田德旺
阳春新钢铁有限责任公司 529629
摘要:高炉机械探尺作为料线的检测设备，其精准性直接关系到炉况的控制。而探尺的控制主要集中在变频器技术及其功能的应用，在众多变频器中，西门子S120矢量变频器完整的功能图和DCC功能等让用户有了发挥空间。本文从实际出发，对我厂高炉机械探尺存在的问题进行分析处理，以供参考。
关键词：高炉探尺；S120变频器;DCC；力矩控制
引言：
探尺是高炉的重要设备之一，它就如高炉的眼睛，其运行状态反映出炉内状态，给高炉操作人员对炉内状态判断提供依据。它不仅提供料面的深浅，其跟尺速度反映料面下降速度的快慢。再是一炉多尺的料线及跟尺速度对比更能反映内部各处反应的差异，从而给操作人员对如何布料，如何控制风温等提供依据。本文主要探讨高炉探尺的S120变频器矢量控制，特别是力矩控制方式实现与系统优化。
一、组成
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如上图所示，机械探尺主要由探尺砣、链条、钢绳、卷筒（箱）、减速机、电液抱闸、电机等组成，电气控制方面有脉冲编码器、绝对值编码器、S120变频器、PLC控制系统。
二、控制方式
探尺的运行状态。探尺的所有状态有：速度控制下放、力矩控制下放、力矩控制跟尺和速度控制提尺四种状态。探尺下放开始阶段和两尺到料线后提尺都为速度闭环控制，控制方式简单，而力矩控制过程极为复杂，这是探尺控制的重点和难点。
力矩控制切换。料线由绝对值编码器检测，经PLC换算得出。为了加快并稳定探尺下放速度，从速度控制切换到力矩的切换点设置在0米料线处。探尺从待机位（-170cm）匀速下放到零米料线时，PLC向变频器发力矩控制指令，该指令和下放指令经S120的驱动控制图DCC功能块逻辑与运算连接至速度/力矩切换控制参数，即P1501=r21510.0，由图可知力矩控制时力矩不去自速度还，而是来自力矩设定通道。
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由上式可知可能存在T>0、T<0和T=0，即系统无非三种运行结果：一是T>0时向下减速后又向上运动，二是T<0时向下加速，三是T=0时匀速下放。而实际上T不可能一成不变，我们期望的是第三种情况。为了使系统切换到力矩控制后尽可能地稳定下放速度和到达料面后很好地跟尺，就要实时控制电机输出力矩。当下放速度很快时就要相应地增大电机输出力矩使系统快速减速；当下放速度变慢时就要相应地减小电机输出力矩使系统加速；当下放速度在期望的范围时力矩调节不能太大；当探尺砣到达料面后处于跟尺状态，速度接近于零或等于零，而此时力矩变化很小，但又要保证不倒砣。因此本探尺力矩控制过程的力矩设定值与实际转速息息相关——力矩是速度的一次函数关系，即由两点式有：
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此函数利用S120自由功能块“多段线”PLI20 (Polyline, 20 breakpoints）实现。
三、探尺控制存在的不足与改进
1.电机模型不准确导致控制不精准和抗扰动能力不足。在探尺S120变频器升级改造时，因探尺卷筒与减速机的连接方式导致不方便脱开负载对电机进行优化，故调试时使用备用电机放于电柜前执行优化，此种优化并未把实际的电缆参数计算出来，而是变频器默认的值，从而导致电机模型与实际存在差距。在炉况不稳定的状态下探尺出现不正常现象：力矩控制下放过程速度明显变慢，并且速度曲线类似正弦曲线周期变化，速度由正常时的-170 r/min变成波峰-100和波谷-70r/min的正弦曲线（见图一），且经过多次调校“多段线”的斜率（见公式二），问题始终得不到解决。
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2.把多段线一次函数斜率设置比较大，即微小的速度变化就会输出较大的力矩变化，下放速度基本稳定，不过经过曲线跟踪监控可知力矩输出具有不连续性——“脉冲转矩”（见图二），其次现场探尺动作时发出“哐，哐”声，勉强满足使用。
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4.改进措施：
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2)综合现场电机环境温度为35℃；
3)分别把以上这两值人工输入电缆电阻P352[0]和电机环境温度参数P625[0]；
4)对电机执行静态辨识。
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5)速度力矩关系期望坐标的设定。经过观察整个下放过程力矩在10Nm左右，以此实际转矩设为期望转矩，且设定对应期望的速度值-175 r/min，则可确定期望的速度力矩坐标，再根据期望值坐标，以其相邻的两坐标（参数）作为速度的“上下限”得到三个关键的设定坐标：
上限值坐标：（A7,B7）=（-180r/min，11Nm），
期望值坐标：（A6,B6）=（-175 r/min，10Nm），
下限值坐标：（A5,B5） = （-170 r/min，9Nm），
这样设置更直观，基本上速度就在-180 r/min至-170 r/min以内运行，而PLI20的其他坐标设置主要起保护作用。保护的目的为当速度过大时要得到抑制（电机输出力矩大使系统减速），以免电机处于高发电状态而导致直流母线过电压而报故障（为何不用制动单元见6），改进后具体设置和运行曲线见图三和图四：
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改进后速度曲线和力矩曲线波动小，运行平稳，现场哐哐声也消失。
可知，对于动力电缆比较长的系统和力矩控制控制要求比较高的应用，首先必须按实际情况对电机进行辨识，其次按变频器静态识别默认的电缆电阻占总电阻（电缆电阻+定子绕组电阻）的20%来计算电机模型是不理想的，应根据实际情况先输入电缆阻值再进行辨识，最后电机环境温度也要按实际环境温度输入。
5.进一步改进措施（塌料检测与防埋砣）：
跟尺过程中如料面突然塌陷，探尺砣存在倾倒的风险，探尺砣倾倒料线反映不出实际深度，如遇到大的塌料有可能会埋住探尺坨，提尺时拉断链条从而造成掉坨的事故。塌料检测及防倒砣措施如下：
1)到达料面判断。在力矩控制的前提下、当速度大于-1.5%和实际力矩小于8%时，延时200ms判断为到达料面，此时设置附加的输出力矩为零。
2)塌料判断。在到达料面的前提下如果速度加快（小于-1.5%）则输出一个附加力矩，此力矩大小与下放速度相关从而有效地防止探尺砣倾倒和被物料埋住。
3)当力矩控制结束时，到达料面信号复位，附加力矩输出为零。
4)HMI增加塌料信号监控，当发生塌料时变频器把检测到的塌料信号传送到PLC，并在人机界面做报警提示。
5)上述参数可以在自定义参数中根据实际工况予以调整。
以上功能采用DCC实现，如图五所示：
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6.多余的能耗制动部分。 根据本探尺的实际放尺速度需要，下放速度设置为-175r/min，直流母线电压小于600V，远达不到使制动单元工作的电压，而且制动单元一直在线，当制动单元一但发生击穿故障后导致变频器充电电阻烧坏和制动电阻损坏，因此可以取消不必要的制动单元和制动电阻，从而降低故障率和维护成本。
四、总结
1、电机模型是矢量控制的重要部分，模型的精准性直接影响控制的精度，对于要求较高的应用需按实际情况对电机进行辨识。
2、掌握DCC功能实现复杂逻辑控制和运算。
3、熟练使用STARTER的Trace跟踪功能观察相应运行曲线进行分析优化。
4、力矩控制下放速度与力矩关系坐标要参考实际需要设置。
5、能耗制动部分要根据实际决定去留，确保系统简单可靠。