本文主要介紹應用西門子MicroMaster 440標準變頻器在高爐卷揚上料系統中的應用。首先對高爐上料主卷揚系統的組成結構和拖動系統的運行進行了詳細分析。其次，確定了MM440標準變頻器作為上料主卷揚的電力傳動方式，并對控制系統的構成及相應設備的設計方案進行介紹。比較后，按照控制要求進行具體的設計，相關功能的實現和具體參數的設定。高爐上料系統利用現代計算機技術將PLC系統與變頻器系統緊密結合在一起，實現PLC與變頻器控制的統一，解決了因卷揚控制系統不穩定而造成的休風、停產問題。提高了卷揚上料系統的穩定性，降低了上料系統的故障率。標準型變頻器的靈活應用，成為高爐實現穩產、高產的基礎。
關鍵詞：
    高爐，主卷揚，MM440，電力傳動
一．引言
    隨著我國現代化進程的不斷加快，在各個領域的發展過程中對鋼鐵需求的數量與質量與日俱增。我國的鋼鐵生產工藝正向數字化的高新技術方向發展。作為整個鋼鐵生產中的重要環節，高爐煉鐵工藝中高新技術的應用尤為重要。其技術指標如何，對整個鋼鐵工藝流程有著直接和顯著的影響。其中又以高爐上料主卷揚系統為整個高爐的核心設備，負責原料的輸送。對卷揚系統采用高新技術進行合理控制與優化便成為現代鋼鐵工藝中的一個重要課題。本次卷揚系統的設計是以MM440標準型變頻器作為傳動部分的核心控制部件，并與主控PLC自動化系統緊密結合使用，從而達到了系統的穩定性與操控靈活性的完善結合。
二．系統介紹
    接下來對此次工程的控制主體，卷揚上料主系統進行簡要的介紹。此次承接項目高爐容積為750m3，屬于中小型高爐，采用斜橋式料車上料系統。斜橋式料車上料機主要由斜橋、料車、卷揚電機三部分組成。
    料車在斜橋上的運動分為起動、加速、穩定運行、減速、傾翻和制動六個階段。在整個過程中包括兩次加速和兩次減速，即第一次加速點、第二次加速點的高速給定值使料車加速；第一次減速點、第二次減速點的低速給定值使料車減速。
    料車提升一次所需時間與料車的運動速度和加速度有關
       (1)t1時間內：料車起動，重料車開始上行，同時空料車自爐頂極限位置下行。此時，鋼繩自卷筒退出的加速度不應超過料車的加速度，以免產生鋼繩松弛現象。此段時間對應于斜橋的A區域，由于此處軌道較陡，在給定值相同的情況下加速度α1只為0.2～0.4m/s2，以較低的加速度加速運行。
       (2)t2時間內：重料車繼續上行，通過A區域，進入了斜橋的B區域，此處軌道傾角比A區域小，則加速度α2會變大升至0.4～0.8m/s2。料車以較高加速度加速到比較大速度υ。
       (3)t3時間內：料車以比較大速度υ穩定運行。
   (4)t4時間內：重料車進入卸料曲軌道之前的第一次減速時間，加速度α4=-0.4～0.8m/s2。如圖2.5所示，在第一次減速點，取消之前的卷揚電機高速給定，轉而給卷揚電機接入低速給定值，通過電機的回饋制動使料車減速至υp。
       (5)t5為重料車在卸料曲軌段等速走行時間，速度υp=1m/s左右。
       (6)t6為重料車第二次減速到停車的時間，一般加速度α6=-0.4～0.8m/s2。如圖2.5所示，在第二次減速點，要將此時的速度與預先的給定值進行比較。如果速度降低到預期之內則可進行第二次減速；如果此時速度過大，超過了預期值則要通過調速器進行報警。
    料車式上料機的工作特點為：
    工作過程中，兩個料車交替上料，當裝滿爐料的料車上升時，空料車下行，空車重量相當于一個平衡錘，平衡了重料車的車箱自重。這樣，當上行或下行二個料車用一個卷揚機拖動時，不但節省了拖動電機功率，而且，電機運轉時，總有一個重料車上行，沒有空行程。從而，使得電動機總是處于電動狀態運行，免去了電動機處于發電運行狀態所帶來的種種問題。
三．控制系統構成
    根據廠家要求，主卷揚上料系統必須獨立于主系統而自成一套獨立系統，并通過以太網與主PLC系統通訊，從而實現網絡控制與數據時時傳輸。電氣傳動裝置選擇的是西門子標準型變頻器6SE64402UD420GA1兩臺，為一備一用狀態，可以通過轉換開關來時時切換兩臺裝置，保證了運行的可靠性。變頻器電壓等級為380V，功率為200KW。由于考慮到卷揚系統為大慣量位能性負載特性，配置了制動單元與制動電阻，以保證料車停車過程中能量的回饋不會造成直流母線電壓升高從而造成故障。制動單元為6SE70327EB872DA0，制動電阻為6SE70327ES872DC0，配合使用峰值制動功率可達到255KW,可以滿足傳動系統的制動要求。由于采用矢量控制方式需要速度反饋值，變頻器選裝了脈沖編碼器模塊6SE64000EN000AA0，將電機側編碼器反饋回的信號經由此模塊轉換傳送給變頻器。傳動邏輯控制的PLC為西門子200系列PLC，主機為CPU226，配擴展I/O模塊，及EM243-1以太網通訊模塊與上級PLC系統通訊。
四．運行原理及功能
    我們采用了西門子MM440標準型變頻調速裝置，運用矢量控制方式，實現了精確的速度控制。系統配置了制動單元與制動電阻，采用能耗制動方式實現了卷揚系統的制動。主傳動部分為兩臺變頻調速柜實現一備一用，通過主控制柜實現裝置之間的切換。每個變頻器的控制信號通過切換柜的電氣設備來完成基本聯鎖及控制，在主PLC與切換柜之間、操作臺與切換柜之間利用繼電器相互隔離，使料車的控制可以由PLC或操作臺分別控制系統，提高整個系統的可靠性。抱閘由MM440裝置中的抱閘專用控制功能來實現料車運行中的抱閘控制及聯鎖控制。料車定位系統由主令控制器來實現，主令控制器分別記錄料車在上行和下行過程中的特定位置如：加速點，減速點，檢測點等。并將這些位置信號以開關量的形式傳送至主控柜內的傳動PLC，再由其統一負責邏輯計算后控制變頻器的動作。
    為了保證控制系統的安全性與穩定性，避免料車失控發生飛車事故進而導致高爐停產，休風等嚴重事故的發生，本系統將一系列可能發生的故障和可能導致危險發生的情況的開關量進行串連匯總與一個零壓保護回路中。在不出現任何狀況下，零壓回路為閉合狀態，此時主回路接通，系統才可以正常工作；如果出現在零壓回路中的任何一種危險則零壓回路斷開，此時串連至主回路中的觸點斷開，變頻器進線側的主回路斷電，這個系統停止工作，抱閘電機將卷揚電機的傳動軸抱死，整個傳動裝置馬上停止，從而避免了可能危險的發生。
    下面來介紹一下料車運行的整個控制與傳動順序：將要上料的一個料車在料坑底部，已經裝好備料（礦石或焦炭），另一料車在斜橋頂部。爐頂布料器料空，申請上料，由主PLC發出命令給控制柜內的傳動PLC，在綜合各種情況并判斷零壓回路閉合后，傳送運行命令至變頻器，MM440在接到開車命令后系統解封。通過MM440系統中的抱閘控制功能，建立在抱閘狀態下的轉矩限幅給出的啟車力矩電流后，MM440系統發出打開抱閘命令，使抱閘打開，實現料車的平穩啟動。
    當料車啟動運行后，由于起始階段斜橋坡度較大、所帶負載慣量較大，電機先以高速運行。在運行至第一減速點時，由主令控制器返回位置信號至PLC處理后輸出低速信號至MM440變頻器開關量輸入端子，選擇低速給定。此時電動機開始減速運行繼續提升負載。料車繼續上行，當通過檢測點時，變頻器在內部將實際速度值與給定在此位置的設定減速值進行比較，如果實際速度小于等于設定值則變頻器輸出一個低速到達信號至PLC，在綜合各種情況后如果判斷系統工作在一個正常條件下則料車繼續上行，如果速度超常或者其它非正常情況發生則系統停機，抱閘電機抱死主運行軸。料車在正常條件下繼續向上運行通過停車點，此時主令開關將停車位置傳送至PLC，處理后發送停車指令至變頻器，變頻器開始停車，抱閘閉合，此時料車的停車位置應是工藝要求的角度，即能將車內的爐料倒凈而又不撞上超極限彈簧。
五．變頻器的主要調試參數
    在本章主要介紹一下在調試過程中需要重點注意的一些參數。
    1. 快速調試及系統優化。在快速調試中，輸入電機的各個銘牌參數，首先以P1910=0，P3900=1結束快速調試。其結果是重新計算并改寫了電機參數P0300-P396的內容。這些計算結果完全是根據你輸入的銘牌參數通過電機數學模型得到的，這些數值是將會參與運行時刻的實際控制的。但是，有些數值不是正確的實際值，僅僅是按數學模型計算出來的。因此，需要通過P1910=1進行自動測定得到實際值。輸入P1910=1,啟動變頻器。變頻器自動對每一相檢測（電機不會轉動）并且將測試的每相結果保存到r1912[0，1，2]-r1915，也就是定子電阻（U、V、W相）、時間常數、電感等等。同時也修改了上面按模型計算的結果。這樣使控制更能接近真實。通過以上調試建立了比較接近實際的電機模型。當控制采用非V/f控制的時候，就有了一個比較好的模型。在經過快速調試得到電機真是模型后即 可按照所需功能設定相應參數。
    2.用MM440的16種速度給定值可以實現高低速度的切換。P1000=3選擇固定頻率給定作為頻率主設定值，P1001=70%，作為起始階段的高速速度給定；P1003=15%作為經過減速點后的低速速度給定。P1020=1，P1021=722.1，P702=99，用數字量輸入2作為低速選擇的開關，當數字量輸入2置為1時選擇P1003的速度給定值。
    3.抱閘的控制也是這此工程中的一個重點內容。抱閘系統為主控制主電動機制動的裝置，在啟動系統時需要首先打開抱閘而后主卷揚運行提升料車，在系統停止時，需要變頻器與抱閘相互配合以達到變頻器停止時抱閘將主軸抱死達到制動的目的。在控制過程中，由于帶動的是大慣量位能性負載如果變頻器剛一啟動就打開抱閘，由于在低頻時變頻器所出力矩還未達到要求值所以有可能發生溜車現象。為了放置這種現象的發生，設計了抱閘控制參數以使變頻器達到一定的力矩輸出后再打開抱閘，從而避免危險的發生。P1215=1，使能抱閘控制功能；P1216＝3s，在變頻器運行3s后再輸出抱閘允許的開關量，再打開抱閘；P1217=0s，表示變頻器停機后馬上閉合抱閘將主軸抱死。
六. 應用體會
通過此次高爐卷揚系統項目，我在獨立設計和分析問題的全面性等方面受益甚夥。卷揚控制系統是實現了高爐生產全過程自動控制的基礎，通過采用先進的傳感器技術以及穩定的PLC控制技術大大提高了這個高爐生產比較重要環節的準確性和穩定性。系統自投入運行以來一直穩定運行，對高爐穩產、高產，降低成本，減輕工人勞動強度起著重要作用，取得了較好的經濟效益和社會效益。