西门子S120系列变频器在高炉探尺的应用及故障分析

杨伊凡 华菱湘潭钢铁有限公司

摘要：本文针对高炉探尺采用的西门子S120系列变频器方案进行全面系统的讨论，从高炉探尺工艺特点出发，分析了探尺运行的各个环节的受力情况。通过速度闭环的控制方式实现探尺匀速下落，保证探尺的稳定性；采用力矩闭环的控制方式实现了探尺跟随料面的过程。并对速度闭环控制出现的变频器故障进行了分析以及处理方案，从各个方面探讨了高炉探尺悬尺、倒尺、滑尺等复杂情况和处理方案。

关键词：高炉探尺；西门子S120变频器；工艺要求

过去高炉探尺控制系统采用的是西门子6SE70系列变频器，直流驱动方式。现阶段交流变频技术日趋成熟，采用西门子SINAMICS S120系列变频器，矢量控制方式，传动方面采用交流异步电动机，通过在电动机尾轴风机罩内安装增量型编码器实现速度闭环控制，编码器通过多芯双绞电缆进行信号传输，因此易受到环境电磁场干扰，造成变频器报错。在生产过程中经常出现悬尺、倒尺、滑尺等问题，尤其在料线过深或炉况不好的情况下，探尺频繁出现滑尺的情况，导致探尺无法正常探料，影响值班室对高炉料线情况的了解和布料的决策。

一、概述

高炉探尺采用三至四个探尺探测料面，采用交流变频电机驱动，西门子S120变频器作为控制单元。设计方案如下：

(一)设备参数

探尺变频器选用西门子SINAMICS S120变频器，控制单元CU320-2PN，功率单元PM340，输入：交流400~480V、47~63Hz，13.3A，输出0~550Hz，10.2A。

探尺电机采用三相交流异步电机，电机额定功率：2.2kW；电压：380V，额定电流5.6A，转速960转/分钟，绝缘等级F级，防护等级IP55。

增量型编码器用于变频器实现速度闭环控制、转矩控制。

绝对值编码器用于检测料面深度，反映生产工艺料线米数。

(二)工艺参数

探尺工作温度：350℃。

探尺工作压力：0.25MPa。

探尺提升质量：135Kg。

探尺提升速度：0~0.5m/s，下降速度：0.2~0.33m/s。

探尺提升高度：8500mm，探测高度：6000mm。

探尺机械制动采用电液抱闸制动。

二、探尺的变频控制

变频器控制探尺分为三个阶段：放尺、浮尺和提尺，浮尺即为探尺到达料面后跟随料面的过程；放尺和浮尺阶段变频器均为力矩控制模式。因为力矩恒定，所以探尺在下放过程中需要设置一个限定速度值来限定下降速度，防止重锤砸向料面导致埋尺，也防止下放过程中若使用速度控制时，紧急提尺力矩无法马上建立的问题。

放尺时，PLC发出放尺指令，继电器吸合，变频器控制单元对应输入端子r722.1信号接通，速度设定通道P1002值(-200rpm)传入r1024速度设定值，同时P1501值置1，转速模式切换为力矩控制模式，P2900力矩设定值传入力矩控制参数，探尺以设定力矩运行。因为电机牵引力矩小于重锤重力，即Mg(重锤)+N(链条)>T(牵引力),所以重锤会带着链条加速向下运行，在力矩通道下通过设置P1082(正向转速限幅)、P1086(负向转速限幅)来限制下降速度。

浮尺时，当重锤下落至料面时，转速会发生突变，未超过转速限幅不受影响，所以保持设定的力矩运行，此时Mg(重锤)+N(链条)-T(牵引力)>F(料面浮力)，重锤会跟随料面下降，四个力维持新的平衡跟踪料面，直到达到设定料线值。在浮尺过程中，为了更好地判断重锤状态，在变频器内部设定了自由功能块进行浮尺判断，当编码器反馈速度r21值在0.02~0.6rpm范围内时，功能块输出真值，再根据放尺指令以及指令保持时间共同判断是否为浮尺状态，最终通过变频器输出端子r721.8输出到中间继电器后进入PLC，在画面上呈现。

提尺时，PLC发出提尺指定，继电器吸合，变频器控制单元对应输入端子r722.0信号接通，放尺信号r722.1未接通，P1501值未置1，又因P1300控制模式设定值为21(转速控制带编码器)，变频器转变回速度控制模式，速度设定通道P1001设定值(350rpm)传入r1024，此时Mg(重锤)+N(链条)

三、调试过程中出现的问题及处理

(一)探尺变频器报F31118、F07902错误

变频器调试初期，频繁报F31118和F07902错误，导致变频器停止运行，影响正常使用。

该故障是电机失步故障，即在控制范围内编码器反馈转速超出期限，前期伴随着F31118出现，所以考虑仍是编码器信号干扰造成的，但解决该故障后，F07902仍频繁出现。根据参数手册上分析，在无其他故障情况下，考虑加大故障公差(p1744或p0492)，如果转速差值超过阈值p0492，则会保留原来转速实际值，避免连锁故障，在时间p2178之后报F07902。通过增大转速公差降低了故障出现频次，但是在炉况不好的情况下偶尔还是会出现F07902，考虑将p0492设置为0即停止转速检测来屏蔽故障，但是带来的后果也是未知的。

(二)探尺出现悬尺、不跟料面情况

调试初期探尺经常出现不跟料面和悬尺的情况，通过受力分析Mg(重锤)+N(链条)=T(张力)+F(未知)，这个未知的力原因可能有很多，如变速箱齿轮卡阻、炉内气压形成向上的托力，还可能是天气寒冷造成油脂凝固导致轴承或齿轮受到卡阻等等。经过机械配合检查调整了电机机械抱闸角度和开度，该问题得以解决，但在今后仍需考虑因其他因素导致的意外受力平衡。

四、结语

通过不断技术累积和尝试，是对西门子SINAMICS S120系列变频器一次很好探究和试验过程，在解决问题的过程中，分析了不同工况下，变频器产生故障的应对方法，为今后其他工艺需求的应用提供了参考。

参考文献：

[1]季益龙.高炉探尺系统变频技术应用[J].炼铁技术通讯,2007(3):3.

[2]王德斌.西门子变频器在高炉探尺上的应用[C]//2016年第四届炼铁对标、节能降本及相关技术研讨会.0.

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