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转炉倾动控制系统故障分析

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《四川冶金杂志》2015年第一期

1转炉的规范操作管控不力

职工安全教育培训工作不到位;设备故障应急管理不力;操作规程不健全;交接班时没有严格按照工艺操作规程进行试车、清理炉口,属于违规作业行为,没有得到及时纠正。为尽快恢复生产,达到安全炼钢,我公司制定了相对应措施:(1)倾动系统操作要求:操作前先确认满足以下条件,稀油站工作正常、活动烟罩升到位、炉前,炉后,中控操作手柄处于零位、选择操作地点、无急停信号、氧枪处于等待点或以上枪位,氧枪绝对编码器无故障。(2)倾动零位:-3°~3°之间。(3)高、低速度区分:炉前(倒渣、测温)方向运行,15°~60°、110°~-115°、-115°~-15°为高速区段,60°~110°、-15°~15°为低速区段;炉后(出钢)方向运行,-15°~-60°、-115°~110°、110°~15°为高速区段,-60°~-115°、15°~-15°为低速区段。(4)倾动运行时,当有任何一台变频器报故障时,倾动默认收到停车命令,进行减速停止。此时倾动转炉需手柄回零位后,再次启动有效。(5)任何两台变频器报故障后,炉前(倒渣、测温)方向运行>60°时不能继续运行,只能往上动作(抬炉);炉后(出钢)方向运行<-60°时,不能继续运行,只能往上动作(抬炉)。(6)日常操作中试“急停”动作时只能在慢速区操作,禁止高速区急停(失控情况除外)。

2转炉倾动系统存在的缺陷及采取措施

2.1转炉倾动电气传动控制系统硬件设计存在的问题(1)转炉倾动PLC与倾动变频器采用AB公司Devicenet网络进行主从分配、电机转矩的上传及下发等,Devicenet网络通讯速率慢(最大512K),可靠性差。通讯滞后可能引起主从负荷分配不平衡。网络故障如果PLC没有检出并关闭抱闸可能引起转炉颠覆。措施:采用AB公司CNBR冗余网络,通讯速率为2M,可靠且稳定,当一根网线故障,另一根热备网线自动投入。(2)2#转炉倾动采用AB公司Power-flex700变频器,根据实际的使用经验推荐使用AB公司Powerflex700S变频器,因为该型变频器的调速精度,转矩响应速度,可靠性均比Powerflex700要好。(3)关于倾动变频器进线接触器的使用。目前该软件设计在转炉倾动紧停时分变频器进线接触器,由于操作工频繁拍”紧急停止”,造成进线接触器频繁分合,当一分钟内进线接触器分合超过2次时可能会损坏变频器;现场实际情况也反馈倾动变频器使用寿命短,容易损坏。措施:转炉紧停时不再使用进线接触器,用变频器的安全停车功能”enable”即可,为确保转炉操作安全可靠,这需要修改原有变频柜内控制回路。

2.2转炉倾动电气传动控制系统软件设计存在的问题(1)现有软件设计变频器使用Ramp停车模式。该停车模式程序设计复杂且可靠性不高,可能引起转炉倾动停止时炉体抖动,如果程序设计逻辑性不强会引起转炉颠覆。措施:采用Coast停车模式,停车平稳,而且操作简单可靠。(2)零速悬停停车功能。现有软件设计停车时,变频器关断。措施:采用的办法是转炉倾动停车时,抱闸关闭,电机零速满转矩输出使转炉悬停且抱闸不受力;采用该模式时转炉倾动起动响应快,停车平稳、安全可靠。(3)原有程序无倾动PLC与变频器De-vicenet通讯故障监测及保护功能。当主变频器与PLC通讯故障时,PLC没有监测并关闭抱闸及停止变频器,会引发转炉颠覆。措施:使用CNBR网络,且增加通讯监测及保护功能,需修改应用软件。(4)原有程序无倾动PLC与中央PLC通讯监测及保护功能。当通讯中断时,转炉可能无法启动,或停止不住,或低速区域不减速。措施:修改程序增加通讯监测及保护功能,当与中央PLC通讯故障时,停止倾动。(5)原有程序主电机没有Ready时,不关闭抱闸主电机Ready优于主电机故障时,可能导致转炉颠覆。措施:修改程序,主电机没有Ready时必须关闭抱闸。(6)原有程序设计存在倾动运行时切换主从的可能倾动运行时切换主从可能导致倾动失控、颠覆。措施:在倾动变频器停止时切换主从,需修改软件。(7)原有程序设计中转炉急停可能引起变频器掉电故障时自动复位。措施:从安全出发,,人工手动复位。(8)原有程序设计以任一电机电流作为开抱闸判断条件时其逻辑性不强,可能引起倾动失控、颠覆。措施:采用主电机速度给定及转矩反馈作为开抱闸判断条件。(9)原有程序设计在倾动启动期间,从电机转矩给定做了Ramp功能,但仅为300ms。该设计不合理,可能引起启动转矩不足等情况。措施:取消该功能。(10)原有程序设计无倾动位置编码器Devicenet通讯监测及保护功能,会导致当位置编码器通讯故障或位置编码器故障时倾动低速区域不减速的现象。措施:修改程序增加上述保护功能。(11)原有程序设计“紧急停止”通过网络接收自中央PLC,不直接,不严谨。措施:紧急停止直接进倾动PLC,且使用变频器安全停车功能”enable”。(12)原有程序设计所有从电机在启动后软化为0.7倍主电机转矩。这样可能引起主电机电流大且波动等现象,倾动转矩不够,现场反映主电机减速机经常撕裂就是该原因引起的。措施:优化变频器参数后可取消该功能。(13)原有程序设计倾动高低速区间不合理,高速角度偏大,不严谨,操作工操作不谨慎时,炉子速度快,引发钢水溅出现象。措施:设计合理严谨的倾动高低速区域,从程序上限定且杜绝人为误操作和不规范操作。(14)原有程序设计速度给定采用模拟量,无最小限幅保护。可能出现速度<5HZ以下速度倾动,在极低频下可能出现变频器调速不稳定,倾动失控,颠覆。措施:增加速度给定最小限幅,速度≥5HZ。

3改进方案

3.1电气传动

3.1.1转炉倾动电气传动改造方案采用4台工程型矢量变频器分别驱动4台电机,1主3从,主电机速度控制,从电机转矩控制;采用制动电阻消耗回馈电能,采用速度编码器反馈提高低频调速性能及动态响应性能。任意一台电机均可为主电机,可从HMI上手动切换;当电机或变频器发生故障时,3台电机可正常生产,2台电机可紧急低速复归。4台变频器通过Controlnet(CNBR)与倾动PLC联接进行数据交互,PLC读取变频器的控制字、状态字、速度反馈、转矩反馈等;然后PLC下发给变频器的有主从设定、速度或转矩等。

3.1.2转炉倾动变频柜改造内容

电源柜2H01双电源切换进线柜2H01柜内原有设备利旧,从原有双电源切换装置取如下干接点信号至倾动PLC盘2K01,增加DI信号如下:a开关合闸b开关分闸a电源欠电压b电源过电压.

倾动变频柜2G01~2G04柜内原有变频器、进线开关、电抗器等利旧。取消变频器进线接触器;增加变频器出线闸刀,增加出线闸刀,以便检修电缆。修改变频器DC24V控制回路。制动电阻箱内热敏电阻信号接至变频器数字量输入模块,作为外部故障信号,当制动电阻过热时,停止变频器。变频柜内增设一路AC220V杂用电源用于柜内照明及冷却风扇。变频器上的Devicenet网卡更换为Con-trolnet网卡20-comm-c。变频器参数的优化及调试。倾动变频器原理图如1。

倾动PLC柜2K01需对2K01内倾动抱闸及冷却风机的电机启动回路进行改造。需对2K01内AC220V控制回路及DC24V控制回路进行改造。柜内原有能利旧的设备均利旧,改造后的原理图如图2(a~h)

3.2基础自动化

3.2.1PLC控制系统

转炉倾动PLC控制系统改造方案在原有的基础上加以改进。4台变频器通过Controlnet(CNBR)与倾动PLC联接进行数据交互,PLC读取变频器的控制字、状态字、速度反馈、转矩反馈等;PLC下发给变频器的有主从设定、速度或转矩设定等。倾动PLC与主PLC单独采用Control-net(CNBR)联接,接口信息见表1。改进后的PLC控制功能分担见表2。PLC系统网络图如图3。

转炉倾动PLC控制系统改造内容(1)倾动PLC盘2K01原倾动PLC盘2K01中PLC机架上的CNB卡换成CNBR卡,通过Controlnet与主PLC联接。原倾动PLC盘2K01中PLC机架上的DNB卡换成CNBR卡,通过Controlnet与倾动及氧枪变频器联接,变频器上的通讯模块需更换为20-comm-c。2K01中改造引起的DI增量可接至原倾动PLC机架5号槽的备用数字量输入模块。增加1个OB32模块,插入原倾动PLC机架7号备用槽,用于从2块不同的OB32输出2个DO点经中继隔离且串联后控制倾动抱闸的开合(原倾动PLC机架上有1块OB32)。原倾动PLC盘2K01中PLC机架上的其他设备利旧。(2)主PLC盘原主PLC机架上6号槽的IF16模块替换为CNBR卡,通过Controlnet与倾动PLC联接。主PLC盘中倾动紧急停止的DC24V继电器控制回路需修改。(3)PLC应用软件对倾动PLC及主PLC应用软件的改造、调试。

3.2.2倾动操作台原有3个倾动操作台上的摇炉主令开关更换为施耐德品牌,型号为XKDF13440000,该型主令开关有档位手感好、有自动回零、零位电气和机械互锁手柄等功能,可靠耐用。需对原倾动操作台上摇炉主令开关左边的2个指示灯进行移位。

3.2.3HMI根据需要对原有HMI应用软件进行改造、调试。HMI硬件及开发软件均利旧。

3.2.4PLC软件有以下控制功能①与主PLCControlnet通讯诊断及故障保护。②位置编码器换算、故障诊断及保护;Devicenet网络通讯诊断及故障保护。③与变频器Controlnet通讯诊断及故障保护。④主从控制,倾动运行时不能切换主从。⑤内控及外控:内控模式下,所有变频器均为速度控制模式,用于单体调试。外控模式为正常工作模式,1主3从。转炉倾动运行时不能切换内控及外控模式。⑥当变频器或电机发生故障时,3台电机可正常生产,2台电机可低速完成一炉钢冶炼。⑦先进合理的速度限幅区间设定,可有效防止误操作;当位置编码器故障时,只能低速倾动,确保安全;⑧向出钢方向倾动时,+3.5°、-65°倾动自动停止,摇炉手柄回零位再往出钢方向摇动,方可继续倾动;向出渣方向倾动时,-3.5°、60°倾动自动停止,摇炉手柄回零位再往出渣方向摇动,方可继续倾动;上述角度可根据现场实际生产情况调整。⑨对倾动抱闸打开及关闭异常的诊断及保护。⑩预励磁及零速满转矩悬停:按下“倾动使能”按钮,变频器“零速”启动,电机励磁;摇炉手柄有操作,抱闸未开到位,倾动小速度给定,抱闸开到位后,按倾动手柄速度给定;90S内摇炉手柄无操作,变频器停止。倾动停止时,电机零速满转矩悬停,抱闸合,停止平稳可靠。变频器停车采用Coast模式。

4改进效果

通过对转炉倾动电气传动系统及自动化系统PLC控制程序的改进后,我公司2#转炉的倾动控制系统运行良好,提高了设备运行的稳定性;特别是通过电气传动控制系统和自动化系统来克服转炉本体全正力矩特性丧失的方案,解决了转炉自身存在的重大安全隐患,确保了安全炼钢。同时本方案的实施为转炉控制系统的改进提出了新的观点和新的方法,也为公司1#、3#转炉的倾动控制系统改进起到技术引领的作用。

5结束语

通过对转炉控制系统实施以上改进措施,我们对转炉倾动控制系统的运行情况进行了跟踪、分析和验证,其运行系统稳定、效果良好,既减少了设备的故障率,同时还解决了变频器经常烧坏的现象,为降低生产成本、提高转炉的作业率奠定了坚实的基础。

作者:任华金谢超尹文单位:四川德胜集团钒钛有限公司

四川冶金杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次