基于Freelance 800F DCS系統(tǒng)和變頻器實(shí)現(xiàn)提升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.工藝概述

推焦裝置將熾熱的焦炭從焦?fàn)t炭化室中推出，落在焦罐臺(tái)車上面的焦罐中。裝滿紅焦的焦罐臺(tái)車由電機(jī)車牽引至干熄焦裝置前，并與牽引裝置的導(dǎo)軌對(duì)正，牽引裝置將焦罐從電機(jī)車軌道上移到提升機(jī)提升井的中心線上，由焦罐提升機(jī)將焦罐提升并送到干熄爐頂，通過爐頂裝入裝置將焦炭裝入干熄爐。在干熄爐中焦炭與惰性氣體進(jìn)行熱交換，紅焦冷卻至200℃以下，經(jīng)排焦裝置卸至膠帶機(jī)上，送到篩焦系統(tǒng)。

提升機(jī)在整個(gè)過程中主要完成焦罐的提升、橫移、裝入動(dòng)作，并且在焦炭裝入結(jié)束后將空焦罐送回焦罐臺(tái)車上。整個(gè)紅焦裝入過程的完成需要多個(gè)設(shè)備合作完成，包括APS定位裝置、牽引裝置、提升機(jī)、裝入裝置。其中，APS定位裝置完成焦罐臺(tái)車的精確定位功能;牽引裝置將焦罐臺(tái)車從電機(jī)車軌道牽引至提升井中心線上，或由提升井中心線送回電機(jī)車軌道;提升機(jī)完成焦罐的提升及橫移走行;裝入裝置是在提升機(jī)動(dòng)作的過程中，打開或關(guān)閉干熄槽頂?shù)臓t蓋和裝焦漏斗，配合提升機(jī)完成裝焦動(dòng)作。

2. 控制系統(tǒng)概述

本干熄焦工程提升機(jī)部分控制系統(tǒng)采用ABB公司的Freelance 2000集散控制系統(tǒng)，變頻裝置使用AB公司產(chǎn)品。提升機(jī)提升和走行電機(jī)變頻器選用AB公司PowerFlex S2系列變頻器，由于提升機(jī)提升電機(jī)要長(zhǎng)時(shí)間工作在發(fā)電狀態(tài)，所以選擇使用具有回饋能力的整流回饋單元RGU對(duì)公共直流母線進(jìn)行供電，逆變部分通過公共直流母線掛在整流回饋單元RGU，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)功能?？刂葡到y(tǒng)與變頻裝置之間通過Profibus總線進(jìn)行通訊。變頻裝置的控制通過端子控制方式，通訊僅作為讀取變頻裝置狀態(tài)的途徑使用。提升機(jī)提升走行采用帶速度傳感器的矢量控制模式。對(duì)于提升機(jī)提升位置、走行位置的檢測(cè)通過絕對(duì)值編碼器完成。本系統(tǒng)位置編碼器使用倍加福絕對(duì)值編碼器，通過Profibus總線與控制系統(tǒng)連接。

3.變頻裝置

提升機(jī)提升、走行電機(jī)變頻控制裝置選用AB公司的PowerFlex S2系列逆變裝置，通過公共直流母線掛在整流回饋單元RGU，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)功能。控制系統(tǒng)與變頻裝置之間通過Profibus總線進(jìn)行通訊。RGU為整流回饋單元，其主要功能有：通過控制能量流向，把進(jìn)線側(cè)3相交流電源轉(zhuǎn)化為規(guī)定的直流母線電壓;通過控制變壓器把進(jìn)線側(cè)3相交流電源轉(zhuǎn)化為交流115V控制電源。

在RGU*率元件采用IGBT。RGU可以工作在3種模式：電動(dòng)狀態(tài)，控制IGBT導(dǎo)通調(diào)節(jié)電壓和電流，使電流由交流側(cè)流向直流母線側(cè);再生狀態(tài)，控制IGBT導(dǎo)通調(diào)節(jié)電壓和電流，使電流由直流母線側(cè)流向交流側(cè);二極管整流橋模式，RGU不調(diào)節(jié)電壓和電流，功率元件工作在二極管整流橋模式，電流從交流側(cè)流向直流母線側(cè)。

PowerFlex 700 S2變頻裝置是AB公司推出的Power Flex “7-系列”產(chǎn)品之一?！?-系列”產(chǎn)品有如下特點(diǎn)：功率范圍廣，性能強(qiáng)大;靈活性使復(fù)雜的應(yīng)用簡(jiǎn)單化;高度集成，支持多種通訊協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);優(yōu)化的功率模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減小高次協(xié)波，反射波及控制干擾;緊湊的設(shè)計(jì)節(jié)省安裝空間。并且本系列產(chǎn)品擁有力矩校驗(yàn)功能，可以使變頻器在位能性負(fù)載的提升過程中與機(jī)械抱閘動(dòng)作良好配合，防止出現(xiàn)溜車及電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流過大的情況，對(duì)機(jī)械及電氣設(shè)備的使用壽命都有好處。

當(dāng)變頻器在提升設(shè)備應(yīng)用力矩校驗(yàn)功能時(shí)，變頻器收到運(yùn)行命令后，變頻器首先快速建立磁通，輸出轉(zhuǎn)矩，在確認(rèn)輸出轉(zhuǎn)矩存在的情況下，發(fā)出釋放抱閘信號(hào)，在停車的過程中，首先使變頻器進(jìn)入其懸停狀態(tài)，也就是說在變頻器收到停車命令后，變頻器減速到零速并可以在機(jī)械抱閘不動(dòng)作的條件下維持零速的功能，在變頻器進(jìn)入懸停狀態(tài)后，變頻器輸出控制抱閘閉合，然后撤銷輸出轉(zhuǎn)矩。并且在力矩校驗(yàn)功能啟用的條件下，變頻器自動(dòng)啟用下列功能：溜鉤保護(hù)、速度偏離保護(hù)（失速保護(hù)）、輸出缺相保護(hù)和編碼器丟失保護(hù)。使用力矩校驗(yàn)功能可以較為簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)變頻器帶電機(jī)作為提升設(shè)備的應(yīng)用。

本次100t干熄焦工程提升機(jī)變頻器主要采用端子控制方式，通訊功能作為讀取變頻器數(shù)據(jù)使用。走行變頻器預(yù)設(shè)兩檔速度，提升變頻器預(yù)設(shè)三檔速度，根據(jù)不同的階段給出提升和走行的不同速度選擇。變頻器啟動(dòng)、方向及速度選擇信號(hào)由繼電器給出，抱閘控制由變頻器本身完成。提升機(jī)提升走行變頻裝置采用帶有速度傳感器的矢量控制方式，速度控制具有良好的精度和穩(wěn)定性。啟動(dòng)制動(dòng)性能好，可以在短時(shí)間完成零速到額定轉(zhuǎn)速的啟動(dòng)過程或由額定轉(zhuǎn)速減小到零速的制動(dòng)過程，減少啟動(dòng)制動(dòng)時(shí)間，有利于適應(yīng)生產(chǎn)節(jié)奏的要求。

4.控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)使用ABB公司的Freelance 2000集散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)兼具集散控制系統(tǒng)和可編程控制器的優(yōu)點(diǎn)，既擁有良好的人機(jī)界面，又具有快速的順序邏輯控制功能。同時(shí)，組態(tài)工具應(yīng)用簡(jiǎn)單靈活，操作上畫面簡(jiǎn)單，思路清晰，便于操作控制，硬件安裝維護(hù)方面簡(jiǎn)單快捷。Freelance 2000集散控制系統(tǒng)可以分成操作級(jí)、通訊級(jí)、過程級(jí)和工程師級(jí)，不同的部分有不同的作用。工程師級(jí)用于離線或在線組態(tài)及在線調(diào)試;操作級(jí)用于操作和觀察、記錄和歸檔、趨勢(shì)和報(bào)警;通訊級(jí)用于工程師級(jí)、操作級(jí)、過程級(jí)之間的數(shù)據(jù)交換和通訊;過程級(jí)主要用于完成數(shù)據(jù)的獲取和數(shù)值的處理、以及各種控制功能。

集散系統(tǒng)的出現(xiàn)和進(jìn)一步發(fā)展，主要是微處理器的商品化，以及通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)控制理論密切結(jié)合的結(jié)果。其中，通訊網(wǎng)絡(luò)是集散系統(tǒng)的重要橋梁，由它把現(xiàn)場(chǎng)控制裝置、操作員站、工程師站等連接成一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。Freelance 2000集散控制系統(tǒng)包括下列兩層通訊網(wǎng)絡(luò)：系統(tǒng)總線（Diginet S）和現(xiàn)場(chǎng)總線（Profibus/Modbus/CAN等）。系統(tǒng)總線基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要作用是將控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制裝置、操作員站、工程師站連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò);現(xiàn)場(chǎng)總線是現(xiàn)場(chǎng)控制裝置中的通訊網(wǎng)絡(luò)，由其完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與CPU間的數(shù)據(jù)交換與通訊。

控制系統(tǒng)配置方面采用自動(dòng)化儀表專業(yè)設(shè)置一套冗余DCS控制站，電氣專業(yè)設(shè)置一套冗余DCS控制站的方法，總線形式采用Profibus-DP協(xié)議的冗余現(xiàn)場(chǎng)總線。提升機(jī)部分電氣控制系統(tǒng)與本體電氣系統(tǒng)共用一套冗余DCS系統(tǒng)，在編程過程中通過不同任務(wù)加以區(qū)分。提升機(jī)提升、走行變頻裝置通過Profibus-DP總線與控制系統(tǒng)連接，提升機(jī)提升編碼器、走行編碼器同樣通過Profibus-DP總線與控制系統(tǒng)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。上位設(shè)置一臺(tái)工程師站和四臺(tái)操作員站，上位機(jī)通過以太網(wǎng)與下位機(jī)進(jìn)行通訊。提升機(jī)部分的程序控制主要為順序控制及相關(guān)的聯(lián)鎖控制。由于提升機(jī)要配合電機(jī)車、APS定位裝置、牽引裝置、裝入裝置一起工作，所以相關(guān)的聯(lián)鎖條件是必不可少的。提升機(jī)的操作平時(shí)無人值守，要求動(dòng)作全部自動(dòng)完成，并且要求保持一定的生產(chǎn)節(jié)奏。

提升機(jī)本體的控制采用提升走行多段速度的方法，既可以提高一定的效率，又可以減小沖擊及保證定位的精度。在提升機(jī)橫移走行的過程中，在自動(dòng)運(yùn)行的條件下，提升機(jī)首先進(jìn)入高速走行，到達(dá)減速位后降為低速，到達(dá)定位位置停車。提升機(jī)在提升和下降運(yùn)行的過程中，采用多次速度變化的方法，主要目的是減小設(shè)備沖擊和提高運(yùn)行節(jié)奏。提升過程中的速度控制由提升機(jī)提升位置檢測(cè)編碼器提供位置信號(hào)以確定提升速度，配合提升機(jī)提升井側(cè)、熄焦室側(cè)判斷條件，及提升及上升下降判斷條件選擇不同的速度選擇方法。如圖（1）所示為提升機(jī)自動(dòng)運(yùn)行過程中，提升及走行的速度分配方式。在提升及下降的過程中，提升機(jī)提升速度的變化根據(jù)提升位置編碼器的檢測(cè)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)?？刂频碾y點(diǎn)也在于裝爐過程及返回過程中，提升機(jī)提升和走行的速度分配問題。

系統(tǒng)投用以來，運(yùn)行正常。在平時(shí)的維護(hù)過程中，我們發(fā)現(xiàn)，由于提升機(jī)鋼絲繩的拉伸及機(jī)械間隙的改變，提升機(jī)提升位置檢測(cè)編碼器的檢測(cè)數(shù)據(jù)較調(diào)試過程中稍有改變，在平時(shí)的維護(hù)過程中需要注意。避免因編碼器檢測(cè)信號(hào)變化引起影響系統(tǒng)運(yùn)行的狀況。此外，為了避免編碼器在歷次檢測(cè)的過程中的積累誤差問題，我們?cè)谔嵘龣C(jī)下降到提升井最下端的鉤開位時(shí)，在提升機(jī)停止運(yùn)行的條件下，對(duì)提升位置檢測(cè)編碼器的數(shù)據(jù)進(jìn)行置為初始值操作。