副枪系统速度控制的研究与应用

转炉副枪

第十五届全国炼钢学术会议文集

副枪系统速度控制的研究与应用

王彤刘承广

（中冶京诚工程技术有限公司电气工程技术所，北京）

摘要：副枪系统中的变频驱动设备控制副枪变速运行，可以有效缩短测量周期和提高运行精度。副枪控制

技术的关键是对速度和抱闸的控制。为防止副枪下滑和变频器电流过载，应在抱闸打开前采用预励磁控制技

术，即在电动机建立起预励磁基础上，打开抱闸，再驱动电动机升降。在副枪的速度控制软件的设计中，采

用了加速度可变的加减速运动方式，在到达要求减为低速或增至高速的位置时，速度随与目标位距离的缩短

而平滑地变化，从而达到设计要求。

关键词：副枪变频控制变速计算

ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＣｏｎｖｅｒｔｅｒＳｕｂｌａｎｃｅＶｅｌｏｃｉｔｙＣｏｎｔｒｏｌ

ＷａｎｇＴｏｎｇ，ＬｉｕＣｈｅｎｇｇｕａｎｇ

（ＣＥＲＩ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：’－ＰｒｅｃｉｓｅＶＶＶＦｃｏｎｔｒｏｌｏｆＳｕｂｌａｎｃｅｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｓｈｏｒｔｅｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｃｙｃｌｅａｎｄｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎ

ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｋｅｙｉｎｓｕｂｌａｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｂｒａｋｅ．Ｐｒｅ－ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｂｅ

ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｅｆｏｒｅｔｈｅｂｒａｋｅｏｐｅｎｉｎｏｒｄｅｒｔｏｐｒｅｖｅｎｔｔｈｅｓｕｂｌａｎｃｅｇｌｉｄｅｆｒｅｅｌｙｏｒｏｖｅｒｌｏａｄｉｎｇｏｆＶＶＶＦｃｕｒｒｅｎｔ．Ｉｎ

ｔｏａｎｏｔｈｅｒ

’ｗｏｒｄ，ｂｅｙｏｎｄ

ｏｒｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄＥｘｃｉｔａｔｉｏｎＦｉｅｌｄｉｎｍｏｔｏｒ，ｔｈｅｂｒａｋｅＣａｎｂｅｏｐｅｎｅｄｄｒｉｖｅｓｕｂｌａｎｃｅｌｉｆｔｉｎｇｌｏｗｉｎｇ．Ｉｎｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｐｅｅｄｃｏｎｔｒｏｌａｓｐｅｃｔ，ｔｈｅｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｎｇｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎｗｉｔｈ

ｌｏｗｉｎｇａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ

ａｎｄａｎａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇＣｔｌｌＮｅａｌｅｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｒｅａｄｏｐｔｅｄ．Ａｔｏｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｎｇｃｕｒｖｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｉｎｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｉｎｏｒｄｅｒｔｈａｔｔｈｅｓｐｅｅｄｉｓａｂｌｅ

ａｔｍｏｄｉｆｙｓｍｏｏｔｈｌｙｖｉａｔｈｅｒｅｄｕｃｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｓｕｂｌａｎｃｅｐｒｅｓｅｎｔａｎｄｔｈｅｏｂｊｅｃｔｐｏｓｉｔｉｏｎａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｄｅｓｉｇｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｕｂｌａｎｃｅ，ＶＶＶＦＣｏｎｔｒｏｌ，ｖｅｌｏｃｉｔｙｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ

１概述

在转炉炼钢中，为了提高终点控制的命中率，各国炼钢厂中应用最为成功和广泛的便是副枪技术，

用于测量熔池的温度，定碳和熔池中氧的活性度，也用于吹炼开始和吹炼结束时取样，另外，也可用于测量转炉内溶池的深度。为了达到快速测量的目的，副枪系统中主要的驱动设备均选用变频电机。以便在运行过程中进行高低速度变化达到快速测量的目的。副枪系统中共有四台变频单元，分别控制副枪升降、回转、直立臂和探头提升的变速度运行。

电气系统详见图卜ｌ。１４２

转炉副枪

１５Ｗ俐弧７．０燃机动粼赢

第十五届全国炼钢学术会议文集

一

１

●３Ｘ３８０Ｖ／５０Ｈｚ；：：Ｉ

Ｉ

Ｉ

Ｉ

Ｉ’２５０Ａ

３Ｘ３８０Ｖ／５０Ｈｚ

Ｍ０２－Ｑ０１！

值隹

一１｛≤

码一

Ｍ０１－Ｑ０２ｆＭ０１．ＱＩＯＭ０３－Ｑ１０ｌＭ０１－Ｑ０３陌姆ＭＯ如０１［ＭＭＯｊ４－Ｑ０１［鲫鼍刍≤一Ｉ匝叫州日’岫Ｉｌ：：ｌ：凼蛳，，：

压９匪口回，

交流内２供２０电Ｖ固卤４Ｍ０３－Ｑ匝０２

’囱爿Ｍ∞瑚２臣蛋固１９～；ｊｌ：ｌ

Ｉ豳’囟’西

、、‘交漉供电ｖｒ。／，］鲫ｆ；吉Ｅ０２｝史们．，／ＬＮＭ０１－２／、．’Ｍ０２‘Ｍ嗲、。

蔑程臀电胡机’警Ｉ７５ｋＷ副枪升降电动机路｝ｎ功机刀碍咤｛动机承甲旋转电动机

拖州驱动电机冷却地蛹电机；戳糍嚣繁激承糕‰机

图１

Ｆｉｇ．１撵头提升电动机机探燃绱 。接｛奂打铭绱’癫热器（－ｉＳ）副枪丰要电气设备系统图Ｓｙｓｔｅｍ

．ＳｉｎｇｌｅＬｉｎｅＤｉａｇｒａｍｏｆＳｕｂｌａｎｃｅＥｌｅｃｔｒｉｃ

２启动控制

一般情况下，变频器总是从ＯＨｚ或较低频率下开始启动，如果在启动前，电动机的转速不为零，则在启动瞬间，有町能引起过电流或者过电压。为此，在启动前，变频器可以向电动机绕组中短时间通入直流电流，保证传动系统在零速下启动…。

启动电机的一种方法是：ＰＬＣ收到变频器运行信号，且变频器电流达到电机额定电流的２０％，以保证在抱闸打开时电机能够产生足够的力矩，不会使负载发生下滑。ＰＬＣ收到电流反馈信号，并满足要求后，才会发出打开抱闸指令。

而另一种控制方法则更加安全可靠，尤其在电机驱动升降设备和转录倾动时使用，称为零转速满转矩启动方法。ＰＬＣ发出预励磁指令，信号通过Ｐｒｏｆｉｂｕｓ通讯向变频器发出“电机预励磁”信号，预励磁建立好后，变频器向ＰＬＣ反馈一个信号，ＰＬＣ收到此信号后再发出打开抱闸指令。在电机起动前预先建立起电机磁场，不但可以防止负载下滑，还能有效地遏制过大的起动电流幢１。

２．１副枪升降驱动设备及其控制

副枪升降采用交流变频电机通过减速箱传动，卷扬平台还包括抱闸、齿轮箱、卷扬筒等设备。卷扬筒上装有位置编码器，向ＰＬＣ输入副枪高度信息；电动机上装有速度编码器，向ＰＬＣ输入速度信息。紧急提升由气动装置驱动，紧急提升完全由硬件回路完成，电动驱动停止时，允许启动紧急提升。间和机械制动器等特点。

副枪升降变频器通常选择模拟量给定五级速度，带编码器反馈的矢量控制模式。副枪升降负载属于位能型负载【３】，要求制动器与电动机之间紧密配合。如果通过检测电流信号作为输出点来控制抱闸接触器，则在停止时电机处于能量回馈状态，变频器工况差，此时可能仍有大电流，进而造成抱闸失控。所以为了避免出现问题，应选用抱闸功能强大的可编程工程变频器。选择有外部机械抱闸带抱闸检测的控制模式。２．２枪架回转驱动设备及其控制

枪架的回转由变频器以高、低速由电动机驱动ｐ】，变频器连接制动单元，此外齿轮盘和安装在上面的限位开关控制枪架在９０度范围内回转，定位靠四个限位开关控制，分别为换探头位和工作位的减速点和停止点。超程开关和过转矩开关为硬线连接，用于急停和连锁【ｌ】。

１４３：２为了满足副枪传动要求，变频器应该满足四象限运行、高起动转矩、低速满转矩、更短的转矩上升时

转炉副枪

第十五届全国炼钢学术会议文集

２．３直立臂与探头提升机驱动设备及其控制

直立臂由一台电机驱动液压缸来实现探头起导过程，分别由水平和垂直的减速和停止位这四个限位开关控制。直立臂的控制同样需要对抱闸进行准确控制，保证在放平和变速的过程中不会发生直立臂自由下落的情况。并且，垂直位停止限位开关的位置要安装精确，以便使探头和对中装置的中心线尽可能地重合。

探头提升机由一台电动机驱动齿轮和链条实现探头提升过程。由于探头提升机进行的是一个循环周期动作，故只需要两个限位开关控制，分别为停止位和下方的减速位。

２．４ＰＬＣ与变频器的数据交换

对副枪各部分的控制是通过ＰＬＣ与变频器之间交换数据来实现的。ＰＬＣ与变频器之间的数据通讯为ＰＬＣ向变频器输送６个字，同样，变频器向ＰＬＣ反馈６个字。根据通讯内容的不同，每个字可以设置不同的数据类型。 ‘

变频器向ＰＬＣ输入的第一个字为状态字（ＳｔａｔｕｓＷｏｒｄ），ＢＹＴＥ型，包含１６个ＢＯＯＬ型位（ｂｉｔ００一ｂｉｔｌ５），其中必须包含的位有：变频器合闸准备好、电机装置准备好、变频器运行：变频器报警（轻故障）、变频器重故障等；此外根据电机和变频器附属设备的不同，输入状态字还可包含以下几个状态：电机装置外部紧急状态（－’＇０”）、制动单元故障（－＇一０’）、电机风机运行（＝”ｌ”）、电机装置外控状态（＝”１”）、预励磁结束（一…１）等。变频器向ＰＬＣ输入的第二个字为速度反馈，第三个字为电流反馈。如有必要可将第四个字设为转矩反馈。‘’

变频器接收来自ＰＬＣ的第一个字为控制字（ＣｏｎｔｒｏｌＷｏｒｄ），必须包含的控制位有：变频器使能、变频器解封、故障确认、电机传动装置字（＝”ｌ”）、电机正转、电机反转等。第二个字为速度给定，ＩＮＴ型，ＰＬＣ接收来自ＨＭＩ输入的速度值，送入变频器。

３自动测量时的位置和速度控制

为了提高测量速度，缩短测量周期，副枪运行全程设有很多不同的变速点。通过变频方式控制垂直负载加减速的方法主要有两种，一种为给定速度，另一种为计算速度。前者主要是在到达停止点前设置一个减速点，该限位开关发出信号后，ＰＬＣ向变频器给定一个低速值，电动机即按此低速缓慢运行至停止点。计算速度是一种加速度逐渐变化的变速运行，副枪到变速点后，加速度随副枪与停止点距离的减小而减小，直至停止。

３．１副枪位置与速度的关系

位置控制依据副枪的行程位置，采用限位开关和编码器联合控制，分两方面进行，一方面根据枪高对枪速进行切换并触发副枪辅助设备如导向锥和密封门等的自动动作，另一方面根据实际枪高和目标高度之间的偏差进行位置调节【４】。副枪位置及功能详见表３．１。

表１

Ｔａｂｌｅ１副枪垂直位置与速度的关系ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｖｅｒｔｉｃａｌｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆＳｕｂｌａｎｃｅ

转炉副枪

第十五届全国炼钢学术会议文集

３．２变加速运行及计算

速度调节是通过速度调节器对速度变化率作进一步的平滑后输出给变频器。这两个调节分别用两个功能模块来实现【５】。

以副枪垂直运行为例，设副枪从ｈ高度下降至０高度，与停止点距离小于

ａ时开始变速，即变速度运行距离为ａ，副枪当前高度为Ｘ，见图３．１。

副枪下降过程中，在通过变速点时开始减速，并且做加速度逐渐减小的减

速运动，直至减为低速。若副枪自Ｘ点开始减速，减至ｍ点变为低速，则得

到加速度比例因子：．

，篇浮＝丹锤一氆‘嚣墨啦

贝，Ｕ／Ｊｎ速度函数

，锄－１．覆＝怛

因此，随着副枪接近ｍ点，加速度逐渐减小，进入减速区时变为匀减速

运动，进而到停止点时速度减小为零。

这种减速运动的优点在于速度始终平滑变化，使副枪运行更加稳定；并且

减速点Ｘ的高度值可以手动输入，可以根据生产需要对加减速运动的开始点进

行调节，以达到工艺要求的测量周期。在软件调试方面，也大大降低了对变频

器编程调试的要求。此外，除了副枪本体的升降运动外，这种变加速度方式也

可以应用于副枪系统中其他变速运动，包括副枪的回旋，直立臂的升降和探头

提升机的运行。减速区眵

４结语

副枪是一套全自动化设备，要求在尽可能短的时间内对钢液的温度和成分等进行快速准确安全的测量，对各步骤的速度控制和抱闸控制要求很高。因此，对副枪运行时加减速方式和抱闸控制进行不断优化，可以进一步缩短副枪的测量周期，有利于提高生产率和吹炼终点的准确率。

参考文献

［１】

【２】

【３】张燕宾编著，李鹤轩审阅．电动机变频调速图解．中国电力出版社．２００４／６：８０—８２．白华，赵争鸣等．三电平变频调速系统中直流预励磁试验研究．中国电机工程学报．２００６／３．马骏．西门子工程型变频器在济钢第三炼钢厂副枪中的应用．变频器世界．２００７／１：２１—２４．

王胜．ＢＯＦ副枪控制和数据处理【Ｂ１．冶金自动化２００６／４，上海２００４３１：２８—３３．【４】

１０００—７０５９（２００６）０４—００２８－０６．

ＳｉｅｍｅｎｓＶＡＩ．ＳｕｂｌａｎｃｅＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ．２００６／５【５】

１４５

转炉副枪

副枪系统速度控制的研究与应用

作者：

作者单位：王彤， 刘承广中冶京诚工程技术有限公司电气工程技术所,北京

相似文献(10条)

1.期刊论文 张靓.Zhang Jing 济钢副枪系统及其计算机操作 -鞍钢技术2007(6)

介绍了济钢从荷兰引进的转炉炼钢副枪系统的功能、电气控制系统组成、副枪计算机模式及PLC、HMI的设定.济钢将副枪系统测得的数据与自动化炼钢静、动态模型相结合,实现了快速出钢.

2.期刊论文 G.J.Apeldoorn.P.D.Hubbeling.P.Gootjes 达涅利康力斯副枪系统的应用 -钢铁2004,39(11)

副枪系统包括由达涅利康力斯开发的静态和动态控制模型,可利用最先进的手段进行生产过程控制,并给用户带来诸多好处.显著缩短的出钢周期时间可提高生产能力,既可使现有转炉增加产量,又可为新建转炉炼钢厂节省投资费用.此外还可以通过降低铁水和添加剂消耗,减少转炉耐火材料侵蚀来降低生产运行成本.

3.会议论文 朱丹华 梅钢转炉过程控制系统的进程通信 2009

梅钢转炉过程控制系统结构进程多,逻辑关系复杂,加之承担与第3方副枪系统进行数据交互的任务,导致整个转炉过程控制系统结构复杂,信息处理量增大,维护难度加大.针对以上问题,深入论述了转炉过程控制系统的进程通信原理,将复杂的进程通信机制清晰明了化,给系统维护和开发以帮助.

4.期刊论文 P.D.Hubbeling.G.A.Oostermeijer 转炉副枪和动态控制 -钢铁2007,42(4)

介绍了达涅利康力斯的转炉副枪系统、静态和动态控制模型.使用副枪系统可以缩短冶炼周期,降低铁水、废钢、氧气的消耗量.静态和动态控制模型可提高冶炼效率,改善吹炼终点温度和碳含量命中精度,降低渣中铁含量.

5.会议论文 王彤.刘承广 副枪机械系统及紧急气动提升 2008

副枪主要具有测温、取样、定氧、定碳和测量钢液高度等功能。其机械系统包括卷扬平台、枪体、探头装卸设备、滑动门和刮渣器、紧急提升设备等，其中探头装卸设备还包括探头存储箱、提升机、起导臂、固定夹、对中装置、探头拔除夹及回收管等装置。本文详细论述了副枪系统各机械部分的工艺功能，介绍了副枪工作的逻辑顺序。副枪紧急气动提升由电磁阀触发，由一组压力开关和压力阀控制抱闸和空气马达，在提升过程中发出倾动互锁信号，直至副枪上升至上极限位触发压力限位开关，再关闭气动马达球阀和倾动互锁信号，允许倾动。

6.期刊论文 关春立.王明春.刚占库.GUAN Chun-li.WANG Ming-chun.GANG Zhan-ku 通钢120 t转炉实现计算机自动炼钢的实践 -钢铁2007,42(5)

用实际生产数据说明,通钢120 t转炉实现副枪和动、静态模型控制下的自动炼钢工艺后,吹炼过程稳定,补吹炉数少,钢铁料、合金消耗低,炉龄提高,转炉冶炼周期缩短,工作环境改善,使转炉副枪系统的应用取得了很好的经济效益和社会效益.总结了在实现转炉自动炼钢工艺的过程中所做的主要工作和存在的问题,并确定了下一步工作的努力方向.

7.学位论文 程鹏辉 酒钢钢铁产品发展方向及流程整体优化研究 2007

酒钢是西北地区最大的钢铁企业，经过“十·五”期间的快速发展及重点项目的陆续投产，本部炼钢、轧钢能力迅速扩大。然而，酒钢缺乏明确的产品定位，导致开发的产品不少，但形成较大市场份额的不多。同时，炼钢系统相关处理设施不太齐全，难以适应高附加值钢种的批量生产。 本论文运用产品生命周期理论，对酒钢现有钢材产品的生命周期进行了分析，在对市场进行细分的基础上，提出了企业的产品发展方向，即：以板材、高附加值棒线材为主打产品，产品覆盖不锈黑卷、不锈白卷、不锈冷轧板、热轧薄板，中板、优质棒线材和普通棒线材，产品结构合理，具有较强的市场竞争力。 基于既定的产品方案，结合酒钢的设备现状，通过文献法和定量计算，对酒钢生产高附加值钢种的设备适应性进行了分析，并提出了部分生产线的设备改造方案，即：(1)建设一台规格为φ20mm～φ60mm的棒材轧机。(2)改造老炼钢1号方坯连铸机断面为200mm×220mm;为1号连铸机添加电磁搅拌设备；拆除CAS-OB，在其位置建设一座LF炉，与改造后的1号连铸机相对应，配原有的VD炉，采用LF+VD的精炼方式，作为生产优质棒材的精炼手段；为老炼钢一个50t转炉配备质谱仪；为二炼钢3座转炉配备副枪系统。(3)目前以提高高炉操作水平、充分利用周围小企业的生铁块的手段，增加铁水产量，到2008～2009年一代高炉炉役期满后，可以拆除3号、4号高炉，在其原址分别建设一座1000m3高炉，以进一步提高装备水平，满足炼钢工序对铁水的需求。接着对改造完成后，酒钢铁、钢、材的生产能力进行了计算，铁、钢、材基本平衡。 最后对二炼钢生产线的时间因素、温度因素进行了解析，对工序控制能力进行了分析，进一步为设备改造和流程优化提供了依据。

8.期刊论文 李瑞波.李红安 转炉副枪控制系统 -安阳工学院学报2007(6)

副枪系统,可以实现在不中断吹炼或不倒炉的情况下从转炉中获取钢液成份和温度等信息,该系统操作方便,结构合理.并可以利用二级计算机模型对整个炼钢过程进行控制,因而不仅可以降低劳动强度,还可以缩短每个炉次的冶炼时间.控制系统由西门子S7-400可编程序控制器,副枪画面操作站、测量信号处理单元和一些外围设备(如脉冲发生器,行程开关等)组成.

9.会议论文 杨立红.刘浏.何平 转炉终点氧含量的预报模型 2002

本文研究了终点碳和终点氧含量之间的关系及底吹对终点氧含量的影响,确定了转炉终点氧含量的控制变量,并建立了基于终点碳温磷锰含量预报模型基础上的终点氧含量的预报模型.研究表明,模型能够对终点氧含量进行很好的预报:[﹪O]在±0.03范围内的命中率达到80.41﹪.对于采用副枪系统的转炉,[﹪O]在±0.03范围内的命中率达到88.66﹪.基于副枪的动态氧含量预报模型并没有在很大程度上提高终点命中率.可以采用纯静态模型实现对终点氧含量的预报.

10.学位论文 张宗先 副枪测温定碳计算机控制系统的应用研究 2000

副枪技术越来越广泛地应用于自动化炼钢生产中.该文在对副枪系统分析的基础上,依据生产工艺过程对副枪系统的要求,对原检测环节、控制环节等存在问题进行和完善,设计并实现了副枪测温定碳自动控制系统.在此基础上,通过副枪检测到的信息,对数据进行分析、处理,最终确定出炉内钢水温度和液相相线温度平台,结果令人满意.这不仅提高了转炉炼钢的效率,而且为动态炼钢打下了坚实的基础.论文最后分析了影响定碳的因素,并提出了进一步改进和完善副枪系统的建议.

本文链接：/Conference_7020635.aspx

下载时间：2010年3月25日

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/56g1.html