本實用新型涉及改進(jìn)的AOD爐，具體來說是一種AOD爐傾動控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，氬氧脫碳法(AOD法)是生產(chǎn)不銹鋼的主要工藝，AOD法以其成本低、易操作、效率高等特點而受青睞，但是耐火材料消耗高，爐襯壽命低，一直困擾著AOD法的生產(chǎn)，爐襯壽命是一個綜合性的指標(biāo)，它不僅與爐型結(jié)構(gòu)設(shè)計、耐火材料的性能和使用工藝有關(guān)，而且與冶煉工藝水平、各操作參數(shù)的控制、設(shè)備維護(hù)狀況等密切相關(guān)。

在AOD冶煉過程中，由于供氣系統(tǒng)的供氣強(qiáng)度、流量隨著不同冶煉時期的變化而變化，使得噴吹氣體在冶煉過程中對爐襯的蝕損和鋼液的攪拌等方面起著重要的作用，影響爐體背向傾斜的因素主要有供氣壓力、流量和冶煉工藝，在爐體背向傾斜過程中，傾斜角度的適宜與否，往往可以通過風(fēng)口周圍爐襯磚的侵蝕情況和爐襯壽命來反映出來，不良的傾斜角度可能會加速風(fēng)口周邊爐襯的侵蝕，盡管爐體背向傾斜的角度與冶煉工藝的很多方面都有著復(fù)雜的關(guān)系，但是爐體傾斜的角度在供氣系統(tǒng)壓力一定、冶煉過程中鐵水流動性良好的情況下主要與供氣系統(tǒng)的流量和噴槍的出口速度之間存在著自己特定的變化及關(guān)聯(lián)關(guān)系，了解這些變化規(guī)律，采用科學(xué)的調(diào)控方法，依據(jù)冶煉過程中各個階段對供氣壓力、流量等的要求進(jìn)行各相關(guān)設(shè)備的有效動作，保證爐體背向傾斜角度的準(zhǔn)確性，從而有效的減少氣體及鋼液機(jī)械沖刷對爐襯壽命的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本實用新型提供一種AOD爐傾動控制系統(tǒng)，AOD爐傾動時傾動設(shè)備給予的傾動力矩可分成兩部分，一部分是對爐體的傾動， 另一部分是對爐液的傾動。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用技術(shù)方案是：一種AOD爐傾動控制系統(tǒng)，包括PLC系統(tǒng)、變頻器、氧槍升降裝置、檔渣板裝置；

PLC系統(tǒng)包括PLC、位置控制器、壓力控制器、流量控制器；

氧槍升降裝置包括電動機(jī)、聯(lián)軸器、減速器、溫度傳感器，速度傳感器，流量傳感器，位置傳感器；

檔渣板裝置包括擋渣板、壓力變送器；

采用半閉環(huán)矢量控制的控制方式；PLC和擴(kuò)展模塊連接共同控制變頻器，PLC的輸出端口一連接變頻器引腳一，PLC的輸出端口二連接變頻器引腳二，PLC的輸出端口三連接控制中間繼電器，實現(xiàn)對電磁抱閘的控制，PLC的輸入端口分別連接氧槍升降裝置的輸出端口和擋渣板裝置的輸出端口，PLC的輸入端口一連接溫度傳感器，實現(xiàn)溫度信號的輸入，PLC的輸入端口二和PLC的輸入端口三連接速度傳感器，實現(xiàn)出鐵水信號和進(jìn)鐵水信號的輸入，PLC的輸入端口四連接復(fù)位按鈕，PLC的輸入端口五連接流量傳感器，實現(xiàn)扒渣信號的輸入，PLC的輸入端口六連接位置傳感器，實現(xiàn)氧槍提升信號的輸入，PLC的輸入端口七連接壓力變送器，實現(xiàn)檔渣板就位信號的輸入，PLC的輸入端口八連接編碼器，其中PLC與中間繼電器相連，當(dāng)爐體傾斜到位時PLC將通過控制中間繼電器來切斷變頻器的電源，同時啟動電磁抱閘；

PLC系統(tǒng)通過與氧槍升降裝置，擋渣板裝置的協(xié)同合作，完成測溫、出鐵水、進(jìn)鐵水、復(fù)位、扒渣環(huán)節(jié)的傾動任務(wù)；

氧槍升降裝置、擋渣板升降裝置連同傾動系統(tǒng)都屬于整個鐵合金冶煉DCS中的同級子系統(tǒng)，傾動子系統(tǒng)通過RS485與上位機(jī)進(jìn)行實時通信。

優(yōu)選的，AOD爐的傾動力矩的包括兩部分，即空爐部分和鐵水部分。

優(yōu)選的，流量傳感器為LUGB-99，壓力變送器為PMC71，位置和速度控制的傳感器為ROQ425。

優(yōu)選的，PLC的輸出端口一為Q0.0，PLC的輸出端口二為Q0.1，PLC的輸出端口三為Q0.2。

優(yōu)選的，PLC的輸入端口一為I0.0，PLC的輸入端口二為I0.1，PLC的輸入端口三為I0.2，PLC的輸入端口四為I0.3，PLC的輸入端口五為I0.4，PLC的輸入端口六為I0.5，PLC的輸入端口七為I0.6，PLC的輸入端口八為I0.7。

優(yōu)選的，PLC為S7-200系列的CPU222。

優(yōu)選的，變頻器為MM440。

優(yōu)選的，電機(jī)為37.3kw的交流異步電機(jī)。

優(yōu)選的，半閉環(huán)控制方式中位置檢測傳感器同電機(jī)的軸相連。

優(yōu)選的，半閉環(huán)控制系統(tǒng)中反饋信號為電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角信號。

優(yōu)選的，擴(kuò)展模塊為EM232。

所選的，半閉環(huán)控制方式中位置檢測傳感器同電機(jī)的軸相連。

所選的，PLC系統(tǒng)通過與氧槍升降系統(tǒng)，擋渣板系統(tǒng)的協(xié)同合作，完成測溫、出鐵水、進(jìn)鐵水、復(fù)位、扒渣環(huán)節(jié)的傾動任務(wù)。

所選的，氧槍升降系統(tǒng)，擋渣板升降系統(tǒng)連同傾動系統(tǒng)都屬于整個鐵合金冶煉DCS中的同級子系統(tǒng)，傾動子系統(tǒng)通過RS485與上位機(jī)進(jìn)行實時通信。

本實用新型爐體傾動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，提高了生產(chǎn)效率，爐體的傾動時間要盡量縮短，同時位置控制的穩(wěn)態(tài)精度得到了提高。

附圖說明

圖1為傾動系統(tǒng)主電路接線路；

圖2為傾動控制系統(tǒng)接線圖；

圖3為傾動系統(tǒng)PLC與編碼器連接電路圖；

圖4為PLC傾動系統(tǒng)半閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖；

圖5為PLC傾角系統(tǒng)位控器調(diào)節(jié)原理圖；

圖6為傾動系統(tǒng)速度給定曲線與位置偏差曲線圖；

圖7為傾動系統(tǒng)主程序流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明，本實用新型的實施方式包括但不限于下列實施例。

AOD爐的最大傾動力矩決定了電機(jī)容量的選擇，AOD爐的最大傾動力矩與爐型及耳軸位置有關(guān)，AOD爐傾動過程中，鋼水在不斷的改變位置，傾動力矩隨傾動角度而不斷變化，對于爐役后期的爐型，由于爐襯受到鋼水的侵蝕剝落，使?fàn)t型發(fā)生改變，重心位置也發(fā)生相應(yīng)的改變，AOD爐傾動時傾動設(shè)備的傾動力矩可分配成兩部分，一部分是對爐體的傾動，另一部分是對爐液的傾動。

由于爐體是固態(tài)的，其重心位置固定，重心的求取可嚴(yán)格按照圖紙通過AUTOCAD畫圖軟件對各組成部分進(jìn)行三維實體建模，通過查詢實體特性的辦法，便可直接獲得各組成部分的體積及重心坐標(biāo)，將各組成部分按照裝配關(guān)系組合在一起,再次通過查詢實體特性即得到空爐重心坐標(biāo)，通過計算可以獲取空爐的總質(zhì)量，相應(yīng)的空爐傾動力矩也只隨爐體傾動角度的變化而變化,可利用力矩計算公式計算出空爐傾動力矩。

鐵水體積形狀是隨爐體傾動角度的不同而不斷變化的，因此其重心也在變化，這給傾動力矩計算帶來了復(fù)雜性，在每個轉(zhuǎn)角位置上測出每一角度下的鐵水液面，截取相同的體積，得到不同轉(zhuǎn)角下的鋼水體積形狀，在所定計算程序中查詢模型的體積特性以此獲取質(zhì)心位置及轉(zhuǎn)動力臂，再求取鐵水的傾動力矩。設(shè)鐵水的重力為G_2θ，鐵水的重力臂為L_2θ,鐵水的傾動力矩為M_2θ，則M_2θ＝G_2θ*L_2θ，進(jìn)而得出總傾動力矩最大值。

AOD爐傾動系統(tǒng)的硬件電路主要包括兩部分，即主電路的設(shè)計和控制線路的設(shè)計。主電路主要是完成三相電源，變頻器，電機(jī)以及電磁抱閘之間的連接；控制電路主要是實現(xiàn)PLC與變頻器，各種指令器件，以及編碼 器的連接。

該AOD爐傾動控制系統(tǒng)包括PLC系統(tǒng)、變頻器、電機(jī)、氧槍升降系統(tǒng)、檔板渣系統(tǒng)，采用半閉環(huán)矢量控制的控制方式，所述PLC系統(tǒng)包括位置傳感器、壓力變送器、流量傳感器；所述PLC系統(tǒng)通過與氧槍升降系統(tǒng)，擋渣板系統(tǒng)的協(xié)同合作，完成測溫、出鐵水、進(jìn)鐵水、復(fù)位、扒渣環(huán)節(jié)的傾動任務(wù)；所述氧槍升降系統(tǒng)，擋渣板升降系統(tǒng)連同傾動系統(tǒng)都屬于整個鐵合金冶煉DCS中的同級子系統(tǒng)，傾動子系統(tǒng)通過RS485與上位機(jī)進(jìn)行實時通信，本實用新型爐體傾動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，提高了生產(chǎn)效率，爐體的傾動時間要盡量縮短，同時位置控制的穩(wěn)態(tài)精度得到了提高。

該AOD爐傾動控制系統(tǒng)，包括PLC系統(tǒng)、變頻器、氧槍升降裝置、檔渣板裝置；PLC系統(tǒng)包括PLC、位置控制器、壓力控制器、流量控制器；氧槍升降裝置包括電動機(jī)、聯(lián)軸器、減速器、溫度傳感器，速度傳感器，流量傳感器，位置傳感器；檔渣板裝置包括擋渣板、壓力變送器；采用半閉環(huán)矢量控制的控制方式；PLC和擴(kuò)展模塊連接共同控制變頻器，PLC的輸出端口一連接變頻器引腳一，PLC的輸出端口二連接變頻器引腳二，PLC的輸出端口三連接控制中間繼電器，實現(xiàn)對電磁抱閘的控制，PLC的輸入端口分別連接氧槍升降裝置的輸出端口和擋渣板裝置的輸出端口，PLC的輸入端口一連接溫度傳感器，實現(xiàn)溫度信號的輸入，PLC的輸入端口二和PLC的輸入端口三連接速度傳感器，實現(xiàn)出鐵水信號和進(jìn)鐵水信號的輸入，PLC的輸入端口四連接復(fù)位按鈕，PLC的輸入端口五連接流量傳感器，實現(xiàn)扒渣信號的輸入，PLC的輸入端口六連接位置傳感器，實現(xiàn)氧槍提升信號的輸入，PLC的輸入端口七連接壓力變送器，實現(xiàn)檔渣板就位信號的輸入，PLC的輸入端口八連接編碼器，其中PLC與中間繼電器相連，當(dāng)爐體傾斜到位時PLC將通過控制中間繼電器來切斷變頻器的電源，同時啟動電磁抱閘；PLC系統(tǒng)通過與氧槍升降裝置，擋渣板裝置的協(xié)同合作，完成測溫、出鐵水、進(jìn)鐵水、復(fù)位、扒渣環(huán)節(jié)的傾動任務(wù)；氧槍升降裝置、擋渣 板升降裝置連同傾動系統(tǒng)都屬于整個鐵合金冶煉DCS中的同級子系統(tǒng)，傾動子系統(tǒng)通過RS485與上位機(jī)進(jìn)行實時通信；AOD爐傾動時傾動設(shè)備給予的傾動力矩可分配成兩部分，一部分是對爐體的傾動，另一部分是對爐液的傾動，具體計算時實行分步分析，然后再集中疊加的方法，其步驟為:

(1)計算爐體(包括爐殼、永久隔熱層、耐火磚層、爐底填充料等組成部分)的重心,并以此求出各個角度下的傾動力矩；

(2)求取冶煉m噸鐵水時不同轉(zhuǎn)角位置下液體的重心,并計算各個轉(zhuǎn)角爐位下的傾動力矩；

(3)對爐體傾動力矩和鐵水傾動力矩進(jìn)行疊加計算,由此得出使?fàn)t體傾動的最大傾動力矩。

優(yōu)選的，AOD爐的傾動力矩的包括兩部分，即空爐部分和鐵水部分。優(yōu)選的，流量傳感器為LUGB-99，壓力變送器為PMC71，位置和速度控制的傳感器為ROQ425。優(yōu)選的，PLC的輸出端口一為Q0.0，PLC的輸出端口二為Q0.1，PLC的輸出端口三為Q0.2。優(yōu)選的，PLC的輸入端口一為I0.0，PLC的輸入端口二為I0.1，PLC的輸入端口三為I0.2，PLC的輸入端口四為I0.3，PLC的輸入端口五為I0.4，PLC的輸入端口六為I0.5，PLC的輸入端口七為I0.6，PLC的輸入端口八為I0.7。

優(yōu)選的，PLC為S7-200系列的CPU222。優(yōu)選的，變頻器為MM440。優(yōu)選的，電機(jī)為37.3kw的交流異步電機(jī)。優(yōu)選的，半閉環(huán)控制方式中位置檢測傳感器同電機(jī)的軸相連。優(yōu)選的，半閉環(huán)控制系統(tǒng)中反饋信號為電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角信號。優(yōu)選的，擴(kuò)展模塊為EM232。所選的，半閉環(huán)控制方式中位置檢測傳感器同電機(jī)的軸相連。所選的，PLC系統(tǒng)通過與氧槍升降系統(tǒng)，擋渣板系統(tǒng)的協(xié)同合作，完成測溫、出鐵水、進(jìn)鐵水、復(fù)位、扒渣環(huán)節(jié)的傾動任務(wù)。

所選的，氧槍升降系統(tǒng)，擋渣板升降系統(tǒng)連同傾動系統(tǒng)都屬于整個鐵合金冶煉DCS中的同級子系統(tǒng)，傾動子系統(tǒng)通過RS485與上位機(jī)進(jìn)行實時 通信。

如圖1系統(tǒng)主電路接線路，包括熔斷器FU101，電流超過規(guī)定值一段時間后，以其自身產(chǎn)生的熱量使熔體熔化，從而使電路斷開，對電機(jī)實現(xiàn)過流保護(hù)。

交流接觸器主觸點102，當(dāng)101閉合時，電流在規(guī)定范圍之內(nèi)，觸點閉合連接變頻器，實現(xiàn)電路的分合控制。

MM440變頻器103，采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管IGBT作為功率輸出器件，對電機(jī)進(jìn)行控制。

熱繼電器104，當(dāng)電機(jī)過載時，對電機(jī)實現(xiàn)過載保護(hù)。

三相異步電機(jī)105，電路中的拖動電機(jī)在指令器件的控制下以不同的轉(zhuǎn)速正反轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)進(jìn)鐵水，出鐵水，測溫，取樣，扒渣等環(huán)節(jié)的傾動要求。

交流接觸器KM2 106，控制電磁抱閘的線圈，電磁抱閘在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行制動。

如圖2傾動控制接線路中CPU222與模擬量擴(kuò)展模塊EM232共同實現(xiàn)對變頻器MM440的控制，CPU222需要的24V電源用開關(guān)電源來實現(xiàn)，MM440工作于矢量控制方式，其實現(xiàn)速度內(nèi)環(huán)的控制，CPU222主要的功能是實現(xiàn)位置控制器的功能，除此之外整個AOD爐傾動系統(tǒng)的其他控制指令信號的獲取要都要通過CPU222來實現(xiàn)。

CPU222的I/O地址分配如下：

I0.0——測溫；

I0.1——出鐵水；

I0.2——進(jìn)鐵水；

I0.3——復(fù)位；

I0.4——扒渣；

I0.5——氧槍提升完畢信號；

I0.6——當(dāng)扎板就位信號；

I0.7——編碼器輸入接口；

Q0.0——DIN1(MM440)；

Q0.1——DIN2(MM440)；

Q0.2——控制中間繼電器(實現(xiàn)對電磁抱閘的控制)；

當(dāng)爐體傾斜到位時PLC將通過控制中間繼電器來切斷變頻器的電源，同時啟動電磁抱閘；接近開關(guān)防止?fàn)t體傾動時翻爐事故的發(fā)生，當(dāng)爐體因為意外原因，有可能出現(xiàn)翻爐事故時，接近開關(guān)動作啟動電磁抱閘，通過系統(tǒng)主接線和控制線路的設(shè)計完成AOD爐傾動系統(tǒng)的電氣連接。

在AOD爐傾動硬件系統(tǒng)中，編碼器ROQ425作為反饋元件，它實現(xiàn)位置，轉(zhuǎn)速信號的檢測，選用它的SSI信號輸出模式，如圖3所示，集成電路MAX485實現(xiàn)RS485信號與+5V數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)，三極管實現(xiàn)+5V與24V信號之間的相互轉(zhuǎn)換，這樣CPU222就可以獲取爐體的位置量了，對于轉(zhuǎn)速信號的獲取，利用對位置量求導(dǎo)數(shù)的辦法來獲取，得到爐體的轉(zhuǎn)速和傾角信號。

AOD傾動控制系統(tǒng)是一個典型的APC控制系統(tǒng)，如圖4所示半閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行位置檢測和反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過位置傳感器的信號檢測出電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)角度即圈數(shù)，從而推導(dǎo)出當(dāng)前執(zhí)行機(jī)械的實際位置，但是，位置檢測傳感器同電機(jī)的軸相連，而不是裝在執(zhí)行機(jī)械上，位置控制只能到電機(jī)軸上為止，半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)中，由于傳動鏈非常簡單，使傳動鏈誤差和非線性的誤差大大的減少，它的閉環(huán)的非線性因素少，容易整定，還可以比較方便的通過補(bǔ)償來提高位置控制精度，半閉環(huán)的結(jié)構(gòu)使它的執(zhí)行機(jī)械與電氣自動控制部分相對獨立，系統(tǒng)的通用性增強(qiáng)。

異步電動機(jī)的矢量變換控制是要把交流電機(jī)模擬成直流電機(jī)，這就要通過坐標(biāo)變換的方法推導(dǎo)出異步電機(jī)在按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)上的數(shù)學(xué)模型以及轉(zhuǎn)矩控制方程式，設(shè)兩相坐標(biāo)d軸與三相坐標(biāo)軸A軸的夾角為θ_s，而pθ_s＝ω_dqs為dq坐標(biāo)系相對于定子的角速度，ω_dqr為dq坐標(biāo)系相對于轉(zhuǎn)子 的角速度。要把三相靜止坐標(biāo)系上的電壓方程，磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程都變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上來，可以先利用3/2變換將方程式中定子和轉(zhuǎn)子的電壓、電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩都變換到兩相靜止坐標(biāo)系αβ上，然后再用旋轉(zhuǎn)變換陣C_2s/2r將這些變量變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq上，因此，矢量控制主要由三部分組成:矢量控制方程，坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)子磁鏈相位角的確定。

如圖5所示V_t為速度預(yù)設(shè)定時間變量，S_t為位置預(yù)設(shè)定時間變量，K_sp為比例放大器的放大系數(shù)；ω為輸出轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)過程如下：控制器根據(jù)傳動的機(jī)器參數(shù)預(yù)設(shè)定的位置和轉(zhuǎn)速值，計算出速度時間特性曲線V_t和與之相關(guān)的S_t。在每一周期的開始時的速度值V_t預(yù)設(shè)定到傳動裝置上進(jìn)行速度預(yù)控制。同時反饋回來的實際值S_f與S_t進(jìn)行比較，得出當(dāng)時偏差值ΔS，此偏差值乘以比例系數(shù)K_sp得到V_k疊加在V_t上得出ASR應(yīng)具有的速度控制信號。

如圖6所示0～t₁為加速起動段，其加速率為a_m；t₁～t₂為最高速度運(yùn)轉(zhuǎn)段，其速度為V_m；t₂～t₃為減速制動段，減速率為a_m；t₃時刻為調(diào)整機(jī)械速度為零的時刻，在此刻撤掉電機(jī)電源，同時起動電磁抱閘。

定位過程如下：

S′_t＝∫V_tdt

1)0≤t≤t₁

因為V_t＝a_mt

所以

2)t₁＜t≤t₂

因為V_t＝V_m

所以

3)t₂＜t≤t₃

因為V_t＝V_m-a_m(t-t₂)

所以

所以S_t＝0.00125*S′_t

所以上式中的S_t即為AOD爐爐體在時間0到t₃內(nèi)所旋轉(zhuǎn)的角度。

如圖7所示PLC系統(tǒng)通過與氧槍升降系統(tǒng)，擋渣板系統(tǒng)的協(xié)同合作，完成測溫、出鐵水、進(jìn)鐵水、復(fù)位、扒渣環(huán)節(jié)的傾動任務(wù)，氧槍升降系統(tǒng)，擋渣板升降系統(tǒng)連同傾動系統(tǒng)都屬于整個鐵合金冶煉DCS中的同級子系統(tǒng)，傾動子系統(tǒng)通過RS485與上位機(jī)進(jìn)行實時通信，開始程序，按鈕開關(guān)是否按下，若未按下，返回開始，若按下，判斷復(fù)位按鈕時候按下，若按下，進(jìn)入復(fù)位APC程序，若未按下，向上位機(jī)發(fā)出提升氧信號，接著判斷出水按鈕是否按下，若未按下，進(jìn)入APC控制程序，若按下，向上位機(jī)發(fā)下降擋渣板信號，進(jìn)入APC控制程序，接著判斷傾動是否到位，若未到位，進(jìn)入進(jìn)入APC控制程序，若到位，切斷變頻器電源，控制電磁抱閘，結(jié)束控制。

按照上述實施例，便可很好地實現(xiàn)實用新型。

顯然本實用新型具體實現(xiàn)并不受上述方式限制，只要采用了本實用新型的方法構(gòu)思和技術(shù)方案的各種非實質(zhì)性的改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本實用新型的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場合的，均在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。