闭环调速系统在高炉探尺上的应用

摘要:着重介绍了西门子全数字直流调速装置以速度闭环控制方式在高炉探尺上的应用,重点论述了如何实现探尺下落过程中的速度自动控制和系统如何判断探尺是否到达料面、并及时停尺的功能，以及直流控制器参数设定、速度闭环控制系统的建立、系统调试等.

关键词:探尺 调速装置 电路 控制 调试 塌料 倒尺

0 引言

高炉在冶炼过程中,操作人员根据料面的高低位置来决定下一批料的投放,而料面高低位置的检测是由探尺来完成.目前探尺的控制多采用全数字直流调速控制装置，由它来控制探尺的提尺、放尺和浮尺。由于该系统为速度开环控制，

其缺点是:1、放尺或浮尺时不能对速度进行自动调节，当因设备出现异常使传动机构阻尼发生变化时，系统不会自动调节电机输出力矩，从而导致探尺下落过快或过慢，易出现倒尺、落尺太慢、探尺空中悬停、探尺不跟随料面等现象； 2、系统无法判断探尺是否到达料面，当塌料(料面瞬间大幅下落)时，如果料面塌陷到设定料线以下，探尺到料线即提尺,就不能探测到真实料面；3、因无法判断探尺是否到达料面，而放尺速度又过快，以此速度到达料面会倒尺，所以不得不增加了浮尺（慢速下落）环节，而浮尺启动起点由系统根据上一次提尺位置加上一次性上料厚度等运算而来，如此一旦出现一次探料数据错误，必然导致连续错误发生，且浮尺力矩为预先设定的固定值，不能自动调节，传动部件阻尼稍有变化，极易出现倒尺、不落尺、不跟随料面下行等故障.本系统在直流调速器的控制方式上，放尺段采用的是速度闭环控制方式，放尺时能够根据机构阻尼变化自动调节电机输出力矩以实现速度自动调节，既能使探尺匀速下落，又能根据速度变化判断探尺是否到达料面而及时停尺，从而省去了浮尺环节，既解决了浮尺阶段故障率较高的弊端，又能够判断是否到达料面，而增加了数据真实性，同时也大大提高了整套系统的可靠性。

1 探尺传动原理

北海诚德镍业1#和2#高炉各配有两套对称布置的探尺系统,探尺的机械部分主要由探锤、链条、减速机、直流电机等组成.探锤在链条的牵引下在高炉内升降,从而来探测炉内料面的位置.

                                  高炉

                              探锤

                    料面

                                 料线                                       

在提尺和放尺时,电机的力矩方向都是向上的,电机电枢电压和励磁电压均不需要换向.当需要向炉内加料时,要先将探尺提起,以防炉料将探尺埋没.下完一批料后,要放尺检测料面。放尺时直流控制器采用电流环控制，由远程PLC系统输出可控的4~20mA电流，该电流信号接入到直流控制器的模拟量输入接口，以控制直流电机输出力矩，从而实现探尺放尺时起动加速、匀速放尺、到料面后停尺、跟随料面下移等功能。其原理如下：

             PLC

给定速度                                                    实际速度

（

接入PLC系统的编码器实时采集探尺位移信息，PLC系统根据单位时间内位移运算出探尺下落速度，此为编码器反馈速度，然后与设定速度对比（每0.6秒比较一次），PLC据此以PID方式调节并输出4~20mA模拟量输出电流给直流控制器，该电流通过直流控制器即可调节直流电机输出力矩，以达到调节探尺下落速度的目的，从而实现探尺的速度闭环控制。

放尺分为如下阶段：

1）启动加速段

PLC收到放尺指令后，立即输出4mA电流信号使电机产生最小力矩，此时电机力矩小于探尺重力，即M_电<M_机,探尺加速下落，维持1s时间，以便探尺加速到设定速度。

2）匀速下落段

起步段结束（1s）后， PLC自动进入速度PID调节，使探尺以设定速度匀速下落。

3）到达料面停尺段

高速下落的探尺只有在底部接触到料面时速度会在0.6秒内大幅衰减，所以可取给定速度与反馈速度差值（绝对值）大于设定值50%时，PLC即判断到达料面（启动加速段不参与判断），此时PLC中断PID调节，并输出大电流信号给直流控制器，并维持5s时间，该电流通过直流控制器在电机上产生的力矩和探尺本身的重力相当，即M_电=M_机，该力矩能使探尺迅速停尺并直立于料面。

4）跟随料面下行段

到达料面5s后，探尺立直稳定在料面，若此时料面未到设定料线位置，PLC则输出小电流信号，否则提尺。当料面下移时，探尺失去支撑，因此时探尺重力远大于电机上升力矩，即M_电<M_机所以探尺会跟随料面下移，直到到达料线后提尺。

2、探尺直流控制器的电路分析

     探尺控制系统电路图如下图所示,该直流控制器为西门子6RA7018,直流电机为4.5KW,电机输出力矩由外部4~20mA电流控制，该电流由远程PLC系统提供.

说明:该直流控制器电路分主回路进线,主回路出线和控制电路.

    主回路进线包括电枢电压整流装置3相380V交流进线,接端子1U1、1V1和1W1;直流电机他励式励磁回路整流装置2相380V进线,接端子3U1和3W1;

主回路出线一路接电机电枢,端子为1C1和1D1,一路接电机励磁绕组,端子为3C和3D.

控制回路包括220V交流进线电源,接端子5U1和5W1,另有故障输出无源点、电枢电压、励磁电流等输出信号,外部给定信号主要有允许、合闸、提尺、放尺、4~20mA力矩给定等信号.

控制回路可提供电枢电压、励磁电流等信号给外部显示表,还可提供故障信号参与控制.

3 调试

调试前先检查电机、减速箱、链带、探锤等硬件是否正常，电气线路是否正常，接线是否正确，确认无误后进行电流环、速度环优化，并设定直流控制器参数如下：

P076.001=40       12A         电枢电流

.002=40        2A         励磁电流

P078.001=400       400V       电枢额定输入电压

.002=400       400V       励磁额定输入电压

P100=12.3                 电动机电枢额定电流（根据电机铭牌）

P101=440                  电动机电枢额定电压（根据电机铭牌）

P102=2.03                 电动机额定励磁电流（根据电机铭牌）

P083=3                     无测速机运行

P082=1                     励磁运行模式  

P084=1                     电流闭环控制，

P169=0  (0)

P170=1  (0)

P430.001=B10

.003=B16

P431.001=0011  

p700-2

P433=K408

P771=106

P750=266  (P755=266) 模拟量输出选择回路

PLC编程时，针对提尺、放尺、4~20模拟量输出三个端口进行编程，调试过程中，对放尺时的设定速度、停尺时的大电流信号进行修正，设定速度不易过高，否则探尺到料面后会使倾斜角度过大甚至倒尺；停尺时的大电流信号要适中，太小会使探尺倾斜角度过大甚至倒尺，太大会使探尺直接提尺；PID参数调试时要注意系统响应灵敏性，另外可设置死区，即速度在一定范围内可不进行PID调节。

4 结语

该套系统现应用于北海诚德镍业1#和2#高炉上,共计4套,自投运至今,系统稳定,运行效果良好,相对于其它探尺控制系统,优势明显.实践证明,使用直流电机配直流控制器,并使用速度闭环控制模式在探尺的运用中相对于传统开环控制系统具有强大的优势,是一种技术先进、经济合理的方案.

参考文献:

[1]顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京:机械工业出版社,1982

[2]陈伯时.自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,1981

[3]孔凡才:自动控制原理与系统(第二版),北京:机械工业出版社,1985