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張躍   戴峻浩

1  引言

    漣鋼在2000年將原來3座15t的小轉(zhuǎn)爐淘汰后，新上了2座90t轉(zhuǎn)爐。煉鋼生產(chǎn)全過程由PLC控制，采用全交流變頻傳動(dòng)。氧槍自動(dòng)控制系統(tǒng)是其中一個(gè)重要的子系統(tǒng)，它擔(dān)負(fù)著對(duì)從轉(zhuǎn)爐頂部進(jìn)行吹氧冶煉的氧槍的升降控制。該自控系統(tǒng)自投運(yùn)后，通過不斷完善與改進(jìn)，目前已完全滿足安全運(yùn)行和生產(chǎn)要求。本文旨在簡(jiǎn)要概述系統(tǒng)原理和工作過程，著重介紹對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行影響最大的兩個(gè)關(guān)鍵問題-氧槍鋼絲繩斷裂和鋼絲繩更換困難的改進(jìn)。

2  氧槍升降系統(tǒng)概述

(1)轉(zhuǎn)爐氧槍升降裝置

圖1  轉(zhuǎn)爐氧槍升降裝置示意圖

    每個(gè)轉(zhuǎn)爐均有互為備用的兩套氧槍升降裝置，當(dāng)其中一支氧槍出現(xiàn)故障或燒槍時(shí)，立即進(jìn)行移槍操作，用另一支氧槍進(jìn)行煉鋼。每支氧槍的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是獨(dú)立的，而其控制系統(tǒng)公用。單支氧槍的結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖見圖1。每套系統(tǒng)都是由電氣室內(nèi)的PLC控制獨(dú)立的變頻器，再由變頻器驅(qū)動(dòng)各自的氧槍升降電動(dòng)機(jī)工作，電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)帶動(dòng)氧槍鋼絲繩滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)，鋼絲繩牽引著裝有氧槍的小車在固定的軌道上進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)。為了將氧槍小車的位置信號(hào)反饋給PLC，在電機(jī)另一端裝有氧槍高度編碼器，在減速機(jī)另一端裝有凸輪控制器。為了控制氧槍不至于沖頂或墜地，另外在氧槍的活動(dòng)軌道上方還有兩個(gè)機(jī)械上極限限位，在氧槍的固定軌道上還裝有一個(gè)機(jī)械下極限限位。為了檢測(cè)鋼絲繩是否松馳，在鋼絲繩的另一端裝有張力檢測(cè)傳感。

(2)氧槍自動(dòng)控制

    整個(gè)氧槍自控系統(tǒng)是由西門子S7-400的PLC進(jìn)行控制的。操作室手柄發(fā)出的提槍或下槍指令傳入PLC的模擬量輸入模塊時(shí)，同時(shí)檢測(cè)氧槍升降的條件是否具備，包括張力是否正常、最高點(diǎn)或最低點(diǎn)是否工作，其它條件是否滿足下槍或提槍條件，如不具備條件則氧槍不工作，如條件具備則給變頻器發(fā)出運(yùn)行信號(hào)，變頻器控制電機(jī)正常工作，同時(shí)反饋力矩或電流值給PLC，與電動(dòng)機(jī)同軸的編碼器和減速機(jī)上的凸輪控制器反饋氧槍高度信號(hào)，從而確保氧槍安全運(yùn)行。

(3)程序控制過程

圖2  程序控制流程框圖

控制流程框圖如圖2所示：
第一步 判斷操作手柄是否有操作信號(hào)輸入；
第二步 判斷外部條件是否允許氧槍工作；
第三步 判斷氧槍張力是否正常；
第四步 判斷氧槍上升時(shí)開閉器最高點(diǎn)是否有信號(hào)到達(dá)，判斷氧槍下降時(shí)開閉器最低點(diǎn)是否有信號(hào)到達(dá)；
第五步 判斷氧槍軌道上的最高點(diǎn)機(jī)構(gòu)限位信號(hào)是否到達(dá)，判斷氧槍軌道上的最低點(diǎn)機(jī)構(gòu)限位信號(hào)是否到達(dá)；
第六步 輸入氧槍工作信號(hào)到變頻器輸入端子，控制電機(jī)工作。

3  原系統(tǒng)隱患及不足分析

(1)氧槍鋼絲繩斷裂現(xiàn)象

    第一次鋼絲繩斷裂出現(xiàn)在2001年初，鋼絲繩在離固定張力傳感器的首端僅約2m處整齊地?cái)嗔眩鯓屩本€下墜高度達(dá)23m，高層框架22m平臺(tái)處氧槍底座被撞變形，大梁被撞彎變形。

    第二次鋼絲繩斷裂出現(xiàn)在2003年5月，氧槍鋼絲繩放松后，掛在抱閘架上，部分鋼絲繩絞在一起，鋼絲繩滾筒移位約20mm。

(2)鋼絲繩斷裂原因分析

    第一次斷鋼絲繩的原因，筆者分析認(rèn)為，除氧槍開閉器因質(zhì)量問題未及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，及操作人員未認(rèn)真操作而發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象外，最主要的原因是程序設(shè)計(jì)存在問題。氧槍上升到達(dá)開閉器最高點(diǎn)位置時(shí)，因開閉器最高點(diǎn)限位損壞而不起作用，故電機(jī)仍能進(jìn)行提升操作。上升到達(dá)上機(jī)械極限B點(diǎn)后，雖能發(fā)出信號(hào)，但由于程序中無自保功能，故當(dāng)氧槍由于慣性沖過此點(diǎn)后，電機(jī)能再進(jìn)行提升操作，同樣的原因使氧槍在經(jīng)過機(jī)械極限A后，電機(jī)再進(jìn)行提升操作。因此，氧槍程序設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置的最高點(diǎn)停槍的三重保護(hù)一個(gè)也沒有起作用，以致氧槍高速撞擊緩沖器。因其力度大，速度快，緩沖器來不及緩沖，導(dǎo)致鋼絲繩被拉斷。

    為了證實(shí)此原因，筆者在停產(chǎn)進(jìn)行設(shè)備檢修時(shí)，對(duì)氧槍的慣性問題進(jìn)行了驗(yàn)證。在控制氧槍升降的程序中，增加一條氧槍下降到一定高度時(shí)自動(dòng)停車程序，但氧槍實(shí)際多下降了800mm才停車，后再增加一條氧槍上升到一定高度時(shí)停車的程序，但氧槍實(shí)際也多上升了800mm時(shí)才停車。即不論氧槍上升還是下降，從發(fā)出信號(hào)到實(shí)際停車，氧槍均要工作800mm的行程，而機(jī)械限位的信號(hào)碰塊長(zhǎng)度不到100mm，這說明如果開閉器的最高點(diǎn)不起作用的話，氧槍小車經(jīng)過機(jī)械限位A、B時(shí)，由于程序設(shè)計(jì)此兩個(gè)限位信號(hào)均只是瞬間起作用，故氧槍一定會(huì)沖過去而不會(huì)因此停車。

    第二次斷鋼絲繩的原因分析。檢查發(fā)現(xiàn)檢測(cè)氧槍張力數(shù)據(jù)的模塊出現(xiàn)了系統(tǒng)故障，不管實(shí)際氧槍張力傳感器發(fā)出的兩個(gè)張力值是多少，模塊秤發(fā)出的張力信號(hào)分別固定為1 645kg和1 724kg，其值一直固定不變，觀察一號(hào)爐另一支槍（西槍）即使在固定不動(dòng)時(shí)，其張力值也時(shí)刻有10kg左右的變化。根據(jù)程序分析，氧槍張力只有在高于2 500kg或低于800kg時(shí)，才對(duì)氧槍的升降控制進(jìn)行制約。由于張力稱重模塊發(fā)出的信號(hào)始終在二者之間，故此時(shí)張力不對(duì)氧槍進(jìn)行制約，當(dāng)氧槍由于外因而動(dòng)不了時(shí)，如有下槍信號(hào)，則氧槍小車不動(dòng)，但電機(jī)仍可工作，而鋼絲繩滑出滾筒絞亂，從而導(dǎo)致了鋼絲繩斷裂的現(xiàn)象發(fā)生。更換張力模塊后，一切恢復(fù)正常。
為了證實(shí)氧槍鋼絲繩可以被拉斷，筆者查閱鋼絲繩手冊(cè)得知氧槍每根鋼絲繩（Φ19mm）的最大拉斷力為20.8t左右，而當(dāng)氧槍在電機(jī)牽引力下被迫突然停車時(shí)，根據(jù)能量守恒和動(dòng)量守恒，筆者計(jì)算出每根鋼絲繩所受的牽引力為29t，故鋼絲繩一定會(huì)斷裂。

(3)鋼絲繩更換困難

    由于氧槍鋼絲繩磨損較大，為保安全運(yùn)行，轉(zhuǎn)爐廠規(guī)定鋼絲繩使用半年后必須更換。由于原設(shè)計(jì)時(shí)兩套氧槍的控制系統(tǒng)是公用的，故認(rèn)為氧槍在備用位置不能進(jìn)行控制，因此每次更換氧槍時(shí)，均必須靠人工進(jìn)行。撬起電機(jī)抱閘機(jī)構(gòu)后，手動(dòng)盤動(dòng)電機(jī)與減速機(jī)之間的靠背輪，通過減速機(jī)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將滾筒上的鋼絲繩松開或繞緊。此過程的工作量及工作強(qiáng)度非常大，特別是在炎熱的天氣，曾導(dǎo)致多人次暈倒在工作平臺(tái)上。

    經(jīng)對(duì)系統(tǒng)的全面分析，筆者認(rèn)為既然兩支氧槍的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各不相同，就可控制其電機(jī)同時(shí)工作。考慮到氧槍在正常工作時(shí)，45m平臺(tái)操作箱的轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)在操作臺(tái)，由操作臺(tái)上的操作手柄控制工作槍的升降，而此時(shí)氧槍操作箱上的升降點(diǎn)動(dòng)按鈕不起任何作用，故可考慮在此時(shí)操作點(diǎn)動(dòng)升降按鈕來控制備用位置的氧槍工作與否。

4  程序編制

    通過對(duì)以上故障及系統(tǒng)存在缺陷的分析，筆者與技術(shù)員一起，對(duì)程序進(jìn)行了修改調(diào)試，投運(yùn)以來再?zèng)]有上述故障出現(xiàn)。

4.1 針對(duì)第一次斷鋼絲繩故障的程序修改

(1)  在PLC程序中增加一個(gè)中間繼電器，當(dāng)機(jī)械限位工作時(shí)，讓此中間繼電器將機(jī)械限位的信號(hào)自保；
(2)  用增加的PLC內(nèi)部中間繼電器的節(jié)點(diǎn)代替原機(jī)械限位的節(jié)點(diǎn)，串于控制程序中；
(3)  利用氧槍下降到一定高度發(fā)出的信號(hào)對(duì)中間繼電器的自保點(diǎn)進(jìn)行解鎖。

    程序進(jìn)行修改后，當(dāng)氧槍上升到第一個(gè)限位后，由于限位信號(hào)自保后一直起作用，小車即使沖過此限位，電機(jī)還是不能進(jìn)行提升操作。只有在下槍到氮封點(diǎn)以下時(shí)才能再次提槍。實(shí)際證明，此程序投入運(yùn)行后，不僅克服了斷鋼絲繩的問題，同時(shí)解決了經(jīng)常出現(xiàn)的氧槍沖頂導(dǎo)致氧槍標(biāo)尺碰塊撞壞的現(xiàn)象。

4.2 針對(duì)第二次斷鋼絲繩故障的程序修改

(1)  利用氧槍工作時(shí)發(fā)出的信號(hào)，加上一個(gè)1s的脈沖繼電器，與計(jì)數(shù)器一起組成一個(gè)5s的計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)器；
(2)  每隔1s，將氧槍張力模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)送入一個(gè)中間數(shù)據(jù)塊并保持；
(3)  將5s內(nèi)的5個(gè)張力中間數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如全部相等，則立即報(bào)警，延時(shí)3s后如張力仍無變化，則強(qiáng)行使氧槍不工作。

    程序進(jìn)行修改后，在其后2#爐東槍的張力模塊出現(xiàn)同樣的問題時(shí)，因及時(shí)報(bào)警停槍，成功地避免了鋼絲繩斷裂的事故。

4.3 針對(duì)氧槍更換鋼絲繩困難的程序修改

(1)  分別建立東西槍換鋼絲繩的各自的功能塊，并當(dāng)另一支槍在工作位時(shí)進(jìn)行調(diào)用；
(2)  利用操作箱上的提槍和下槍的點(diǎn)動(dòng)按鈕，對(duì)備用槍的變頻器輸入一個(gè)小轉(zhuǎn)速的控制信號(hào)；
(3)  當(dāng)變頻器力矩建立后，打開抱閘等，使電機(jī)受控運(yùn)行。

    此程序投入使用后，維修工人更換氧槍鋼絲繩時(shí)，只需在操作箱上按升降按鈕即可使鋼絲繩退出或卷入滾筒之中，因此整個(gè)工作量及工作強(qiáng)度均減少到了三分之一左右，且有效地防止了人聲設(shè)備事故。

5  結(jié)語(yǔ)

    轉(zhuǎn)爐氧槍控制是一個(gè)安全性可靠性要求極高的系統(tǒng)，稍有不慎即可釀成大禍。筆者在認(rèn)真仔細(xì)研究了系統(tǒng)原理和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況，針對(duì)幾次事故的分析并詳細(xì)計(jì)算之后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)和程序修改，實(shí)踐證明是非常有效的。目前氧槍運(yùn)行十分可靠，未再出現(xiàn)墜槍之類的事故，有力保證了生產(chǎn)，極大的減輕了維護(hù)維修的工作強(qiáng)度，按一次墜槍損失80萬元計(jì)算，其經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的。

參考文獻(xiàn)：
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[4]  戴峻浩主編. 電子技術(shù)基本教程(1), (2)[M]. 兵器工業(yè)出版社, 1992.