陈智平 杨军军 彭洋
（陕钢集团汉钢公司炼铁厂）
摘要:介绍了交流变频器控制技术在陕钢集团汉钢公司1#高炉（1080m³）探尺改造中控制，以及在调试过程中探尺跟踪料面曲线走势不平滑做出的改进措施。
关键词：探尺；变频器；重锤
引言
探尺设备在高炉生产中起着非常重要的作用，探尺是否能够精确的测量出高炉料面位置，将直接影响操作人员对高炉炉况的监测、分析与判断，因此提高探尺的检测控制精度是当前急需解决的问题。传统的高炉探尺控制多采用直流电机和直流装置，但在应用过程中会表现出比较明显的缺点。由于探尺在高炉生产过程中发挥的作用越来越大，一旦探尺出现故障将严重影响高炉生产。为适应高炉顺行、稳产及长远发展要求，新型高炉探尺均采用交流变频电机传动，其监测高炉炉内料面位置精准、布料指令准确，能有效提高探尺的控制精度，为高炉提供可靠的监测数据。
概述
汉钢公司1#高炉探尺改造前是采用直流电机驱动其机械设备,直流电机结构复杂，故障率较高，备件种类及附件多且维护困难，故予以改造。改造方案需要将原直流电机改型为交流变频电机。探尺系统将原有直流控制需要改造为交流变频控制。西门子变频器广泛，维修人员熟悉便于维护，因此选用西门子公司矢量控制电压源型S120变频器。探尺设计方案如下:
1)传动电机采用三相交流异步电机，型号YZTET1132M-6。电机功率:2.2Kw，电压：380V，转速：996转/分，电机绝缘等级H，连续工作制。
2)减速机构速比63，卷尺滚筒直径667mm。正常工作时，提尺速度0~0.5m/s,放尺速度0.33~0.37m/s。
3)旋转编码器/卷筒轴转速=（编码器旋转一圈，重锤位移2000mm）。
4)探锤质量选用150Kg倒锥形重锤,提升高度10000mm,工作提升高度为6000mm。
5)本次改造选用西门子S120变频器，功率模块6SL3210-1SE21-OUA0/4KW。探尺放尺中使用力矩控制，电动机处于发电状态,需加制动电阻6SL3201-0BE12-0AA0/和制动单元6SL3203-0CD21-4AA0/以消耗能量。
机械探尺的工作原理
目前，1#高炉使用的机械探尺是链条式垂直软探尺，又称链条探尺。基本结构为将链条固定于卷筒上，链条下端悬挂重锤，链条随重锤下探到高炉内部，电机驱动滚筒正反向转动，带动重锤上升或下降。具体工作过程分三个阶段：放尺、料面跟踪、提尺，工艺必须满足以下方面：
1）放尺要顺畅、匀速，速度不要求太快。
2）料面跟踪时探锤紧贴料面，无倒锤现象，自动跟随料面下降，无浮锤和悬锤。
3）提尺过程迅速、稳定，到待机位时自动停尺。
3.1放尺过程
根据探尺受力分析，重锤重力Mg，链条重力ML，变频器提张力Md，可知：Mg、ML方向垂直向下，Md方向垂直向上。放尺过程变频器处于速度控制状态，调节Md使重锤以恒速V下落，受力关系满足：Md≤Mg+ML。
3.2料面跟踪过程
探尺在匀速下放的过程中，当探锤触及料面时，变频器由速度控制切换为力矩控制。假定探锤受料面支撑力为Mz，气流对探锤的浮力为MF，工艺要求探锤保持直立形态而不倒，电机要产生保持向上的张力Md拉住重锤，此时受力分析为：Md+Mz+MF=Mg+ML。探尺跟踪料面时要求探锤随料面下降而同步下降，并且不出现悬浮和倾倒的状态。即要求选择合适的力矩Md，若Md太小，重锤容易倾倒，如果Md太大，重锤就不能跟随料面，发生重锤悬浮现象，探尺也不能反映料面的真实高度。
3.3提尺过程
当探尺跟踪料面降到一定高度时，探锤需要向上回收，此时变频器切换为纯速度控制控，重锤以设定速度上升到待机位，并保持在待机位，称为提尺。提尺过程中，受力关系为：Md＞Mg+ML。
探尺的调试难点主要在以下两个方面：一是探尺重锤的定位；二是重锤在不同区间段运行时不同控制方式间的切换。探尺基本的位置有：检修位置、待机位置、上极限、零位（0m料线）、6m料线、下极限。可以根据操作习惯选择待机位或零位（0m料线）停机，优选待机位停机。
探尺的变频控制
提尺和放尺时，变频器采用速度控制，跟踪料面时采用转矩控制，三个阶段变频器内部实现自由切换。内部功能框图如图1所示。
图1——变频器内部控制功能图
提尺时，PLC发出提尺命令，控制继电器吸合，信号通过参数r0722.1控制变频器内部开关K1处于“0”位，K2处于“0”位。此时系统实质为转速转矩双闭环系统，为主动传动系统。电动机处于电动状态，通过参数P1001设定可控制探尺的提尺速度，电机50Hz运行时1500rpm/min，设定600rpm/min。
放尺时，PLC发出放尺命令，控制柜内继电器吸合。放尺分为三个阶段，第一阶段是速度控制，信号通过参数r0722.2控制变频器内部开关K1处于“1”位，通过参数P1002设定可控制探尺的提尺速度，我们设定300 rpm/min。电机主动反转，有利于克服机械系统的静摩擦，将重锤下放。第二阶段，采用力矩控制：延时8s（参数r20160控制）电子开关k2切换到“1”位，电机由转速转矩双闭环切换为转矩环控制，力矩略值小于重锤力矩，电磁力矩Mo+Mf=Mg+ML，探尺被倒拉着继续匀速下放。探尺继续下放，直到重锤底部碰到料面被挡住。进入第三个阶段：重锤碰到料面，重锤会发生一定的倾斜现象，力矩变小同时满足力矩达到下限（参数r20233控制）时，通过附加转矩给定P1003由P1503端输人，P1003为设定值约为3%～5%，产生向上的力将重锤扶起，重锤很快被扶正，直至Ms=Mg-Mz，重锤垂直立于料面上，力矩保持暂时的平衡。随着料面下降，重锤失去料面的支撑，暂时的力矩平衡会被打破，重锤跟随料面下降。
调试中，重点和难点依然是放尺和跟随。放尺初始速度设定值P1002，放尺的附加转矩给定值P1003不宜过大或过小。
调试过程中出现的跟踪料面问题及解决办法
探尺投入运行后，跟踪料面效果不是很好，变频器设置的参数没有改变的情况下，高炉炉况也无较大的波动的情况下，有时跟踪好无倒尺现象，有时重锤有倒尺现象，还有的会出现悬尺现象。
探尺电动机制动器调整不当，有轻微的点刹现象，将制动器重新安装，情况有所改变。 但还是没能达到理想状态。随后计算探尺的受力，探尺的卷筒力矩：Mj=F*L=9.8×105×0.636÷2≈330n·m，电动机放尺力矩： Md1=Mj/减速机速比=330n·m÷63≈5.24 n·m，跟踪料面力矩为：Md2=(Mg+ ML-MZ )/63≈1.97 n·m。
图2——改造后探尺效果图
借鉴2#高炉探尺实践经验，为彻底解决探锤倒尺问题，改变探尺形状和重量，一方面降低重心位置，增大探锤与料面接触面，一方面弱化传动系统摩擦力影响，探尺由圆柱体改为圆柱和圆锥结合体，重量增加60KG。改进后探尺受力分析，探尺的卷筒力矩：Mj=F*L=9.8×165×0.636÷2≈514n·m，电动机放尺力矩： Md1=Mj/减速机速比=514n·m÷63≈8.16 n·m，跟踪料面力矩为：Md2=(Mg+ML-MZ )/63≈3.36 n·m，探锤质量的增加有效克服了系统摩擦力影响。
探锤更换后，探尺工作状况明显改善，从炉内成像观察不再有倒锤现象，探尺运行趋势也达到理想效果，如图2所示。
结束语
改造后，探尺本身的机械特性变化不大的情况下，随着炉内料位、压力等其它因素的变化，交流探尺控制系统都能精确实时地探测到料面，并跟随料面下降，不倒尺、不悬尺。现场多次测定其精确度达到厘米级，为确保高炉顺利、稳定生产奠定了基础。
参考文献：
蒲静涛，王仰宏:高炉交流探尺SINAMICS S120调速系统[J] 电气传动2014年第44卷第9期
马智慧: 基于S120变频器的炉顶探尺控制方法及应用[J]，《冶金自动化》第39卷第2期，2015年3月
雷体新. 武钢4号高炉自动化控制系统[J]. 《炼铁》，2001（S2）