转炉氧枪电气控制系统

1、炼钢厂转炉氧枪电气控制系统弓i言3一、设备构成31、氧枪系统设备概述32、主要电气设备构成3二、设备运转方案41、控制地点42、氧枪的基本控制要求53、操作方式64、氧枪操作控制流程7三、转炉氧枪硬件系统简图15四、氧枪的电气传动及其自动控制151、氧枪的电气传动162、氧枪升降的变频调速控制系统163、氧枪的自动控制174、氧枪应急电源18五、变频器常见的十大故障现象及故障分析20附录（一）23附录（二）24引言氧枪是转炉的核心设备之一，在整个炼钢过程中，氧枪枪位是一个非常重要的参数, 也是炼钢工艺控制的关键，因为它直接关系到炼钢过程中的脱碳、造渣、升温以及喷溅 的发生，但由于氧枪定位控制系

2、统工艺复杂、操作繁琐、联锁保护较多，因此，氧枪运 行的安全性、稳定性、可靠性、操作简单以及定位的准确性都是顺利完成冶炼的先决条 件，控制必须体现上述特点，才能使得炼钢过程平稳进行。一.设备构成k氧枪系统设备概述一座传炉的氧枪系统由机械设备和介质供应系统两部分组成。氧枪系统设备包 括氧枪升降小车、氧枪横移小车和氧枪横移小车锁定电液推杆。其中两台氧枪横移车 和两台氧枪升降小车（左右装配），正常生产时，一台工作（位于转炉中心上方），一 台备用（位于待机位），交替使用；介质供应系统包括氧枪冷却水、氧气、氮气阀门 站及管道等。氧枪横移车行走采用交流电机驱动，在工作位设有电液缸定位锁紧装置。升降 小车采用

3、交流变频电机驱动卷扬升降，氧枪升降过程中速度可控制变化。升降卷扬钢 丝绳装有测力传感器。氧枪设备系统组成见下表:1升降卷扬装置2横移台车本体3电缆拖链4升降小车5横移台车下部轨道6横移台车上部轨道7横移台车定位装置8升降小车导轨9氧枪本体10升降小车缓冲器11氧枪供氧供排水软管接头12事故驱动装置2、主要电气设备构成氧枪系统电气传动设备配置为：2台升降用变频电动机、2台升降用电动机抱闸电 动机、2台氧枪横移小车电动机、1台氧枪横移小车锁定电液推杆电动机。氧枪升降用变 频电动机（即变频器专用电动机）由西门子变频调速装置供电，其余设备均由mcc供 电，电压等级为ac380vo序号设备名称电动机型号

4、容量（kw）电压（v）转速（rpm）1氧枪升降电动机进口1103809882冷却风机0.63803抱闸电机edl250-600. 333804电液锁定电动机y90l-4-1.51.5380变频电动机是适用于变频器的传动电动机，它有以下主要特点：（1）散热风扇由一个独立的恒速电动机带动，风量恒定，与变频电动机的转速无关。（2）设计机械强度能确保最高速使用时安全可靠。（3）磁路设计既能适合最高使用频率的要求，也能适合最低使用频率。（4）设计绝缘结构比普通电动机更能经受高温和较高冲击电压。（5）高速运行时产生的噪声、振动、损耗等都不高于同规格的普通电动机。二、设备运转方案1、控制地点氧枪控制系统共设

5、两个操作地点，分别为：转炉主控室操作（hmi及紧急操作台）、 现场操作箱操作。主控室紧急操作台上设紧急停止和紧急提升按钮，不进行氧枪正常提 升操作。各操作地点的操作权限为：（1）现场具有优先操作权，现场操作箱上设置操作权选择开关。（2）氧枪系统控制同时只能有一个操作点具有操作权。（3）在主控室紧急操作台及现场操作台操作紧急提枪不受操作地点选择控制。（4）设备运行中，不能进行操作地点选择。氧枪系统各设备具体操作地点见下表:设备名称主控室现场操作箱hmi紧急操作台氧枪升降小车0oo氧枪横移小车00氧枪横移小车锁定电液推杆0o2、氧枪的基本控制要求（1）为防止电动机突然启动对设备的冲击，氧枪开始升降

6、时电动机转速应从零开始逐 渐加速，从零到正常速度的加速时间是约3秒，制动器延时打开，延时时间现场 调定。（2）由于制动器制动力矩较大，为了防止制动时对设备的冲击，氧枪制动吋应先通过 电力柔性制动将电动机减速，当氧枪升降速度接近零时，制动器失电制动，制动 时间为3秒。（3）每辆横移车上提升卷筒的两个钢丝绳张力传感器受力应相同，如果在使用过程屮 两个传感器受力误差超过5%则报警，操作工人应立即检修。（4）氧枪在升降过程中设有以下几个控制点：hh：氧枪换枪超限位氧枪换枪的保护限位，与氧枪换枪位极限共同作用使氧枪换枪上升时停止在换枪位 置。ho：氧枪换枪位氧枪换枪上升到此位时自动停止，工作位和检修位的

7、氧枪横移车可交换位置，实现 新旧氧枪的更换。hu氧枪升降速度变速点氧枪升降经过此点时，升降速度由高变低（上升时）或由低变高速（下降时）。h11：下降减速点氧枪下降经过此点时，速度由高变低。h2：氧枪等待位转炉不吹氧时，氧枪在此处等待。h21：上升减速点氧枪上升经过此点时，速度由高变低。h3:氧枪开闭氧点氧枪下降到此点时，氧气切断阀自动打开，氧枪上升到此点时，氧气切断阀自动关 闭h12:定位变速点氧枪下降经过此点时，速度由高变低。h：吹炼位（设定值）自动操作时氧枪下降到此点时，自动停止进行吹氧冶炼，木高度由计算机系统根据 当前各系统数据计算给出，或由操作工根据具体情况设定。hi：氧枪最低吹氧位（

8、氧枪工艺下限，）氧枪枪位设定最低点，枪位设定值不能低于此点，否则设定无效。h5：氧枪清零位，氧枪每经过此位置，位置编码器将清零。该位置比氧枪待吹位高 100mmohh:氧枪下极限氧枪下降保护极限，氧枪下降经过此点吋，自动停止下降。防止吹氧喷头插入熔池。 通常情况下，氧枪处于等待位（也）。当需要换枪时，首先提升到氧枪更换位（h。）, 进行横移台车的交换。而后新氧枪下降，氧枪停在待吹位，等待下枪吹氧的指令。氧枪升降导轨上设有2个限位开关，从上至下分别为：氧枪清零位（出）和氧枪机 械下极限（hh）,两个氧枪横移台车上分别设有氧枪换枪位（h。）限位开关和氧枪机械上 极限（hh）限位开关。氧枪其余控制点

9、的位置变化通过位置编码器控制来实现。3、操作方式氧枪操作方式设二级全自动方式、hmt自动、hmi手动、机旁手动、紧急操作五种 方式，正常冶炼时采用二级全自动方式（二级系统需投入）、hmi自动或hmi手动方式， 当调试或设备故障检修时采用机旁手动方式，在操作台上设“紧急停止”按钮，以处理 紧急情况发生。氧枪提升要求有高低速，速度控制采用西门子变频调速装置实现，每台氧枪提升卷 扬装置上都配有编码器，并将信号送入plc。氧枪提升下降速度应按照氧枪速度曲线进行，但机旁操作时不受速度曲线控制，在 机旁操作箱上有高低速提枪下枪选择，选择高速即按高速40m/niin运行，选择低速即按 低速4m/min运行。

10、hm1操作受氧枪速度曲线控制，二级全自动方式、hm1自动方式、hmi手动时，氧枪 升降速度根据速度曲线自动调整。4、氧枪操作控制流程氧枪操作有吹炼、溅渣和换枪三种。换枪操作在iimi和机旁手动有效。吹炼操作一 般为二级全自动和hmi自动操作。溅渣在hmi自动方式和hmi手动方式下有效。正常吹炼时，氧枪停在等待位（h2）点，釆用二级全自动方式时，由二级计算机系 统根据当前数据分析，然后当条件成熟发出吹炼命令，一级系统根据二级命令自动变化 氧枪枪位；采用hmt自动方式吋，由操作工根据画面显示数据手动设定氧枪枪位，发出 吹炼指令。氧枪接到吹炼指令后，从等待位高速下降，到开闭氧点时，氧气切断阀打开,

11、开始吹氧，氧枪下降到定位变速点（h12）时，减速运行，以低速下降到吹炼位停止，开 始吹炼，如果吹炼过程中有枪位调整命令，氧枪就按照新的枪位调整，继续吹炼，直到 氧气量达到设定值或发出提枪指令，氧枪即自动提升。然后氧枪由吹炼位高速提升，到 上升减速点时自动减为低速运行，到等待位停止，吹炼结束。在整个吹炼过程中，有外 部工艺故障（见联锁关系表）影响安全吋，若为轻故障则下枪停止，若为重故障则氧枪 紧急提枪。0三0098菁009002盂藝o5027.氧枪原理图（1）正常吹炼模式（1#氧枪为南枪，2#氧枪为北枪）操作场所“屮央”正常吹炼模式设定完了氧枪升降mcc电气条件11 lance炉芯位置11 la

12、nce升降条件-4-*lance吹炼高度的设定和变更，都耍进行上 下限数值判断，“设定值正常”得出设定完 了信号。h4（下限）h（本次吹栋高度）h（上次吹炼高 *在吹炼过程中不能竣变正常吹炼模 式。and吹炼pattern设定完了吹炼开始再吹炼开始木吹炼终了orandsteplanda仪表alance升降条件成立”andanda lance下降条件and木吹炼终了吹炼终了orlance hl点lance 上lanl非常上限a lance下降 ylance开闭氣点lance升降速度曲线控制吹炼设定高度到达吹炼 pattern 了stcpl 终andc1and-仪表and“开氧气切断阀”a lan

13、ce停止停止位亶check /ora 2 zoral-1八1-2a5-1a| 误差| < 25mm-|误差| a 25mm 4 轻ann "lance停止位置异常"a3-1 -a2-1clc2c9cioandoror备注：*a=（吹炼pattern f一个step的lance吹炼离度）-（现step的lancernj度）吹炼pattern step 2 终了andstep 3至step 10处理相同吹炼pattern step 10终了 andanda 3吹炼pattem运行1完了 吹炼开始指令a4（吹炼中断）(2)吹炼终了提枪lance上升条件lance开闭氧点an

14、da-lance 上升andlance等待位h2and转炉a-lancc停止本吹炼终了lance升降速度曲线控制仪表“闭氧气切断阀停止位賢checka3-1（3）吹炼屮断后提枪仪表“吹炼终止”step i吹炼中断lance a上升条件/lance升降速度.曲线控制仃orlance等待位h2 .lance上限lance非當上限.andanda-lancc 上升anda仪表“闭氧气切断阀”stcp2吹炼中断andanda-lance 停止仪茨“吹炼开始指令"a-iince b降条件停正臨 check/ andcheck a2-1anda-lancc 卜降lance到达开闭純点吹炼中断时s

15、iep岛度到达stcp3吹炼中断andc2lance升降速度曲线控制a仪表“开氧气切断阀”andlance停止c3andstcp9吹炼中i析c9stcplo吹炼中断andjlcioand(4)再次吹炼下枪and正常吹炼模式设定完了氧枪升降电气条件a lance炉芯位置吹炼patter n设定完了仪表“再吹炼开始”andandlance a卜降条件操作场所“小央 操作场所“中央”and.lance a升降条件1再吹炼终了and仪表"lance升降条件成立”and再吹炼终了orlance h1 点andlance升降速度、曲线控制 a-lance 下降and再吹炼终了lance上限lan

16、ce非常上限lance到达开闭氧点< 25 mm“lance停止位置异常”a 25mm 4 轻ann（5）紧急情况提升orpbslance h点以上.lance上限以上lance非常上限以上（lance升降“紧急停止”）cs操作场所“中央”lance升降装置电气条件ijcrtjanclance冷却水异常og非常停止计装plc重故障lance 02流量低下orand1r-1§§lu-j提升机构提升机构i51 b貝ig 量a一四、氧枪的电气传动及其自动控制1、电气传动每座转炉设有2套氧枪升降机构（a枪和b枪）,配备2套变频控制柜（a枪电控柜和 b枪电控柜）和一套制动控制柜

17、，一套作为工作枪，另一套作为备用抢。变频器选用西门 子系列三相交流矢量控制变频器。正常生产中，两支氧枪的变频器、升降电机可以做到互为备用。其鲜明的特点有：（1）机械故障时，在台车不移动的情况下，可以通过电气快速切换氧枪；（2）电气故障吋，在不更换变频器、台车不移动的情况下，可以快速实现氧枪的正 常控制。另外，在氧枪制动控制上，完善了氧枪电机的抱闸控制，实现了变频器合/分闸、 plc程序输出、变频器本身输出三点联锁控制抱闸，使制动控制技术更加完善，系统更加安全、稳定及可靠。主要特点有：（1）当变频器因故跳闸后，制动输出自动实现抱闸，确保了设备的安全；（2）当plc故障时，无论变频器工作在什么状态

18、，制动输出都处于抱闸状态，绝对保证设备不失控，提高了控制系统的可靠性和安全性。（3）止常生产过程中，因变频器内部或外部线路原因造成了变频器不能止常工作和控制输出，可通过plc输出完成电机的抱闸，保证了系统、设备的安全、可靠与稳定。2、氧枪升降的变频调速控制系统变频器是把电压，频率固定的交流电变换成电压，频率分别可调的交流电的变换器。 变频调速器与外界的联系点基本上分三部分：一是主电路接线端，包括工频电网的输入 端（r, s, t）,接电机的频率，电压连续可调的输出端（u, v, w）o二是控制端子，包 括外部信号控制变频调速器工作的端子，变频带调速器工作状态指示端子，变频器与微 机或其他变频的

19、通讯接口。三是操作面板包括液晶显示屏和键盘。变频器是现代最先进的一种异步电动机调速装置，能实现软起动、软停车、无级调 速以及特殊要求的增、减速特性等，具有显著的节电效果。它具有过载、过压、欠压、 短路、接地等保护功能，具有各种预警、预报信息和状态信息及诊断功能，便于调试和 监控，可用于恒转矩、平方转矩和恒功率等各种负载。变频器的功用是将频率固定的交流电变换成频率连续可调的三相交流电源。变频器 的输入端（r.s.t）接至频率固定的三相交流电源，输出端（u.v.w）输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电动机。电动机旋转磁场的转速通常称为同步转速，由下式决定：= 60/p式中 f电流的

20、频率p 旋转磁场的磁极对数当频率/连续可调时，电动机的同步转速勺也连续可调。又因为异步电动机的转子转速 总是比同步转速低一些。所以，当连续变化时，电动机转子的转速也是可调的。由于磁极对数不同的异步电动机在相同频率时的转速是不同的，所以即使频率的调 节范围相同，传速的调节范围也是各不相同的，今将磁极对数不同的界步电动机在两倍 频率范围内调频。氧枪升降的变频调速系统，氧枪升降是典型的位能性负载，按照炼钢工艺的要求， 氧枪在升降过程中要实现由慢速到快速和由快速到慢速的转换，检测点不仅多而口定位 必须准确，否则肓接影响到炼钢质量和氧枪的损坏。因此氧枪的检测及定位由脉冲编码 器和plc实现。一备一用的两

21、套氧枪系统确保了炼钢系统的可靠性；当一只氧枪发生故 障时，可快速提升此氧枪、横移至一侧，然后将另一只氧枪横移、对中、下降来替换故 障氧枪。3、氧枪的自动控制氧气顶吹转炉的自动控制中，氧枪高度的正确是一个相当重要的环节。采用先进的 吹氧量自动控制枪位定位技术对氧枪的吹炼点进行控制，可使氧枪准确地停止在工艺操 作要求的位置上，其定位的精度相当高，从而更好地保证了炼钢过程计算机控制，实现 了自动化。副枪作为另一重要设备，在氧枪下枪吹炼前测液面高度，在吹炼周期屮测温 取样，其同样对速度、位置控制有严格的要求。它们的高度位置控制基本是相同的，下 面以氧枪为例，着重列举其控制要点。(1)位置控制氧枪上下移

22、动的距离通过与电动机、卷筒同轴旋转的两个绝对编码器来计测，即把 垂直的位移量转化为数字量。正常生产屮，以其屮一个为主，另外一个绝对编码器与z 比较作为校准信号，偏差超出设定范围吋发岀报警，过大吋急停。氧枪在多次上下移动过程中会产生突发性数字谋差及编码器数值换算时的累计误 差，如不加以修正则会发生氧枪检测位置与实际位置的偏差。为解决这一难题，可在氧 枪的换枪位设置校正点。动作周期大体如下：预先将换枪位的高度实际值存入主plc内 存中；氧枪每次换枪提到换枪位时该信号读入主plc中，使此时氧枪实际高度检测记忆 值强制性修改。（2）自动快速定位控制现代化的转炉炼钢氧枪在吹氧过程中是根据吹氧量的不同而白

23、动调整枪位的。吹炼 过程中氧枪调整枪位的速度将肓接影响到冶炼周期和钢的质量，因此希望氧枪能以最快 速度准确停止在指定位置。为了解决这一问题，控制时可以采用位置闭环系统，将氧枪设定位置与实际位置的 偏差值作为控制信号，并将其转化为一个控制传动装置的速度指令。为缩短氧枪上升与 下降时间，在设定值与实际偏差较大时，以最大速度运行，当设定值与实际偏差越来越 小达到设定范围时，控制速度给定按照预先给定的函数曲线减小，最终使氧枪准确停止 在所要求的位置上。4、氧枪应急电源氧枪系统采用交流传动控制，配置紧急后备电源。在紧急情况下，保证设备的安全 性。炼钢转炉氧枪电机目前多采用交流电动机，交流电源正常时由变频

24、器供电，实现氧 枪的下降、吹氧、提升的调速运行;交流电源事故停电时必须由另一套应急电源供电，紧 急提升氧枪，防止发生设备事故。氧枪电机变频器和应急电源的可变频逆变器分别通过两台输出交流接触器给氧枪电 机供电，两台接触器由操作连锁系统控制，接触器线圈分别由交流电源和应急电源中的 工频正弦波逆变器供电，交流电源正常吋，氧枪电机由原控制系统控制工作，交流电源 事故停电时在机旁箱操作事故氧枪提升按钮和事故松转炉抱闸按钮。氧枪提升到上极限 自动停止，转炉倾转到零位停止。应急电源系统主回路及控制回路见图。应急电源系统主回路及控制ih路应急电源的组成：1qf/tr1km厂cm1 2qf子dc1尹2 qstd

25、c22nb1nb2kmvf 4km°”3km控制电源氧枪抱闸电源m 氧枪电机?丿转炉抱闸电机5km应用电源的原理框图(1)断路器：1qf:交流输入断路器;2qf:工频逆变器输入断路器;3qf:工频逆变器输岀断路器;qs :可变频逆变器输入开关;(2) 接触器：1km:交流输入接触器;2km、4km:可变频逆变器输出接触器;3km:变频器 输出接触器(用户设备)；5km:转炉抱闸电机输入接触器(用户设备);(3) tr:隔离变压器；(4) cm1、cm2:高频开关充电模块；(5) dc1、dc2:免维护铅酸蓄电池组；(6) 1nb:可变频逆变器；(7) 2nb:工频逆变器；(8) vf

26、:变频器(用户设备)。可变频应急电源是专门用于电动机负载的输出电压和输出频率可变的交流不间断电 源，和传统的ups或工频应急电源相比，可以大大减少电源的设计容量，过载能力强、 可靠性高。和传统的柴油发电机相比，启动时间快，无噪音、无污染，维护简单，可无 人值守自动操作，可计算机监控。是一种值得推广的新型工业电源。五、变频器常见的十大故障现象和故障分析一、过流(0c)过流是变频器报警最为频繁的现象。现象：仃)重新启动时，一升速就跳闸。这是过电流十分严重的现象。主要原因有：负载短路， 机械部位有卡住;逆变模块损坏；电动机的转矩过小等现象引起。(2)上电就跳，这种现象一般不能复位，主要原因有:模块坏

27、、驱动电路坏、电流检测电 路坏。 重新启动吋并不立即跳闸而是在加速吋，主要原因有:加速吋间设置太短、电流上限 设置太小、转矩补偿(v/f)设定较高。二、过压(0u)过电压报警一般是岀现在停机的时候，其主要原因是减速时间太短或制动电阻及制 动单元有问题。三、欠压(uu)欠压也是我们在使用中经常碰到的问题。主要是因为主回路电压太低(220v系列低 于200v, 380v系列低于400v),主要原因：整流桥某一路损坏或可控硅三路中有工作不 正常的都有可能导致欠压故障的岀现，其次主回路接触器损坏，导致直流母线电压损耗在充电电阻上而有可能导致欠压还有就是电压检测电路发生故障而出现欠压问题。四、过热(oi

28、l)过热也是一种比较常见的故障，主要原因：周围温度过高，风机堵转，温度传感器性 能不良，马达过热。通常采用以下方法：(1) 采用风扇散热:变频器的内装风扇可将变频器的箱体内部散热带走，若风扇不能 正常工作，应立即停止变频器运行。(2) 降低安装环境温度：由于变频器是电子装置，内含电子元、电解电容等，所以温度 对其寿命影响比较大。变频器的环境运行温度一般要求-10°c-50°c,如果能够采取措施 尽可能降低变频器运行温度，那么变频器的使用寿命就延长，性能也比较稳定。五、输出不平衡输出不平衡一般表现为马达抖动，转速不稳，主要原因:模块坏，驱动电路坏，电抗 器坏等。六、过载过载也

29、是变频器跳动比较频繁的故障之一，平时看到过载现象我们其实首先应该分 析一下到底是马达过载述是变频器自身过载，一般来讲马达由于过载能力较强，只耍变频 器参数表的电机参数设置得当，一般不大会出现马达过载.而变频器本身由于过载能力较 差很容易岀现过载报警我们可以检测变频器输岀电压。七、开关电源损坏这是众多变频器最常见的故障，通常是由于开关电源的负载发生短路造成的，丹佛 斯变频器采用了新型脉宽集成控制器uc2844来调整开关电源的输岀，同时uc2844述 带有电流检测，电压反馈等功能，当发生无显示，控制端子无电压，dc12v,24v风扇不 运转等现象吋我们首先应该考虑是否开关电源损坏了。八、sc故障s

30、c故障是安川变频器较常见的故障。igbt模块损坏，这是引起sc故障报警的原 因之一。此外驱动电路损坏也容易导致sc故障报警。安川在驱动电路的设计上，上桥 使用了驱动光耦pc923,这是专用于驱动igbt模块的带有放大电路的一款光耦，安川 的下桥驱动电路则是采用了光耦pc929,这是一款内部带有放大电路，及检测电路的光 耦。此外电机抖动，三相电流，电压不平衡，有频率显示却无电压输出，这些现象都有可能是igbt模块损坏。igbt模块损坏的原因有多种，首先是外部负载发生故障而导致 igbt模块的损坏如负载发生短路，堵转等。其次驱动电路老化也有可能导致驱动波形失 真，或驱动电压波动太大而导致igbt损坏，从而导致sc故障报警。九、gf接地故障接地故障也是平时会碰到的故障，在排除电机接地存在问题的原因外，最可能发生 故障的部分就是霍尔传感器了，霍尔传感器由于受温度，湿度等环境因数的影响，工作 点很容易发生飘移