺(tái)變頻器可以在主/從之間切換，但是同時(shí)只能有一臺(tái)主機(jī)，另外三臺(tái)為從機(jī)，主機(jī)采用速度控制方式、從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制方式，主機(jī)給從機(jī)發(fā)出控制命令，從機(jī)接受主機(jī)發(fā)出的啟動(dòng)、停止指令及轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值進(jìn)行動(dòng)作。
當(dāng)某臺(tái)從機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，并不影響主機(jī)和其它從機(jī)的通訊和動(dòng)作，所以可以繼續(xù)運(yùn)行，等到適當(dāng)時(shí)候進(jìn)行檢修；當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，從機(jī)由于接受不到主機(jī)的信號(hào)而停機(jī)并報(bào)故障，此時(shí)將其中一臺(tái)從機(jī)切換為主機(jī)，故障主機(jī)切換為從機(jī)，切換完成后，主機(jī)發(fā)出復(fù)位命令將信號(hào)同步后，從機(jī)故障信號(hào)消失，當(dāng)系統(tǒng)正常后，繼續(xù)運(yùn)行，等到適當(dāng)時(shí)候?qū)收显O(shè)備進(jìn)行檢修。
4．津西鋼鐵公司 120噸轉(zhuǎn)爐變頻器配置控制方案簡(jiǎn)介
津西鋼鐵公司 120噸轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)電機(jī)為 75KW,氧槍升降電機(jī) 90KW,采用施耐德 ATV71系列變頻器，六臺(tái)變頻器型號(hào)均為 ATV71HC13N4（內(nèi)置制動(dòng)單元），為實(shí)現(xiàn) Modbus Plus通訊，每臺(tái)變頻器配有可選的通訊卡 VW3A3302，傾動(dòng)和氧槍電機(jī)均帶有閉環(huán)反饋編碼器，采用 24V增量型編碼器，以提高轉(zhuǎn)矩精度，考慮輸入輸出數(shù)量，增加 I/O擴(kuò)展卡 VW3A3202一只，滿足模擬量分配傳送要求。采用 VW3A7812制動(dòng)電阻，滿足能量反饋制動(dòng)要求。
津西鋼鐵公司 120噸轉(zhuǎn)爐本體采用施耐德 Quantum 系列熱備 PLC,網(wǎng)絡(luò)通訊采用MB+通訊協(xié)議。其網(wǎng)絡(luò)通訊配置圖見如下（圖三）。
在轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)四臺(tái)電機(jī)的出力均衡，其核心為要實(shí)現(xiàn)四臺(tái)變頻器的轉(zhuǎn)矩分配達(dá)到一致，即四臺(tái)變頻器在主從控制模式下，以實(shí)現(xiàn)均勻的力矩輸出，具體實(shí)施如下：
1） 四臺(tái)變頻器采用通訊方式做速度給定，采用 MB+通訊給四臺(tái)變頻器同一速度，其精度高，抗干擾能力強(qiáng)，由上位 PLC通過數(shù)字給定，避免了模擬量輸入信號(hào)的干擾波動(dòng)問題；
2） 主機(jī)工作在速度控制模式，三個(gè)從機(jī)工作在轉(zhuǎn)矩模式，在三個(gè)從機(jī)通過參數(shù)配置使其長(zhǎng)期處于轉(zhuǎn)矩控制，或采用邏輯輸入端子控制，使其處于速度和轉(zhuǎn)矩模式切換；
3） 主機(jī)與從機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)傳遞，采用模擬量信號(hào)，由主機(jī)模擬量輸出到從機(jī)模擬量輸入，由于從主機(jī)一分三的形式給從機(jī)，采用的是電壓信號(hào)，如采用電流信號(hào)，可以采用電流信號(hào)分配器以滿足要求；
4） 由于電機(jī)帶有增量式編碼器，并配有有編碼器卡，電機(jī)控制模式采用閉環(huán)電流矢量控制。在速度與轉(zhuǎn)矩精度方面能夠提供更好的性能，并且在零速時(shí)能夠獲得滿轉(zhuǎn)矩。同時(shí)轉(zhuǎn)矩精度亦高于開環(huán)水平。以保證3臺(tái)從機(jī)的接受的轉(zhuǎn)矩信號(hào)偏差較低；
5） 將主機(jī)的模擬量輸出信號(hào)定義為轉(zhuǎn)矩輸出信號(hào)，由于轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)過程中，處于電動(dòng)和發(fā)電的交替狀態(tài)，所以將模擬量輸出定義為四像限轉(zhuǎn)矩輸出；
6）對(duì)于主機(jī)模擬量輸出口，選擇AO2,類型選擇成雙極性電壓，對(duì)于從機(jī)模擬量輸入口，選擇模擬量輸入口AI1,類型選擇[ 電壓 +/-] (n10U)正電壓輸入與負(fù)電壓輸入( 輸入雙向的)。
7）通過上位機(jī)以及操作面板觀察主機(jī)的轉(zhuǎn)矩與從機(jī)的轉(zhuǎn)矩，基本上保持一致。而且轉(zhuǎn)矩方向可以保持跟隨，徹底避免了某一個(gè)電機(jī)不出力，或反向出力；
8）通過POWERSUTIE調(diào)試監(jiān)控軟件，有效地觀察轉(zhuǎn)矩電流變化；
9）轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)需嚴(yán)格監(jiān)控，防止出現(xiàn)“溜車”故障，在轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)變頻控制系統(tǒng)中，利用了 PLC控制程序，使抱閘在系統(tǒng)起動(dòng)后轉(zhuǎn)矩建立在一定的輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)松開，在系統(tǒng)停止后轉(zhuǎn)矩下降至一定的輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)抱緊，大大提高了系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性；
10）由于轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)電機(jī)減速齒輪為嚙合原因，易引起速度環(huán)調(diào)節(jié)震蕩，造成傾動(dòng)過程中有抖動(dòng)，通過調(diào)節(jié)速度環(huán)比例增益，和速度環(huán)時(shí)間常數(shù)，加以克服。
在轉(zhuǎn)爐氧槍控制系統(tǒng)中，氧槍系統(tǒng)為單小車雙卷揚(yáng)系統(tǒng)裝置，（一用一備），升降是用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，無級(jí)調(diào)速。氧槍控制也采用施耐德的 ATV71變頻器，兩套氧槍共有兩臺(tái)控制柜，一用一備。氧槍升降速度 6-30m/min，斷電時(shí)啟動(dòng)氣動(dòng)馬達(dá)提槍。
上位機(jī) CRT可顯示氧槍實(shí)際槍位，可通過計(jì)算機(jī)鍵盤式按鈕控制氧槍在冶煉過程中的待吹點(diǎn)、氧氣關(guān)閉點(diǎn)、氧槍變速點(diǎn)等，吹煉點(diǎn)位置可人工設(shè)定，并可隨時(shí)修改。氧槍由主令控制器能夠精確地控制氧槍的起停、加減速、限位、待吹、刮渣、 吹煉、氧氮的吹停等多個(gè)動(dòng)作點(diǎn)的輸出，并且可以在操作員界面上實(shí)時(shí)顯示氧槍的高度。
由于氧槍是典型的位能式負(fù)載，只要抱閘裝置一打開，氧槍電機(jī)就馬上有 100%的負(fù)載，氧槍提升時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。氧槍下降時(shí)，負(fù)載力矩拉著電機(jī)轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)。同傾動(dòng)控制系統(tǒng)類似，氧槍傳動(dòng)控制系統(tǒng)也必須與抱閘裝置協(xié)調(diào)工作，防止“溜車”現(xiàn)象，而且也有足夠的啟動(dòng)力矩和過載能力。并且速度可調(diào)節(jié)。
在氧槍提升控制中，采用 ATV71變頻器的內(nèi)置制動(dòng)邏輯功能，將繼電器輸出 R2定義為制動(dòng)接觸器控制，使之按制動(dòng)邏輯順序以打開抱閘控制，將 R2其觸點(diǎn)串入抱閘接觸器線圈，從而準(zhǔn)確控制抱閘繼電器的打開與閉合。
下圖（圖四）為在閉環(huán)控制下垂直運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)邏輯順序圖。
變頻器在接到運(yùn)行方向命令后，電機(jī)立即進(jìn)入勵(lì)磁狀態(tài)，建立轉(zhuǎn)矩電流并檢測(cè)當(dāng)其達(dá)到釋放電流 IBR時(shí)，邏輯繼電器 R2有輸出，并經(jīng)過 BRT延時(shí)后，抱閘放打開，通過對(duì)釋放電流大小的檢測(cè)，準(zhǔn)確地控制報(bào)閘釋放的時(shí)機(jī)，有效避免溜鉤現(xiàn)象，停車時(shí)，隨著輸出速度降低，轉(zhuǎn)矩電流降至 IBR,此時(shí)，抱閘持續(xù)抱緊一段時(shí)間 TBE，爾后繼電器 R2輸出斷電信號(hào)給抱閘接觸器線圈，抱閘接觸器延時(shí) BET后動(dòng)作閉合。從而完成一個(gè)氧槍升降的制動(dòng)邏輯抱閘過程。
5． 結(jié)束語
津西鋼鐵公司 120t轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng),自 2007年12月投入運(yùn)行至今，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，其控制功能完全滿足了轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)工藝需求。這一項(xiàng)目的成功應(yīng)用，標(biāo)志著施耐德變頻器出色性能，已為廣大冶金行業(yè)用戶認(rèn)可，全部采用施耐德電氣公司的可編程控制器和變頻器，極大體現(xiàn)了施耐德電氣產(chǎn)品的整體解決方案應(yīng)用能力，是施耐德電氣交流傳動(dòng)應(yīng)用的重大突破之一。為今后該級(jí)別及以上轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。
