一种AOD炉倾动控制系统的制作方法

本发明涉及改进的AOD炉，具体来说是一种AOD炉倾动控制系统。

背景技术：

目前，氩氧脱碳法(AOD法)是生产不锈钢的主要工艺，AOD法以其成本低、易操作、效率高等特点而受青睐，但是耐火材料消耗高，炉衬寿命低，一直困扰着AOD法的生产，炉衬寿命是一个综合性的指标，它不仅与炉型结构设计、耐火材料的性能和使用工艺有关，而且与冶炼工艺水平、各操作参数的控制、设备维护状况等密切相关。

在AOD冶炼过程中，由于供气系统的供气强度、流量随着不同冶炼时期的变化而变化，使得喷吹气体在冶炼过程中对炉衬的蚀损和钢液的搅拌等方面起着重要的作用，影响炉体背向倾斜的因素主要有供气压力、流量和冶炼工艺，在炉体背向倾斜过程中，倾斜角度的适宜与否，往往可以通过风口周围炉衬砖的侵蚀情况和炉衬寿命来反映出来，不良的倾斜角度可能会加速风口周边炉衬的侵蚀，尽管炉体背向倾斜的角度与冶炼工艺的很多方面都有着复杂的关系，但是炉体倾斜的角度在供气系统压力一定、冶炼过程中铁水流动性良好的情况下主要与供气系统的流量和喷枪的出口速度之间存在着自己特定的变化及关联关系，了解这些变化规律，采用科学的调控方法，依据冶炼过程中各个阶段对供气压力、流量等的要求进行各相关设备的有效动作，保证炉体背向倾斜角度的准确性，从而有效的减少气体及钢液机械冲刷对炉衬寿命的影响。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种AOD炉倾动控制系统，AOD炉倾动时倾动设备给予的倾动力矩可分成两部分，一部分是对炉体的倾动，另一部分是对炉液的倾动。

为了实现上述目的，本发明采用技术方案是：一种AOD炉倾动控制系统，包括PLC系统、变频器、氧枪升降装置、档渣板装置；

PLC系统包括PLC、位置控制器、压力控制器、流量控制器；

氧枪升降装置包括电动机、联轴器、减速器、温度传感器，速度传感器，流量传感器，位置传感器；

档渣板装置包括挡渣板、压力变送器；

采用半闭环矢量控制的控制方式；PLC和扩展模块连接共同控制变频器，PLC的输出端口一连接变频器引脚一，PLC的输出端口二连接变频器引脚二，PLC的输出端口三连接控制中间继电器，实现对电磁抱闸的控制，PLC的输入端口分别连接氧枪升降装置的输出端口和挡渣板装置的输出端口，PLC的输入端口一连接温度传感器，实现温度信号的输入，PLC的输入端口二和PLC的输入端口三连接速度传感器，实现出铁水信号和进铁水信号的输入，PLC的输入端口四连接复位按钮，PLC的输入端口五连接流量传感器，实现扒渣信号的输入，PLC的输入端口六连接位置传感器，实现氧枪提升信号的输入，PLC的输入端口七连接压力变送器，实现档渣板就位信号的输入，PLC的输入端口八连接编码器，其中PLC与中间继电器相连，当炉体倾斜到位时PLC将通过控制中间继电器来切断变频器的电源，同时启动电磁抱闸；

PLC系统通过与氧枪升降装置，挡渣板装置的协同合作，完成测温、出铁水、进铁水、复位、扒渣环节的倾动任务；

氧枪升降装置、挡渣板升降装置连同倾动系统都属于整个铁合金冶炼DCS中的同级子系统，倾动子系统通过RS485与上位机进行实时通信；

AOD炉倾动时倾动设备给予的倾动力矩可分配成两部分，一部分是对炉体的倾动，另一部分是对炉液的倾动，具体计算时实行分步分析，然后再集中叠加的方法，其步骤为:

(1)计算炉体(包括炉壳、永久隔热层、耐火砖层、炉底填充料等组成部分)的重心,并以此求出各个角度下的倾动力矩；

(2)求取冶炼m吨铁水时不同转角位置下液体的重心,并计算各个转角炉位下的倾动力矩；

(3)对炉体倾动力矩和铁水倾动力矩进行叠加计算,由此得出使炉体倾动的最大倾动力矩。

优选的，AOD炉的倾动力矩的包括两部分，即空炉部分和铁水部分。

优选的，流量传感器为LUGB-99，压力变送器为PMC71，位置和速度控制的传感器为ROQ425。

优选的，PLC的输出端口一为Q0.0，PLC的输出端口二为Q0.1，PLC的输出端口三为Q0.2。

优选的，PLC的输入端口一为I0.0，PLC的输入端口二为I0.1，PLC的输入端口三为I0.2，PLC的输入端口四为I0.3，PLC的输入端口五为I0.4，PLC的输入端口六为I0.5，PLC的输入端口七为I0.6，PLC的输入端口八为I0.7。

优选的，PLC为S7-200系列的CPU222。

优选的，变频器为MM440。

优选的，电机为37.3kw的交流异步电机。

优选的，半闭环控制方式中位置检测传感器同电机的轴相连。

优选的，半闭环控制系统中反馈信号为电机的转速和转角信号。

优选的，扩展模块为EM232。

所选的，半闭环控制方式中位置检测传感器同电机的轴相连。

所选的，PLC系统通过与氧枪升降系统，挡渣板系统的协同合作，完成测温、出铁水、进铁水、复位、扒渣环节的倾动任务。

所选的，氧枪升降系统，挡渣板升降系统连同倾动系统都属于整个铁合金冶炼DCS中的同级子系统，倾动子系统通过RS485与上位机进行实时通信。

本发明炉体倾动控制系统的设计与实现，提高了生产效率，炉体的倾动时间要尽量缩短，同时位置控制的稳态精度得到了提高。

附图说明

图1为倾动系统主电路接线路；

图2为倾动控制系统接线图；

图3为倾动系统PLC与编码器连接电路图；

图4为PLC倾动系统半闭环控制结构框图；

图5为PLC倾角系统位控器调节原理图；

图6为倾动系统速度给定曲线与位置偏差曲线图；

图7为倾动系统主程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

AOD炉的最大倾动力矩决定了电机容量的选择，AOD炉的最大倾动力矩与炉型及耳轴位置有关，AOD炉倾动过程中，钢水在不断的改变位置，倾动力矩随倾动角度而不断变化，对于炉役后期的炉型，由于炉衬受到钢水的侵蚀剥落，使炉型发生改变，重心位置也发生相应的改变，AOD炉倾动时倾动设备的倾动力矩可分配成两部分，一部分是对炉体的倾动，另一部分是对炉液的倾动。

由于炉体是固态的，其重心位置固定，重心的求取可严格按照图纸通过AUTOCAD画图软件对各组成部分进行三维实体建模，通过查询实体特性的办法，便可直接获得各组成部分的体积及重心坐标，将各组成部分按照装配关系组合在一起,再次通过查询实体特性即得到空炉重心坐标，通过计算可以获取空炉的总质量，相应的空炉倾动力矩也只随炉体倾动角度的变化而变化,可利用力矩计算公式计算出空炉倾动力矩。

铁水体积形状是随炉体倾动角度的不同而不断变化的，因此其重心也在变化，这给倾动力矩计算带来了复杂性，在每个转角位置上测出每一角度下的铁水液面，截取相同的体积，得到不同转角下的钢水体积形状，在所定计算程序中查询模型的体积特性以此获取质心位置及转动力臂，再求取铁水的倾动力矩。设铁水的重力为G_2θ，铁水的重力臂为L_2θ,铁水的倾动力矩为M_2θ，则M_2θ＝G_2θ*L_2θ，进而得出总倾动力矩最大值。

AOD炉倾动系统的硬件电路主要包括两部分，即主电路的设计和控制线路的设计。主电路主要是完成三相电源，变频器，电机以及电磁抱闸之间的连接；控制电路主要是实现PLC与变频器，各种指令器件，以及编码器的连接。

该AOD炉倾动控制系统包括PLC系统、变频器、电机、氧枪升降系统、档板渣系统，采用半闭环矢量控制的控制方式，所述PLC系统包括位置传感器、压力变送器、流量传感器；所述PLC系统通过与氧枪升降系统，挡渣板系统的协同合作，完成测温、出铁水、进铁水、复位、扒渣环节的倾动任务；所述氧枪升降系统，挡渣板升降系统连同倾动系统都属于整个铁合金冶炼DCS中的同级子系统，倾动子系统通过RS485与上位机进行实时通信，本发明炉体倾动控制系统的设计与实现，提高了生产效率，炉体的倾动时间要尽量缩短，同时位置控制的稳态精度得到了提高。

该AOD炉倾动控制系统，包括PLC系统、变频器、氧枪升降装置、档渣板装置；PLC系统包括PLC、位置控制器、压力控制器、流量控制器；氧枪升降装置包括电动机、联轴器、减速器、温度传感器，速度传感器，流量传感器，位置传感器；档渣板装置包括挡渣板、压力变送器；采用半闭环矢量控制的控制方式；PLC和扩展模块连接共同控制变频器，PLC的输出端口一连接变频器引脚一，PLC的输出端口二连接变频器引脚二，PLC的输出端口三连接控制中间继电器，实现对电磁抱闸的控制，PLC的输入端口分别连接氧枪升降装置的输出端口和挡渣板装置的输出端口，PLC的输入端口一连接温度传感器，实现温度信号的输入，PLC的输入端口二和PLC的输入端口三连接速度传感器，实现出铁水信号和进铁水信号的输入，PLC的输入端口四连接复位按钮，PLC的输入端口五连接流量传感器，实现扒渣信号的输入，PLC的输入端口六连接位置传感器，实现氧枪提升信号的输入，PLC的输入端口七连接压力变送器，实现档渣板就位信号的输入，PLC的输入端口八连接编码器，其中PLC与中间继电器相连，当炉体倾斜到位时PLC将通过控制中间继电器来切断变频器的电源，同时启动电磁抱闸；PLC系统通过与氧枪升降装置，挡渣板装置的协同合作，完成测温、出铁水、进铁水、复位、扒渣环节的倾动任务；氧枪升降装置、挡渣板升降装置连同倾动系统都属于整个铁合金冶炼DCS中的同级子系统，倾动子系统通过RS485与上位机进行实时通信；AOD炉倾动时倾动设备给予的倾动力矩可分配成两部分，一部分是对炉体的倾动，另一部分是对炉液的倾动，具体计算时实行分步分析，然后再集中叠加的方法，其步骤为:

(1)计算炉体(包括炉壳、永久隔热层、耐火砖层、炉底填充料等组成部分)的重心,并以此求出各个角度下的倾动力矩；

(2)求取冶炼m吨铁水时不同转角位置下液体的重心,并计算各个转角炉位下的倾动力矩；

(3)对炉体倾动力矩和铁水倾动力矩进行叠加计算,由此得出使炉体倾动的最大倾动力矩。。

优选的，AOD炉的倾动力矩的包括两部分，即空炉部分和铁水部分。优选的，流量传感器为LUGB-99，压力变送器为PMC71，位置和速度控制的传感器为ROQ425。优选的，PLC的输出端口一为Q0.0，PLC的输出端口二为Q0.1，PLC的输出端口三为Q0.2。优选的，PLC的输入端口一为I0.0，PLC的输入端口二为I0.1，PLC的输入端口三为I0.2，PLC的输入端口四为I0.3，PLC的输入端口五为I0.4，PLC的输入端口六为I0.5，PLC的输入端口七为I0.6，PLC的输入端口八为I0.7。

优选的，PLC为S7-200系列的CPU222。优选的，变频器为MM440。优选的，电机为37.3kw的交流异步电机。优选的，半闭环控制方式中位置检测传感器同电机的轴相连。优选的，半闭环控制系统中反馈信号为电机的转速和转角信号。优选的，扩展模块为EM232。所选的，半闭环控制方式中位置检测传感器同电机的轴相连。所选的，PLC系统通过与氧枪升降系统，挡渣板系统的协同合作，完成测温、出铁水、进铁水、复位、扒渣环节的倾动任务。

所选的，氧枪升降系统，挡渣板升降系统连同倾动系统都属于整个铁合金冶炼DCS中的同级子系统，倾动子系统通过RS485与上位机进行实时通信。

如图1系统主电路接线路，包括熔断器FU101，电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开，对电机实现过流保护。

交流接触器主触点102，当101闭合时，电流在规定范围之内，触点闭合连接变频器，实现电路的分合控制。

MM440变频器103，采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管IGBT作为功率输出器件，对电机进行控制。

热继电器104，当电机过载时，对电机实现过载保护。

三相异步电机105，电路中的拖动电机在指令器件的控制下以不同的转速正反转从而实现进铁水，出铁水，测温，取样，扒渣等环节的倾动要求。

交流接触器KM2 106，控制电磁抱闸的线圈，电磁抱闸在适当的时候对电机进行制动。

如图2倾动控制接线路中CPU222与模拟量扩展模块EM232共同实现对变频器MM440的控制，CPU222需要的24V电源用开关电源来实现，MM440工作于矢量控制方式，其实现速度内环的控制，CPU222主要的功能是实现位置控制器的功能，除此之外整个AOD炉倾动系统的其他控制指令信号的获取要都要通过CPU222来实现。

CPU222的I/O地址分配如下：

I0.0——测温；

I0.1——出铁水；

I0.2——进铁水；

I0.3——复位；

I0.4——扒渣；

I0.5——氧枪提升完毕信号；

I0.6——当扎板就位信号；

I0.7——编码器输入接口；

Q0.0——DIN1(MM440)；

Q0.1——DIN2(MM440)；

Q0.2——控制中间继电器(实现对电磁抱闸的控制)；

当炉体倾斜到位时PLC将通过控制中间继电器来切断变频器的电源，同时启动电磁抱闸；接近开关防止炉体倾动时翻炉事故的发生，当炉体因为意外原因，有可能出现翻炉事故时，接近开关动作启动电磁抱闸，通过系统主接线和控制线路的设计完成AOD炉倾动系统的电气连接。

在AOD炉倾动硬件系统中，编码器ROQ425作为反馈元件，它实现位置，转速信号的检测，选用它的SSI信号输出模式，如图3所示，集成电路MAX485实现RS485信号与+5V数字信号的相互转，三极管实现+5V与24V信号之间的相互转换，这样CPU222就可以获取炉体的位置量了，对于转速信号的获取，利用对位置量求导数的办法来获取，得到炉体的转速和倾角信号。

AOD倾动控制系统是一个典型的APC控制系统，如图4所示半闭环控制系统进行位置检测和反馈的闭环控制系统。通过位置传感器的信号检测出电机轴的旋转角度即圈数，从而推导出当前执行机械的实际位置，但是，位置检测传感器同电机的轴相连，而不是装在执行机械上，位置控制只能到电机轴上为止，半闭环位置控制系统中，由于传动链非常简单，使传动链误差和非线性的误差大大的减少，它的闭环的非线性因素少，容易整定，还可以比较方便的通过补偿来提高位置控制精度，半闭环的结构使它的执行机械与电气自动控制部分相对独立，系统的通用性增强。

异步电动机的矢量变换控制是要把交流电机模拟成直流电机，这就要通过坐标变换的方法推导出异步电机在按转子磁场定向旋转坐标上的数学模型以及转矩控制方程式，设两相坐标d轴与三相坐标轴A轴的夹角为θ_s，而pθ_s＝ω_dqs为dq坐标系相对于定子的角速度，ω_dqr为dq坐标系相对于转子的角速度。要把三相静止坐标系上的电压方程，磁链方程和转矩方程都变换到两相旋转坐标系上来，可以先利用3/2变换将方程式中定子和转子的电压、电流、磁链和转矩都变换到两相静止坐标系αβ上，然后再用旋转变换阵C_2s/2r将这些变量变换到两相旋转坐标系dq上，因此，矢量控制主要由三部分组成:矢量控制方程，坐标变换，转子磁链相位角的确定。

如图5所示V_t为速度预设定时间变量，S_t为位置预设定时间变量，S_t＝0.00125*∫V_tdt；K_sp为比例放大器的放大系数；ω为输出转速。调节过程如下：控制器根据传动的机器参数预设定的位置和转速值，计算出速度时间特性曲线V_t和与之相关的S_t。在每一周期的开始时的速度值V_t预设定到传动装置上进行速度预控制。同时反馈回来的实际值S_f与S_t进行比较，得出当时偏差值ΔS，此偏差值乘以比例系数K_sp得到V_k叠加在V_t上得出ASR应具有的速度控制信号。

如图6所示0～t₁为加速起动段，其加速率为a_m；t₁～t₂为最高速度运转段，其速度为V_m；t₂～t₃为减速制动段，减速率为a_m；t₃时刻为调整机械速度为零的时刻，在此刻撤掉电机电源，同时起动电磁抱闸。

定位过程如下：

S′_t＝∫V_tdt

1)0≤t≤t₁

因为V_t＝a_mt

所以

2)t₁＜t≤t₂

因为V_t＝V_m

所以

3)t₂＜t≤t₃

因为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即为AOD炉炉体在时间0到t₃内所旋转的角度。

如图7所示PLC系统通过与氧枪升降系统，挡渣板系统的协同合作，完成测温、出铁水、进铁水、复位、扒渣环节的倾动任务，氧枪升降系统，挡渣板升降系统连同倾动系统都属于整个铁合金冶炼DCS中的同级子系统，倾动子系统通过RS485与上位机进行实时通信，开始程序，按钮开关是否按下，若未按下，返回开始，若按下，判断复位按钮时候按下，若按下，进入复位APC程序，若未按下，向上位机发出提升氧信号，接着判断出水按钮是否按下，若未按下，进入APC控制程序，若按下，向上位机发下降挡渣板信号，进入APC控制程序，接着判断倾动是否到位，若未到位，进入进入APC控制程序，若到位，切断变频器电源，控制电磁抱闸，结束控制。

按照上述实施例，便可很好地实现发明。

显然本发明具体实现并不受上述方式限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。