在煉鐵高爐上料系統(tǒng)控制中,上料小車的控制是控制的核心部分,它是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求,把槽下備好的不同料類和不同重量的原料及時、安全、準確定位地運送到高爐爐頂，保證高爐的正常生產(chǎn)，一但控制出現(xiàn)故障，將直接影響高爐的生產(chǎn)。
本文通過上料小車卷揚機負載的特性，采用ABB變頻器的主－從控制技術、DTC直接轉(zhuǎn)矩控制技術、機械抱閘控制技術、多步速控制技術，結(jié)合西門子PLC控制，實現(xiàn)了對小車的精確控制，取得了滿意的效果，完全滿足了高爐生產(chǎn)工藝的要求。
１ 控制工藝要求
高爐原料從槽下輸送到爐頂有兩種輸送方式：一是皮帶輸送、二是小車輸送。這次設計是采用小車輸送方式，小車輸送方式是：小車卷揚機采用交流電動機拖動，電機正、反轉(zhuǎn)控制，牽引通過鋼絲繩連接的兩臺料車在斜橋上一上一下交替工作，為了能對小車做到精確控制，控制系統(tǒng)必須具備以下條件：
１）、系統(tǒng)能頻繁起動、停止。
２）、系統(tǒng)能正、反雙向控制。
３）、系統(tǒng)能做到無極調(diào)速，調(diào)速范圍大、平滑性較高，做到平穩(wěn)起動－加速－穩(wěn)定運行－減速－平穩(wěn)停車。
４）、系統(tǒng)起動轉(zhuǎn)矩大，做到平穩(wěn)起動。
５）、系統(tǒng)在停車時做到穩(wěn)定、精確定位，防止料車過頭。
６）、在零速時維持大轉(zhuǎn)矩輸出，防止料車起動和停車時重載下滑。
２ 變頻器的選型
上料工藝對料車控制的最主要要求是：在起動或停車的瞬間也就是在零速時，變頻器必須有最大的轉(zhuǎn)矩輸出，以防止料車下滑，因此在起動時對轉(zhuǎn)矩的要求大于對速度的要求。當前交流變頻調(diào)速系統(tǒng)主要為矢量控制和DTC直接轉(zhuǎn)矩控制。眾所周知，DTC直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)由電機的電壓和電流計算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用砰-砰控制來實現(xiàn)變頻器的PWM控制，DTC直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)沒有電流控制環(huán)路，因此，DTC直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的著眼點是電壓，而不是電流。而矢量控制的原理是基于交流電機的電流控制，把交流電流按磁場坐標軸分解為轉(zhuǎn)矩分量和磁場分量，分別加以控制，故矢量控制的著眼點是電流控制。對于交流電機來講，要想獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應，在磁鏈不變的條件下，就要求電流的快速變化，而電流的變化是由電壓的快速變化引起的。矢量控制系統(tǒng)的輸出電壓是由電流調(diào)節(jié)器的輸出產(chǎn)生的，這就存在電流調(diào)節(jié)的時間滯后。而DTC直接轉(zhuǎn)矩由于沒有電流控制環(huán)路，砰-砰控制產(chǎn)生的輸出電壓，沒有任何電流限制，電壓可以出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，故電機可以獲得較大的du/dt, 較大的加速電流，因而產(chǎn)生較快的電流響應及轉(zhuǎn)矩響應就不言而喻了。故采用DTC直接轉(zhuǎn)矩控制的交流調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比矢量控制要快的多的轉(zhuǎn)矩響應，圖（1）a為矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應，大約為6～7ms，而圖（1）b直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應可以達到1ms左右。DTC直接轉(zhuǎn)矩控制動態(tài)控制精度比矢量控制系統(tǒng)高出五個數(shù)量級，特別在低速運行、電網(wǎng)供電質(zhì)量不好、波形發(fā)生畸變時，DTC仍然能保持較高的控制精度。 
從以上兩種控制方式比較得出，DTC直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)可以做到轉(zhuǎn)矩的建立優(yōu)先于速度，這正是我們所期待的，市面上各種品牌的變頻器控制方式大多采用矢量控制，而ABB采用獨特的DTC直接轉(zhuǎn)矩控制方式，因此我們在設計中選用了ABB的ACS800系列變頻器。該變頻器具有以下功能：①直流勵磁功能，該功能保證電機能具有高達200%電機額定轉(zhuǎn)矩的最大啟動轉(zhuǎn)矩。②直流抱閘功能，使用直流抱閘保持功能可將電機轉(zhuǎn)子鎖定在零速。③主、從功能，它是為多傳動應用而設計的。④專用的機械制動控制功能，在傳動單元停止或未通電時，可用機械制動將電機和被驅(qū)動設備鎖停在零速狀態(tài)。⑤輸入、輸出可編程功能，實現(xiàn)了根據(jù)用戶要求對設備的靈活控制。⑥多步速功能，用戶可以設定不同的速度曲線，實現(xiàn)設備的平穩(wěn)加減速控制。⑦可以設定不同的啟動轉(zhuǎn)矩，在開環(huán)和閉環(huán)時的的轉(zhuǎn)矩響應時間均小于５ms，速度的靜態(tài)精度可以到0.01%，動態(tài)精度可以到0.1%。⑧完善的報警功能。ACS800系列變頻器的特點完全滿足了高爐上料系統(tǒng)料車控制的特殊要求。
３ 控制系統(tǒng)的設計
在這一次設計中，根據(jù)生產(chǎn)工藝負載的需要，計算出拖動負載電機的容量為700KW，如果采用單電機傳動，電機、減速機等機械設備體積和重量龐大，對安裝和日后的維護帶來不方便且工作量大，同時控制系統(tǒng)的變頻器所需的容量大、價格昂貴，在啟動和運行過程中，電機電流大，對電氣設備、電纜要求等級高，這都增加了投資成本。由于存在這些問題，通過多種方案的比較，最后決定采用多傳動控制方案，選擇采用兩臺容量為400KW的電機進行拖動，同時為了降低啟動和運行過程中的電流，選擇了電壓等級為690V的ABB的ACS800系列變頻器。
３.１ 主、從控制方案的應用
ACS800變頻器的主、從功能是為多傳動應用而設計的，，其中系統(tǒng)由若干個ACS 800 變頻器驅(qū)動，同時電機軸通過齒輪、鏈條或傳送帶等相互耦合在一起。由于這種主、從功能，負載可以均勻地分配在傳動單元之間。
在高爐上料傳動中，主機和從機的電機軸通過減速箱、鋼絲繩卷筒進行剛性連接在一起，因此主機應該采用速度控制模式，從機應該采用轉(zhuǎn)矩控制模式，以使傳動單元之間不存在速度差異。所有的外部控制信號將只連接到主機上數(shù)字輸入口DI1—DI6，而從機的控制信號通過光纖從主機通訊獲得，不需另接外部控制信號。由于從機不會通過串行主/ 從機的連接向主機反饋任何數(shù)據(jù)。因此單獨使用一根電纜將從機故障信息端口RO3傳送給主機的啟動聯(lián)鎖端口X22組的８和11號端子。該連接在從機出現(xiàn)故障時，主機和從機都會停止運行。表1列出了在主、從控制應用中需要調(diào)整的參數(shù)。
Table 1 adjusting parameters
３.２ 電機運行方向和多步速度控制的實現(xiàn)
根據(jù)主、從控制原理的要求以下的線路連接和參數(shù)設定只在主機上完成。
３.２.１ 電機起動、運行方向的控制
高爐上料計算機控制系統(tǒng)是由一臺西門子S7－400的PLC控制的，對料車的控制有自動和手動兩種方式，自動由PLC 完成，手動由操作臺開關完成，由于上料小車是一個重載負荷系統(tǒng)，考慮到控制的安全性問題，所以在設計中采用通過電纜一對一信號傳輸控制，PLC輸出兩個正、反向運行數(shù)字信號I0.1、I0.2同手動開關信號通過控制選擇，通過必要的保護聯(lián)鎖后，連接到變頻器的DI1和DI2兩個輸入點，完成變頻器的起動、正反轉(zhuǎn)、停車的控制。在完成了外部連線后必須對變頻器內(nèi)部相應參數(shù)進行設置，主要設置參數(shù)為：①10.01：選擇DI1 F DI2 R，它的主要功能是通過數(shù)字輸入DI1 和DI2 的四種組合００停車、１０正向起動、０１反向起動、１１停車實現(xiàn)料車的起動、正反轉(zhuǎn)、停車的控制。②10.03：選擇REQUEST，它的功能是實現(xiàn)允許用戶定義轉(zhuǎn)向。
３.２.２ 變頻器多步速的實現(xiàn)
上料小車在整個運行過程中，要經(jīng)過四個不同速度階段：①起動低速運行200rpm/min階段；②高速運行590rpm/min階段；③減速運行100rpm/min階段；④停車運行10rpm/min階段。速度運行圖如圖２所示。
３.２.２.１ 不同速度階段位置的實現(xiàn)
上料系統(tǒng)小車在不同速度階段和停車點的位置的控制是非常重要的，若減速位置滯后，在停車時速度太快、設備竄動大，會造成料車“掛頂”損壞設備；若停車點提前造成料車不到位，原料不能到受料斗。為了實現(xiàn)料車的精確定位，采用歐姆龍的多圈光電編碼器和西門子S7－200的PLC相配合來實現(xiàn)。編碼器直接安裝在料車鋼絲繩卷筒的軸上，這樣編碼器轉(zhuǎn)一圈發(fā)出1024個脈沖和卷筒一圈鋼絲繩的長度相對應，可以計算出一個脈沖數(shù)對應的鋼絲繩長度＝卷筒周長/1024,我們把某一邊料車在料坑最低點的位置設為“０”，編碼器的信號送入PLC中，當料車上行時過程中PLC中計數(shù)值不斷增加，這樣可以根據(jù)不同的值來換算出料車在軌道上運行的實時位置，我們把料車在料坑的“０”點和到爐頂?shù)耐＼圏c做為總長度根據(jù)圖２的運行圖分為不同階段：“０”點、加速點a、減速點b、減速檢查點c、停車點d、超極限保護點f。另一邊料車上行時也有相對應的５個點，用與S7－200的PLC相配合的操作面板TD200根據(jù)料車實際運行中的精確位置進行設置，通過PLC的十個數(shù)字輸出點I0.0－I2.1輸出，提供給變頻器和控制系統(tǒng)用，同時PLC還根據(jù)料車的方向信號和計數(shù)的加減判斷出料車是否故障，編碼器是否故障等輸出信號做為報警信號，保證控制系統(tǒng)的安全。
３.２.２.２ 變頻器不同速度控制的實現(xiàn)
變頻器的多步速功能就是通過不同的數(shù)字輸入端子組合和不同的軟件參數(shù)設定，很簡單的實現(xiàn)不同的運行速度，我們把圖２中a、b、d三點在S7－200的PLC的數(shù)字輸出點通過方向聯(lián)鎖后對應的點，分別接到變頻器的DI3、DI4、DI5 三個輸入點，在完成了外部連線后必須對變頻器內(nèi)部相應參數(shù)進行設置，主要設置參數(shù)為：①12.01：選擇DI3,4,5，它的主要功能是通過數(shù)字輸入DI3、DI4和DI5的八種組合進行速度選擇。②12.06：200、12.07：100、12.08：590，它的主要功能是由不同選擇的相對應的參數(shù)設定運行速度。在本方案中，為了實現(xiàn)料車的平穩(wěn)起動和準確停車，料車在“０”點起動時，設定速度為200轉(zhuǎn)實現(xiàn)平穩(wěn)起動，在料車運行8M后的a點進行加速到590轉(zhuǎn)，在離爐頂15M時的b點進行減速到100轉(zhuǎn)，在離爐頂0.8M的停車點c處停車，通過斜坡減速后在10轉(zhuǎn)速度時實現(xiàn)平穩(wěn)、精確停車。需要注意的是以上每個點的位置參數(shù)一定要通過多次調(diào)整才能保證精確定位。
３.３ 制動方式的選擇和實現(xiàn)
根據(jù)主、從控制原理的要求以下的線路連接和參數(shù)設定必須在主、從機上完成。
為了防止料車在起動時后退下滑事故的發(fā)生和實現(xiàn)爐頂?shù)木_停車，電機的制動措施的實施是關鍵。在設計上，我們考慮將選擇正確的起動、停車方式，同時采用電氣制動方式和機械制動方式相結(jié)合來實現(xiàn)，真正地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
３.３.１ 變頻器起動、停車方式的選擇
根據(jù)高爐上料系統(tǒng)中料車的起動是重載起動，它的最大負荷將達到25噸，而且電機起動必須與機械制動釋放同時進行，因此在變頻器中選擇電機起動的方式的參數(shù)“21.01 START FUNCTION”必須選擇為“CNST DC MAGN”（恒定直流勵磁方式），為確保在需要高瞬時轉(zhuǎn)矩應用場合的需要，恒定預勵磁時間要設置到足夠長，以產(chǎn)生足夠的勵磁和轉(zhuǎn)矩。預勵磁時間在參數(shù)“21.02: CONST MAGN TIME”中根據(jù)實際需要設定。為了保證料車的平穩(wěn)、精確停車，減少電機和機械設備的竄動，變頻器中選擇電機停車方式的參數(shù)“21.03: STOP FUNCTION”必須選擇為“RAMP”（斜坡減速停車方式）。
３.３.２ 電氣制動方式的選擇
在ACS800變頻器內(nèi)部有電磁制動和直流制動兩種電氣制動方式，由于我們?yōu)榱吮ＷC料車的平穩(wěn)、精確停車，減少電機和機械設備的竄動，電機停車方式選擇為斜坡減速停車方式，而斜坡減速過程是在運行信號斷開以后，而運行信號斷開以上兩種制動方式立即失效，達不到制動目的。因此我們采用制動斬波器和制動電阻器進行制動，可以通過變頻器的“27 BRAKE CHOPPER”（制動斬波器的控制）中的６組參數(shù)對有效性、控制模式、電阻值、熱時間常數(shù)、過載保護、功率值等進行設置。
３.３.３ 機械制動的控制
由于上料料車在停車后或運行過程中可能發(fā)生突然停電等故障，這時電機處于無力矩狀態(tài)，重車將下滑，必須有外部的機械制動才能控制，在設計中我們采用大推力的液壓抱閘制動器。而液壓抱閘制動器在松開和閉合過程中都有滯后性，同時起動過程是重載，電機需要建立足夠的轉(zhuǎn)矩和電流制動器才能松開，所以對制動器的控制是非常關鍵的。ACS800變頻器機械制動控制功能就可以實現(xiàn)對外部制動器的精確控制。通過變頻器的“42 BRAKE CONTROL”（機械制動控制）中的１０組參數(shù)對有效性、監(jiān)控功能、制動器松開和閉合延時時間、制動器閉合速度、電機起動轉(zhuǎn)矩信號源、電機起動轉(zhuǎn)矩、電機起動電流等進行設置。在設計方案中，以電機最大能拖動２０噸原料重量來多次進行調(diào)試，最后設定電機起制動器釋放點的電流為520A，電機轉(zhuǎn)矩為130%，電機起動轉(zhuǎn)矩信號源為AI1通道，制動器松開延時時間為0.1S, 制動器閉合延時時間為3S，制動器閉合速度為10轉(zhuǎn)，變頻器的機械制動控制功能輸出通道為RO1，為了保證系統(tǒng)的安全運行，外部制動器除了受變頻器控制外，在其控制線路上還必須串入減速機潤滑泵起動信號、電機冷卻風機起動信號、位置檢測保護信號、超極限保護信號、變頻器故障信號、零壓保護信號、急停開關等聯(lián)鎖保護信號，做到某一故障發(fā)生時能即時制動。
４實際應用中的幾個關鍵問題
通過了理論設計后，在實踐調(diào)試過程中，不斷碰到了一些失敗和原先沒有細致考慮到的問題，通過查找資料和多次的實踐，總結(jié)了以下幾個應用經(jīng)驗。
4.1 幾個關鍵連線
在這次應用中，首先變頻器的選擇是一個整流單元通過光纖帶兩個并聯(lián)的逆變單元，兩個逆變單元到電機接線端子之間的主回路電纜一定要保證相同長度，不然在做變頻器電機識別功能時就不能建立正確的電機模型。其次變頻器到制動單元之間的連線一定要小于5M，制動單元到制動電阻之間的連線一定要小于10M，不然在做變頻器電機識別功能減速時會產(chǎn)生很大的浪涌電流，損壞變頻器和制動單元，由于在開始調(diào)試時沒有注意到電纜的長度就造成了變頻器和制動單元同時損壞。最后變頻器與電機之間的連線必須采用屏蔽電纜，減小對其它電氣、儀表設備的干擾。
4.2 停車方式的問題
在這次應用中，我們選擇停車方式是斜坡減速停車同時使用了機械制動功能，在故障需要立即停車也就是在參數(shù)“21.07 RUN ENABLE FUNC”選擇“OFF3 STOP”（急停停車）功能時，變頻器也是以“斜坡減速停車”為主，無法立即停車，因此料車在最高速590轉(zhuǎn)的時候發(fā)出停車指令時，料車滑行13M后停車，最高速100轉(zhuǎn)的時候發(fā)出停車指令時，料車滑行1M后停車，無法滿足要求，但在變頻器上有一個啟動聯(lián)鎖端口X22組的８和11號端子，在正常工作時必須短接，如果斷開變頻器立即封鎖輸出，因此我們可以把急停開關、故障停車的信號接入８和11號端子之間，需要立即停車時斷開，保證了料車的安全。
4.3 料車位置信號的安全問題
在這次應用中，我們對料車位置的檢測是采用編碼器和PLC結(jié)合的方式來實現(xiàn)，因此一定要保證其供電與變頻器的起動信號是同一路電源供電，這樣才能保證不出現(xiàn)萬一編碼器和PLC的檢測系統(tǒng)開關沒有合上，無法提供正確的位置信號而使料車直接沖上爐頂造成重大設備事故，同時為了保證料車的安全，必須安裝一個機械式LK4的主令控制器，兩個方向各提供一個點做為最后的超極限保護，保證萬一編碼器和PLC的檢測系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，料車也能安全停車。
4.2 電機起動轉(zhuǎn)矩的方向問題
在上料系統(tǒng)的控制中，我們要求變頻器能正反兩方向運行，也就是要求變頻器在起動時電機制動釋放點的最大轉(zhuǎn)矩也能是正反兩個方向，如果在參數(shù)“42.08 START TORQ REF”設置時，通過監(jiān)控可以發(fā)現(xiàn)在釋放點上電機的轉(zhuǎn)矩只能是一個固定方向無法改變，不能滿足要求，為了解決這個問題，在實際應用中我們把變頻器主板上的X20組的１號端子和X21組的１號端子提供的±10V電壓信號，同料車運行的方向選擇信號聯(lián)鎖后并接入AI1通道端子，通過參數(shù)“42.07: STRT TORQ REF SEL”和“13.03: SCALE AI1”的設定，為電機的起動提供了方向相一致的±150%的轉(zhuǎn)矩。
５ 結(jié)束語
ABB變頻技術在高爐上料中的使用，特別是DTC直接轉(zhuǎn)矩控制技術和機械制動控制技術的應用，很好地解決高爐料車重載起動和精確定位的問題。而主、從控制技術的應用，解決了多傳動的同步問題，減小了設備的大型化，降低了維護的工作量和設備投資。其簡明的參數(shù)設定、完善的控制和故障保護報警功能為控制系統(tǒng)提供了保障，并且通過與PLC、編碼器相結(jié)合組成控制系統(tǒng)，控制簡單，控制精度高，維護方便，完全滿足高爐上料系統(tǒng)的要求。
參 考 文 獻
［１］陳伯時．電力拖動自動控制系統(tǒng)．北京：機械工業(yè)出版社．２００４
［２］ABB公司．ACS800主、從控制手冊．２００６
［３］ABB公司．ACS800標準軟件固件手冊．２００６
［４］西門子公司．STEP 7 V5.2編程手冊[M>．２００３
（轉(zhuǎn)載）
