1、西门子变频器在高炉主卷扬上的应用西门子变频器在高炉主卷扬上的应用摘要：本文介绍西门子 70 矢量控制型变频器在标准的 PROFIBUS 网络中应用。以及对该系统的通讯及传动控制部分进行讨论一、概述：在高炉炼铁生产中，一般把按照品种、数量称量好的炉料从地面的贮矿槽运送到炉顶的生产机械称为高炉上料设备。料车主卷扬是上料系统的核心设备，其可靠性直接影响到生产效率及经济效益。本文对西门子矢量控制型变频器在该系统改造部分的应用，以及该系统的传动控制部分进行讨论。二、系统组成：1、机械部分构成由一台卷扬机拖动两台料车，料车位于轨道斜面上，工作过程中，当装满炉料的料车上升时，空料车下行，空车重量相当于一个平
2、衡锤，平衡了重料车的自重。两料车交替上料，即其中一台料车载料上行，另一台为空车下行，运行过程中电机始终处于负载状态。2、电气部分构成系统由一台 S7400 的 PLC 做主站，主令控制器用普通导线传输。西门子变频器、卷扬低速轴同轴安装绝对式编码器通过 PROFIBUS 与主站进行数据传送，通讯介质采用双绞带屏蔽的铜芯电缆。操作指令由 WINCC 人机界面发送到 PLC。如图（1）3、系统工作原理：图 2 中：VVVF 为西门子 70 变频器，KM1 为输入接触器，KM2 为输出接触器，KM3 为抱闸接触器，M 为卷扬电机，M1 为液压推动器。CBP2 为变频器通讯板。24V 辅助电源用于当网侧
3、电压中断时，支持装置的通讯功能和诊断功能。制动单元，制动电阻在电机制动或加/减速时把动能转换成热能。工作原理：操作工发出料车 1 上行指令，上位机通过控制字发出开机及正转命令，同时主给定值 HSW 给出变频器的高速频率 45Hz，变频器由 0Hz 开始提速， PLC 控制开启抱闸，料车上行，直到全速运行；随着电机的转动，主令控制器的 K1 闭合至 PLC（如图 3），由PLC 发出低速指令，同时主给定值 HSW 给出变频器的低速频率 10Hz，电机以低速运行；当主令控制器的 K3 闭合时说明料车已经达到终点，变器封锁输出，同时关闭机械抱闸，料车 l 送料完毕。料车 2 重复如上过程（主令点改变
4、）。三、系统通讯原理1、通讯输入变频器挂现场总线，通过网络进行信息交换，对应 PROFIBUS 总线形式，配用 CBP2 接口板。PLC 的 PPO 类型设为 4，其数据传送特征为：变频器接收 1 个控制字，5 个设定字；发送 2 个状态字，4 个实际值设定字。由于频率是通过网络设定，故具有通讯速率高，精度高、稳定可靠，接线简单等优点。而在模拟量控制时，PLC 输出端经过一个数模转换器，经过导线，进入输入端（变频器）又经过一个模数转换器才能参与控制。两个转换器位数不同和导线损耗都可能造成一定误差。而网络通讯传递直接是数字量不需要转换，没有误差，在传输过程中不会造成损耗，而且响应速度率也会很高。
5、2、通讯设定西门子 S7400 作为主站，主卷扬变频器做为从站。主要通讯信息有两种：（1）浮点数主要为设定速度，实际电流，实际转矩，实际频率等；（2） 开关量主要是正/反转、开机指令及运行状态，和一些故障报警的指示等。变频器发送与接收的报文如图（4）、图（5）。四、系统的保护：1、在卷扬同轴安装一只挂在 PROFBUS DP 网上的绝对式编码器，上位 PLC 读取编码器的实时数据，通过计算设定为极限保护点，以防止主令控制器失灵时的最后保护，防止料车“冲顶”事故的发生。2、编码器另一个重要功能是测定料车的实时速度，通过主令控制器的配合，完成对料车的超速保护、低速检查，反向保护。21、超速保护：料
6、车运行中，PLC 根据编码器测得的料车实际速度，全程监控料车不得超过最高速度，否则 PLC 输出急停关闭变频器、机械抱闸同时制动，并输出报警。22、反向保护：反向保护是当电机起动时起动力矩不能克服料车重力矩，形成重料车下滑。PLC 根据编码器测得的料车实际速度方向，判断料车运行方向是否错误，从而起到保护作用。起动完后料车具有惯性，形成反向的可能性很小，但反向保护也是全程的。23、低速检查：当主令控制器的 K2 闭合时（图 3），PLC 根据编码器测得的料车实际速度，检查变频器是否已减速。若否，立即停止变频输出，抱闸制动。若是，继续运行。3、对于变频器自身故障由 PLC 通过 PROFBUS D
7、P 网采集，当故障发生时，立即关闭机械抱闸，以防止料车下滑。4、变频器 X9 端子 7/9 输出变频准备好接点信号，故障时断开输入接触器 KM1，切断变频器电源。五、过程中遇到的问题1、变频器选型：考虑到冶金系统的设计特点，变频器选配 160kW，电机选配 110kW。由于冶炼强度增加每车料加重，电机运行电流过大，发热严重，后改为 132KW 电机，才满足生产要求。由于加/减速时有再生能量，故选配制动单元和制动电阻。2、在空载调试阶段：由于机械减速箱传动比偏小，调试初期高速时 50HZ 运行，料车速度太快，在做料车高速急停试验时，钢丝绳松驰致使料车出轨，故高速时改为 45HZ。把第一次减速时主
8、令控制点推后。但保证每车上料时间 40S。3、制动器的配合当变频器收到正转(或反转)指令后，为防止变频器低频起动力矩偏小，不足以克服装料重车而下滑。变频器通过状态字将电机力矩反馈到上位机 PLC。当电机力矩达设定值时，（力矩值设定按最重料车启动时不下滑为准），且经过 0.5 秒延时后，PLC 才打开抱闸，随着低段速的选通，电机处于爬行状态，当 PLC 检测到终点信号时，发出停车命令，变频器封锁输出执行停止，同时关闭抱闸。如此控制抱闸既防止变频器过流保护又防止料车下滑六、技术性能及特点：以上述方案改造的韶钢炼铁厂 1 号、 2 号、 6 号高炉主卷扬系统， 自 2002 年 3 月投入运行以来，
9、 至今电气部分未出一次故障， 料车“冲顶”、“挂顶”事故也从未发生过，提高了生产效率，降低了设备维护、运行费用。西门子变频器可靠性高，控制方便，尤其是低频特性好值得在起重行业推广应用。西门子高效变频器在高炉自动控制系统中的应用西门子高效变频器在高炉自动控制系统中的应用发表日期：2005-09-12 浏览人数：248 作者：张峰 来源：网易行业评论0 条一、高炉卷扬上料及布料过程简介高炉上料的形式主要有两种:一是卷扬料车上料，二是皮带上料，由于料车上料占地面积小，在中小高炉中得到广泛的应用，如中型高炉卷扬系统采用双电机控制，小高炉采用单电机控制。卷扬上料系统的主要过程是：各种原料经过槽下配料后放
10、入中间料斗，料车到料坑后，中间斗把料放入料车，中间斗闸门关到位并且炉顶准备好后，料车启动，经过加速匀速（高速）减速 1减速 2，到达炉顶。二、控制系统方案2.1 上料及炉顶系统主要电气设备1、 卷扬机构交流电机功率 160kW，三相交流 380 伏一台。2、 冷却风机电机 3.7kW，三相交流 380 伏一台。3、 料车制动器 1kW，两相交流 380 伏两台。4、 料车行程编码器，OMRON 一台5、 智能主令控制器一台。6、 料车切换柜一面、交流变频传动柜 2 面，一用一备，制动电阻柜一面。7、 料车变频器选西门子 6SE70 200kW 两台，配套制动单元。8、 PLC 配置如表：CPU
11、4146ES7 414-2XG03-0AB0只1DI 32 点 DC24V6ES7 4211BL000AA0只6DO 32 点 DC24V6ES7 4221BL000AA0只3模拟量 AI 8 点6ES7 4311KF100AB0只2模拟量 AO6ES7 4321HF100AB0只12.2 基本工艺要求1、 料车卷扬机：料车卷扬机按料车行程曲线运行；2、 在 PLC 及操作台手动方式下，满足高、中、低速调速要求；3、 料车启动、停车及加、减速应平稳，速度控制受负载(空载或满载)影响较小；4、 主卷扬有钢绳松弛保护和极限张力保护装置(过流保护)；5、 料车有行程极限,超极限保护装置，低速检查保护
12、；6、 料车尚未到达行程终点的卷筒反转保护；在卡车的状态下,可允许停车或有控下行。2.3 设计方案系统框图如图 1 所示，(1) 主卷扬变频调速装置我们采用西门子公司的 6SE70 全数字交流变频调速供电装置。系统配置了配套制动单元和独立的制动电阻柜，采用能耗制动方式实现卷扬系统的制动。供电装置的工作方式选用一备一用方式，通过切换柜中的三刀双掷刀开关完成备用切换。每个变频器的控制信号通过切换柜的电气设备来完成基本联锁及控制，在主 PLC 与切换柜之间、操作台与切换柜之间利用继电器相互隔离，使料车的控制可以由 PLC 或操作台分别控制系统，提高整个系统的可靠性。抱闸由 6SE70 装置中的抱闸专
13、用控制功能来实现料车运行中的抱闸控制及联锁控制。调速装置的交流进线是通过交流进线电抗器解耦，并且进线电抗器设置在电源切换柜中，相当于两套变频器共用一台进线电抗器。在切换开关后面分别接两台出线电抗器，消除出线高次谐波，保护电机。料车定位采用绝对值编码器来完成，信号是格雷码，以开关量的形式送给 PLC；主令控制器采用增量式编码器，脉冲信号送给主令控制器的内部小 PLC。料车定位编码器器通过 Profibus-DP 与 PLC 联网。(2) 料车定位高炉卷扬料车的传统定位方式是机械式的主令控制器，目前来看，使用起来有很多问题，定位精度差，现场环境恶劣，机械触点容易氧化，位置发生变化后，必须休风，跑几
14、次空车，调整料车位置。我们现在采用的方案是智能主令控制器与编码器（PLC）结合对料车进行定位，通过数字面板来调整料车位置，如料车位置发生变化，只需在数字面板上改变料车位置的数值即可完成对料车的定位。同时，主令控制器所检测到的数据与主 PLC 中的数据相比较，误差小于允许值时认为定位准确。(3) 料车运行简介料车在料坑底部(另一料车在顶部)，备料装好后，地坑闸门关闭，炉顶受料斗料空，申请上料，由主 PLC 发出命令给变频器，6SE70在接到开车命令后系统解封。通过 6SE70 系统中的抱闸控制功能，建立在抱闸状态下的转矩限幅给出的启车力矩电流后，6SE70 系统发出打开抱闸命令，使抱闸打开，实现
15、料车的平稳启动。当料车启动运行后，所需的运行力矩电流大于启车力矩电流后，原来建立的转矩限幅将恢复到正常的限幅值。启车后，料车将以启车加速度 a1=0.25m/s2 进行加速至 V2.36m/s。待炉顶另一料车退出分歧轨后，当上行料车运行至接近炉顶时，由主令控制器发出减速 1信号给切换柜，由切换柜发给 6SE70 使料车按 a3=0.25m/s2 减速至 V=1.0m/s 的中速运行。当上行料车进入分歧轨前，主令控制器发出减速 2 的命令，使料车以 a3=0.2m/s2 减速，在此过程中主令控制器器还会发出低速检查命令，6SE70 系统此时会根据料车在此点的实际运行速度作出比较判断，料车运行至炉
16、顶时，主令控制器发出停车命令，由 PLC 控制 6SE70 完成停车，抱闸闭合，此时料车的停车位置应是工艺要求的角度，即能将车内的炉料倒净而又不撞极限弹簧。(4) 料车运行保护所有使用卷扬上料的厂家，最担心的就是料车失控，产生飞车事故，一旦出现此类事故，那么所造成的停产时间和损失都无法估算，为避免这样的事故发生，我们重要采取的措施是松绳检测和低速检查保护。有松绳现象出现时，松绳开关会立刻给 PLC 发出信号，PLC收到松绳信号以后，立刻给供电装置发出停车命令，并同时给抱闸发出停车的命令。作为卷扬上料无论是直流装置还是交流装置，都是用速度闭环的方式，在工艺要求低速的地方增加主令控制信号，该信号触
17、发变频器的速度比较功能，一旦出现飞车失控的现象，比较值大于设定值测速装置就会向供电装置发出真实的速度信号，装置通过对速度信号鉴别，发现本给定所需要的反馈信号不符，那么装置就会自动关闭，并同时向控制它的 PLC 发出故障信号，接到信号以后，PLC 马上发出停车抱闸的指令，并按程序设定进行断电等其它保护措施。3、系统特点系统将 PLC 技术与变频器技术相结合， 极大地提高系统性能， 成为生产控制的坚实基础。在此基础上开发出以下几个有特色的功能。（1）设备故障检测报警：这一功能由两部分构成:PLC 中的实时检测程序和计算机上的报警及记录程序。（2）料车定位：采用主令控制器与编码器（PLC）结合对料车
18、进行定位，定位准确，调整方便，在约 60m 长的轨道上定位精度可达 0.6cm。（3） 料车启动控制：料车启动前，必须提前判断炉顶状态，防止在轨道中间停车。目前为追求产量，都是大料批上料，料车如在轨道中间停车，再启动时较危险。（4） 安全独立操作方式：由主 PLC 和操作台分别独立控制主卷扬系统，并且与切换柜相互隔离，提高降低系统的故障率。（5）开抱闸控制：开抱闸采用力矩电流的百分值由变频器 BICO 参数输出给抱闸接触器，来控制打开，通过现场调试测定合适的力矩值，在变频器建立起该力矩后，再打开抱闸，可有效的防止误动作及溜车故障。4、应用效果卷扬控制系统是实现了高炉生产全过程自动控制的基础，通过采用先进的传感器技术以及稳定的 PLC 控制技术大大提高了这个高炉生产最重要环节的准确性和稳定性。系统自投入运行以来一直稳定运行，对高炉稳产、高产，降低成本，减轻工人劳动强度起着重要作用，取得了较好的经济效益和社会效益。
