CN102321774A - 一种高炉溜槽旋转自动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高炉布料器的溜槽自动化控制技术领域，尤其涉及一种高炉溜槽旋转自动控制装置，其特征在于，包括输入单元、变频驱动单元、执行单元和PLC控制单元，输入单元依次与变频驱动单元、执行单元相连，PLC控制单元与变频驱动单元相连接，所述输入单元包括快速熔断器、接触器和电抗器一，三相电源依次与快速熔断器、接触器和电抗器一相连接。与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过PID矢量闭环控制技术与PLC编程控制技术相结合，把转速指令转换成4～20mA的模拟信号用来控制溜槽的转速，使系统既能有较大的转矩和快速性，又能够达到较理想的准确度，提高了高炉利用系数，减少了废气及烟尘排放。

Description

一种高炉溜槽旋转自动控制装置

技术领域

本发明涉及高炉布料器的溜槽自动化控制技术领域，尤其涉及一种高炉溜槽旋转自动控制装置。

背景技术

针对当前全球能源紧缺，环境污染越来越严重的现实，国家对节能环保高度重视，钢铁企业是耗能大户，每年消耗占全球40％的能源，而高炉炼铁在钢铁企业又是耗能的重点，高炉炼铁中布料系统的性能直接关系到能源是否充分利用及高炉利用系数和废气烟尘排放指标。在高炉布料机电一体设备中，常常要求对执行机构的运动速度和位置加以控制，最后往往归结为对驱动机构运动的电机进行速度和位置控制。自从七十年代初由卢森堡Paul Wurth公司推出的无料钟炉顶装料设备取代传统的料钟炉顶以来，溜槽旋转都采用绕线转子异步电动机拖动(或直流机拖动)，这种控制模式不仅浪费能源，而且已远远不能满足现代工业的要求。电机变频控制具有控制灵活的优点，但由于相应保护系统不完善，控制精度不理想，给机械设备及人身安全带来很大安全隐患，无法满足正常生产的控制要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高炉溜槽旋转自动控制装置，克服现有技术的不足，采用PID矢量控制技术与PLC编程控制技术相结合，满足无料钟高炉布料工艺要求的多种布料方式，溜槽旋转方向实现软变换，减少对电网的干扰和机械设备的冲击，同时根据负荷选择输出能量的大小，节约电能消耗。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种高炉溜槽旋转自动控制装置，其特征在于，包括输入单元、变频驱动单元、执行单元和PLC控制单元，输入单元依次与变频驱动单元、执行单元相连，PLC控制单元与变频驱动单元相连接，所述输入单元包括快速熔断器、接触器和电抗器一，三相电源依次与快速熔断器、接触器和电抗器一相连接；

所述变频驱动单元包括微处理器CPU、整流模块、储能电容、制动模块、制动电阻、逆变模块，整流模块输入端与电抗器一输出端相连，整流模块输出端分别与制动模块输入端、逆变模块输入端相连接，整流模块的两个输出端之间还设有储能电容，制动模块的两个输出端之间设有制动电阻，制动模块的故障输出端与制动单元故障继电器线圈相连接，微处理器CPU与整流模块和制动模块分别通过总线相连；

所述执行单元包括电抗器二、电机、布料回转机构，电抗器二输入端与逆变模块输出端相连，电机输出轴经减速与布料回转机构相连接，电机轴头上设有增量型脉冲编码器，布料回转机构上设有绝对值型编码器；

所述PLC控制单元包括电源模块、输入模块、输出模块、PID调节模块，输入模块分别通过变频准备就绪中间继电器、系统故障中间继电器与微处理器CPU输出端相连接；输出模块分别经运行允许中间继电器、正转中间继电器、反转中间继电器与微处理器CPU输入端相连接；PID调节模块分别与微处理器CPU的模拟量输出口、通讯口相连接，同时PID调节模块的编码器口分别与电机轴头上的增量型脉冲编码器和布料回转机构上的绝对值型编码器相连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)通过PID矢量闭环控制技术与PLC编程控制技术相结合，把转速指令转换成4～20mA的模拟信号发给PLC单元，用来控制溜槽的转速，使系统既能有较大的转矩和快速性，又能够达到较理想的准确度，同时实现了根据负荷选择能量输出的大小，避免能量浪费。

2)实现无料钟高炉可编程布料，根据工艺要求完成环行布料、回旋布料、扇形布料、定点布料等多种布料方式，溜槽旋转方向用变频调速实现软启动，减少了对电网的干扰和机械设备的冲击，延长了机械寿命。

3)电机轴头上设置增量型脉冲编码器，检测电机转子的角速度，作为速度反馈；布料回转机构上设置绝对值型编码器相连接，检测布料器实际机械运动位置，作为位置反馈，可以使布料准确、反应迅速。

4)有输入单元和执行单元中采用电抗器，既起到保护及抗外部干扰和储能的作用，也起到消除变频驱动器中整流元件产生的谐波作用，对短路保护也有一定作用。

5)此装置大大提高了高炉利用系数，实现了矿石、焦炭在高炉内的精确布料，维护工作量少，节省电能和焦炭，减少了因布料配比精度不够而导致的废气及烟尘排放。

附图说明

图1是本发明原理结构示意图；

图中：1-输入单元  2-变频驱动单元  3-执行单元  4-PLC控制单元

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

见图1，是本发明一种高炉溜槽旋转自动控制装置实施例结构示意图，包括输入单元1、变频驱动单元2、执行单元3和PLC控制单元4，输入单元1依次与变频驱动单元2、执行单元3相连，PLC控制单元4与变频驱动单元2相连接，输入单元1包括具有短路快速熔断功能的快速熔断器FU和具有自动控制切断电源功能的接触器KM，以及具有滤波及补偿功能的电抗器一2L1，三相电源L1、L2、L3依次与快速熔断器FU、接触器KM和电抗器一2L1相连接；

变频驱动单元2包括微处理器CPU、整流模块ZL、储能电容C、制动模块ZD、制动电阻R、逆变模块NB，整流模块ZL输入端与电抗器一2L1输出端相连，整流模块ZL输出端L+、L-分别与制动模块ZD输入端、逆变模块NB输入端相连接，整流模块ZL的两个输出端L+和L-之间还设有储能电容C，制动模块ZD的两个输出端R1、R2之间设有制动电阻R，制动模块ZD的故障输出端GZ1、GZ2与制动单元故障继电器ZK6线圈相连接，微处理器CPU与整流模块ZL和制动模块ZD分别通过总线DA和总线DB相连；

执行单元3包括电抗器二2L2、电机D、布料回转机构，电抗器二2L2输入端与逆变模块NB输出端相连，电机D输出轴经减速与布料回转机构相连接，电机D轴头上设有增量型脉冲编码器CZ1，布料回转机构上设有绝对值型编码器CZ2；执行单元具有带动布料机械运动及位置、速度反馈功能。溜槽的旋转是通过一台Y系列电机驱动减速机和布料回转机构实现的，增大了旋转力矩，降低了对电机的技术要求，避免了通常出现的过载故障。

PLC控制单元包括电源模块、输入模块、输出模块、PID调节模块，电源模块与微处理器CPU的P1、P2相连输入220V，输入模块分别通过变频准备就绪中间继电器2K4、系统故障中间继电器2K5与微处理器CPU输出端相连接；输出模块分别经运行允许中间继电器2K1、正转中间继电器2K2、反转中间继电器2K3与微处理器CPU输入端相连接；PID调节模块分别与微处理器CPU的模拟量输出口A+、A-、通讯口A相连接，同时PID调节模块的编码器口B和编码器口C分别与电机D轴头上的增量型脉冲编码器CZ1和布料回转机构上的绝对值型编码器CZ2相连接。采用PLC单元及继电器无源接点，既起到布料编程、保护及软件改变布料方式的作用，也起到外来信号与变频驱动单元隔离滤波的作用，防止损坏变频驱动单元。

本发明技术特征参数如下：

1)能够在很低的转速，通常在不外加位置闭环的情况下电机能够以1r/min以下的速度拖动额定负载转距平滑地运转，这个特点是任何电机在任何控制方式下都难以达到的。

2)短时间内发出大于额定转距5～10倍的瞬时尖峰转距，从而使它具有优良的跟踪能力。

3)能够输出相当于额定转距2～2.5倍的堵转距，满足很多位势负载的要求。

4)转速与转速指令之间完全的线性关系，在电机的调速范围以内转速偏差小于0.1％，精度高。

5)有三种工作模式，即速度闭环方式、转距控制方式和位置闭环控制方式，三种方式可以根据工艺进行切换。

6)溜槽转速控制：单环、多环、螺旋布料时，n＝3～9r/min.扇形布料时，n＝1.33r/min

7)溜槽旋转的角度由绝对值式旋转编码器反馈，溜槽旋转还设有一个0°位置限位开关，它有两个作用，其一在此处更换溜槽，其二是程序记布料圈数用。

8)具有良好的人机对话及通讯，便于上位机控制。

当微处理器CPU检测到变频驱动单元控制系统正常时，CPU的端子5输出高电平，主接触器KM线圈带电，输入单元1常开主触点KM闭合，变频驱动单元主回路上电，若此时变频驱动单元工作正常，系统准备就绪，则CPU的端子3输出高电平，继电器2K4线圈带电，2K4的无源常开接点闭合，此时PLC单元的COM1电源通过无源接点2K4使101端子为高电平，变频驱动单元准备就绪信号进入PLC单元。

PLC单元接收到变频驱动单元准备就绪信号后，经过程序处理，使输出端子104为高电平，继电器2K1线圈带电，无源常开接点2K1闭合，使CPU的7号端子为高电平，变频驱动单元接收到来自PLC的运行允许指令后，处于使能状态，此时如想让溜槽正转，则PLC输出端105为高电平，继电器2K2线圈带电，无源常开接点2K2开闭，CPU的8号端子变为高电平，变频驱动单元进入正转状态，通过PLC输出的4～20mA电流大小的变化，可控制溜槽的正转转速，反转与之工作过程相同。

溜槽在旋转过程中，一组是PLC不断采集来自于电机D轴头的增量型脉冲编码器CZ1的脉冲信号，进行速度反馈，使PLC不断进行转速闭环调整。另一组是PLC不断采集来自于溜槽实际位置的绝对值型编码器CZ2的脉冲，进行位置反馈，使PLC不断进行位置闭环调整。在位置闭环调整中，PLC控制系统首先检测绝对值型编码器CZ2偏转角度β的给定值和实际返回值，并计算出他们的差值δ，当δ值大于某个角度(比如30度)，这时给定变频驱动装置较大的转速值，使溜槽高速大推力运行；当δ值小于某个角度、即β角接近给定值时，系统自动进入PID调节控制状态，即随着δ值的减小，控制系统给定变频驱动装置的转速值也按比例减小，直至为零。

PLC单元与变频驱动单元的通讯控制，是本系统的另一种工作模式，当点对点控制出现故障时，系统自动进入通讯网络控制状态，实现功能与上述点对点控制相同。

溜槽在旋转过程中，频繁的停车，会有很多势能通过电机D变为电能反馈到变频驱动单元的直流母线上，使直流母线电压升高，此时制动单元ZD会把多余的能量通过制动电阻R释放掉。当制动单元故障时，制动单元故障继电器ZK6线圈带电，它的无源常开接点ZK6闭合，CPU的6号端子变为高电平，从而CPU识别出制动单元故障。CPU会根据各种故障的级别执行相应的中断程序，若切断主接触器KM，则CPU的5号端子由高电平变为低电平输出，主接触器KM线圈失电，KM主接点断开，变频单元主回路断电。变频驱动单元出现系统故障时，CPU的4号端子输出高电平，继电器2K5线圈带电，它的无源常开接点2K5闭合，PLC的102端子变为高电平，PLC识别为变频单元系统故障，通过程序作出相应处理。

Claims (1)

1.一种高炉溜槽旋转自动控制装置，其特征在于，包括输入单元、变频驱动单元、执行单元和PLC控制单元，输入单元依次与变频驱动单元、执行单元相连，PLC控制单元与变频驱动单元相连接，所述输入单元包括快速熔断器、接触器和电抗器一，三相电源依次与快速熔断器、接触器和电抗器一相连接；

所述变频驱动单元包括微处理器CPU、整流模块、储能电容、制动模块、制动电阻、逆变模块，整流模块输入端与电抗器一输出端相连，整流模块输出端分别与制动模块输入端、逆变模块输入端相连接，整流模块的两个输出端之间还设有储能电容，制动模块的两个输出端之间设有制动电阻，制动模块的故障输出端与制动单元故障继电器线圈相连接，微处理器CPU与整流模块和制动模块分别通过总线相连；

所述执行单元包括电抗器二、电机、布料回转机构，电抗器二输入端与逆变模块输出端相连，电机输出轴经减速与布料回转机构相连接，电机轴头上设有增量型脉冲编码器，布料回转机构上设有绝对值型编码器；

所述PLC控制单元包括电源模块、输入模块、输出模块、PID调节模块，输入模块分别通过变频准备就绪中间继电器、系统故障中间继电器与微处理器CPU输出端相连接；输出模块分别经运行允许中间继电器、正转中间继电器、反转中间继电器与微处理器CPU输入端相连接；PID调节模块分别与微处理器CPU的模拟量输出口、通讯口相连接，同时PID调节模块的编码器口分别与电机轴头上的增量型脉冲编码器和布料回转机构上的绝对值型编码器相连接。

Images