高炉探尺控制系统的设计开发与应用
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摘 要：本文介绍了一种基于矢量控制技术的高炉探尺系统的组成及其工作原理，给出了控制系统的硬件组成和参数设计方案，实践结果表明该系统实现简单 运行稳定。
关键词：高炉探尺；矢量控制；西门子变频器
随着变频控制技术的蓬勃发展和日益成熟，变频调速以及矢量控制技术在各工业领域的传动系统得到了广泛的应用。矢量控制技术相比于传统的交流电机调速控制方式具有节能降耗、控制精度高、稳定性好、调速范围宽、特性曲线最优等特点。高炉探尺系统的探料情况是高炉上料的重要依据，准确的掌握料线是高炉正常工作的基本保障，探尺系统能否安全稳定运行直接关系到高炉的正常生产。然而在传统的控制方式下的探尺系统往往存在着运行速度慢、控制精度低、稳定性差、线路复杂、检修困难、故障点多等诸多不足，这与精确、集约、高效的现代炼铁工艺严重背离，解决这一矛盾刻不容缓。
一.探尺机械系统的组成及控制原理
（一）系统组成
探尺系统有三种工作状态：①在高炉上料系统每次向炉内布料之前，探尺应快速提到0m位置，以免被矿石掩埋，这时系统工作在提尺状态；②布料完成后，探尺应恒速下放到料面以探测料面高度，这时系统工作于放尺状态；③放尺完成后，探尺重锤应保持垂直状态并随料面的下降而下降，以动态的检测料面的高度，这时系统工作于浮尺状态。
（二）探尺的工作原理
（1）提尺，当要对炉顶加料时，必须先将探尺探头提起至零位，这一过程为提尺操作。提尺时，探尺电机处于电动状态，变频器为速度控制带动卷筒收取钢丝绳，绝对值编码器同步旋转，并将探尺探头的实际位置检测出来。当探尺探头上行至零料位点时，用户PLC发出停止信号，电机停止工作，机械抱闸投入。探尺处于提尺状态时电机正转，当重锤以v匀速上升时，电机电磁转矩Md=Mg+Mf（Md为电机电磁力矩，Mg为重锤力矩，其大小和方向保持不变，Mf为静摩擦力矩，为提尺速度），电机电磁力矩和电机转向相同，为驱动转矩，变频器工作在转速控制方式。
（2）放尺，当加料后，需要放尺以对料位进行测量，这一过程为放尺操作，放尺开始时变频器为速度控制带动卷筒放下钢丝绳，探尺探头按速度设定下降，当到达料面时，变频器变为力矩控制，使钢丝绳始终保持一定的张力，无倒尺。探尺处于放尺状态时，电机反转，当重锤以匀速下放时，电机电磁转矩Md=Mg-Mf，电磁转矩与电机转向相反，为制动转矩，电机处于制动状态。
（3）浮尺，当探尺放到料面后，由于料面的支撑，负载力减小，变频器由速度控制转为力矩随动控制，使探尺探头只能随料面的下降而下移，这一过程为浮尺操作。在探尺探头下降的过程中，绝对值编码器同步旋转，将探尺探头的实际位置检测出来。当探尺探头随料面下降到设定的下限位后，系统发出下限报警信号。浮尺时电机的电磁转矩为Md=Mg-Mz，Mz为料面对重锤的支持力矩，电机处于堵转状态。当料面下降，Mz减小甚至为0时，在Mg的作用下电机反转，重锤下降直到停在料面上，这个过程就是重锤跟随料面。探尺的跟随性是判断探尺系统好坏的一个重要因素。如果Md太小，Mz偏大，重锤容易发生倾倒现象，探尺就不能反映料面的真实高度；如果Md太大，Mz偏小，重锤就不能完全跟随料面，发生重锤悬浮现象，探尺也不能反映出料面的真实高度。
二.探尺传动系统构成
探尺的传动系统主要由拖动电机及相应的驱动控制系统构成。以前很多钢铁公司炼铁厂所用探尺电机型号为YZR系列，额定功率有以下几种2.2KW、3.7KW、4.0KW、5.0KW等，额定频率50HZ，额定转速970转/分左右，Y接线方式，定子额定电压380V。传动采用传统的空开、接触器和接触调压器驱动形式，一般称之为老式探尺。老式探尺的工作过程为：提尺时电机定子接入电网额定电压，电机正转；放尺时通过接触调压器使电机定子接入几十伏左右的电压，改变供电相序，电机反转，重锤下放。随着变频调速技术的日益成熟与广泛应用，以拖动电机、变频器及相关控制回路构成的新型探尺正逐步替代老式探尺传动系统。
老式探尺存在的问题：1）放尺不畅，电压波动时，放尺速度波动，经常需手动干预。2）放尺过程采用小电压且使电机向下转，易松绳、乱绳和倒锤、烧锤。3）不能很好跟踪料面，影响及时向炉内布料。4）更换重锤时，调试时间相对长。5）对重锤重量偏差要求较严。6）需经常维护，维护工作量比较大。新型探尺较好的解决了老式探尺存在的问题。优势明显：探尺下放过程均匀、顺畅、可控；浮尺过程平稳可靠，始终保持力矩平衡；提尺速度可控，停尺稳定准确；测量精度高。新型探尺按传动系统又可分为直流拖动系统和交流拖动系统。直流拖动系统的优点：1）具有宽广的调速范围、平滑、平稳的调速性能。2）较大的启动和制动转矩，较高的过载能力。3）静差小。放尺不畅，电压波动时，放尺速度波动，经常需手动干预。直流拖动系统的缺点：1）存在机械磨损，噪音大，寿命短，事故率高，维护困难。2）换向存在火花，在易燃易爆等恶劣环境中不适用。3）容量、电压、电流和转速的上限值，均受换向条件的制约，在一些大容量、特大容量的调速领域中无法应用。4）电机结构和控制设备复杂，投资大，维修不方便。交流拖动的优点：1）交流电动机坚固耐用，事故率低，容易维护，运行噪音小。2）能够适用易燃易爆、高空、井下等恶劣环境，适用范围广。3）容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电机那样受限制。4）电机结构和控制设备简单，投资小，经济可靠。交流拖动系统的缺点：交流拖动系统最大的缺点就是调速困难。
随着交流电动机调速理论问题的突破和调速装置性能的完善，交流拖动系统调速性能差的缺点已经得到了克服。目前，某些交流调速系统的性能指标已经超过了直流调速系统。
三.炉顶立项高炉探尺系统设计
依托炉顶自动化控制系统设计开发立项，我部门完成了高炉探尺电气控制系统的设计开发，并首次将其应用于出口印度的两台10米高炉探尺上。该高炉探尺电气控制系统由三相异步电动机、交流变频器、脉冲编码器、绝对值编码器、主令控制器等设备组成。脉冲编码器：作为变频器矢量控制系统的速度反馈检测单元安装于驱动电机轴端。绝对值编码器：通过联轴器与卷筒同轴连接，实时反应卷筒旋转角度，探尺重锤位置，具有掉电保持、测量精度高等特点。主令控制器：料尺的限位开关，包括：上下限位、上下极限限位、零料位等。
1.高炉探尺系统主要电气设备介绍
高炉探尺一般在高炉上配备2台，分左右探尺，大型高炉有的配备3台探尺。本次出口印度的探尺为2台，每台探尺配备以下电气设备：（1）电气控制柜1台：每台电气柜内主要含：交流变频器1台：西门子6SE70系列交流变频器（带制动单元和制动电阻，用于驱动炉顶探尺的三相异步电机）、风机抱闸控制接触器、中间继电器、自动开关和控制变压器等。（2）现场电控箱1台：分别用于探尺设备的现场手动控制操作和控制方式转换，便于现场调试和设备检修。（3）增量型脉冲编码器1台：通过联轴器与探尺电机尾轴相连接，作为变频器矢量控制的速度反馈。（4）绝对值编码器1台：通过联轴器与探尺的卷筒共轴连接，测量信号经由DP总线接至用户PLC，用于测量料位。（5）主令控制器1台：检测料尺上下极限限位、检修位、零料线位等。
2.变频器传动控制实现
本探尺电气控制系统可实现现场电控箱的现场手动控制操作和用户PLC的远程联动控制，电控柜预留了用于实现用户PLC远程联动控制的I/O点接线端子。用户PLC通过I/O点向变频器发送提尺、放尺、停车指令，速度给定、力矩给定以系统参数形式预先在变频器内设定，并可依据现场实际工况需要做适当调整以满足工艺对提尺、放尺速度要求以及浮尺时对重锤跟随料面的速度要求。变频器向用户PLC发送工作状态、故障信号。变频器工作模式设定为带编码器速度反馈的矢量控制模式。
3.主令控制器及编码器零位调整
（1）基本数据：卷筒直径D=Φ477mm；编码器与卷筒轴的速比i=1/1；绝对值编码器选用多圈规格，单圈脉冲数P=8192。（2）计算：脉冲当量=P×1000×i/（π×D）=5467脉冲/m。（3）零料位调整：将探头停到观测孔观测到的标定位置，在用户PLC中读出记录这点的位置，即绝对值编码器的脉冲值，可以把这点作为原始点，然后放尺，观察脉冲数，当到达零料位线的脉冲数时（设备图中标注了标定点至零料位线的距离），将探头停到这点，即零料位线点，调整主令控制器的零位点，将绝对值编码器在这点的脉冲值记录，以这个脉冲数作为零点。如果发生连接探尺探头的钢丝绳断开的情况，手动将钢丝绳提起，连接好探尺探头，以上述方法重新调整好主令控制器零位点、编码器的零点后，控制系统会修正成新的位置。
四.结论
通过在炉顶试验平台搭建探尺试验架安装机械探尺，将6SE70交流变频探尺控制系统应用于实际探尺控制，试验结果表明，该高炉探尺控制系统能够准确完整的实现提尺、放尺、浮尺等探尺控制工艺过程。其中提尺、放尺为速度控制过程；浮尺为转矩控制过程。可以通过调整合适的转矩下限值参数，使速度控制、转矩控制切换及时准确。