西门子6ES7231-0HF22-0XA0千万库存
三相鼠笼式异步电动机存在启动电流大、启动转矩不大的缺点，只能用于空载或轻载启动。三相绕线式异步电动机可以通过滑环在转子绕组回路串入适当的电阻来限制启动电流，增大启动转矩。因此，重载启动要求启动转矩大的设备如桥式起重机、卷扬机、龙门吊车等生产机械常使用三相绕线式异步电动机。对启动控制频繁，启动转矩要求大的场所，一般采用三相绕线式异步电动机转子绕组串电阻启动控制系统。
传统的三相绕线式异步电动机转子绕组串电阻启动继电接触器控制系统存在以下缺点：继电接触器属硬器件，控制电路接线繁杂，元器件和接点多，触点易磨损，故障率高，控制功能改变不方便，通用性差，可靠性低。PLC控制系统能在一般高温、振动、冲击和粉尘恶劣环境中稳定有效地工作。采用PLC控制技术，系统体积小，故障率低，硬接线少维修方便，控制，可靠性高，抗干扰性强，可以有效tigao设备生产效率，延长设备使用周期。
1 继电接触器控制电路分析
图1为三相绕线式异步电动机转子串电阻启动控制电路图。为了限制启动电流，该电路用3个时间继电器KT1、KT2、KT3分别控制3个接触器KM1、KM2、KM3按顺序依次吸合，自动切除转子绕组中的三级电阻。启动时，合上电源开关QS，按下按钮SB1，接触器KM吸合，串入全部电阻（R1+R2+R3）启动；在启动3s后，接触器KM1主触头闭合，切除组电阻R1，剩下电阻（R2+R3）；经过1s后，接触器KM2主触头闭合，切除第二组电阻R2，剩下电阻R3；再过1s后，接触器KM3主触头闭合，切除第三组电阻R3，转子串接电阻全部切除，电动机M启动完毕，正常工作。
KM1、KM2和KM3 3个常闭辅助触头与启动按钮SB1串接的作用是保证电动机在转子绕组中接入全部启动电阻的条件下才能启动，如果接触器KM1、KM2、KM3中任何一个触头因熔焊或机械故障没有释放恢复闭合时，电动机M就不能接通电源直接启动。
2 PLC的选型、I/O地址分配和输入输出接线图
2．1 PLC的I/O地址分配
采用PLC改造三相绕线式异步电动机转子串电阻启动继电接触器控制系统，PLC的输入信号主要有2个：启动按钮SB1和停止按钮SB2。输出信号主要有4个：主接触器KM控制三相绕线式电动机M接通三相电源运行，接触器KM1用于控制组电阻R1的切除，接触器KM2用于控制第二组电阻R2的切除，接触器KM3用于控制第三组电阻R3的切除。3个时间继电器功能可以用PLC内部定时器实现。根据控制要求，对PLC的输入量、输出量进行分配，PLC的I/O地址分配情况如表1所示。
表1 I/O地址分配表
2．2 PLC的选型
对三相绕线式异步电动机转子串电阻启动继电接触器控制进行PLC控制改造，输入元件为2个，输出元件4个，可选择采用日本三菱公司FX系列FX2N-16MR型号的PLC，I/O总数为16，每条指令的执行时间为12μs。输入点数为8个，对应的输入继电器地址编号为X000~X007；输出点数为8个，对应的地址编号为Y000~Y007；定时器200点100ms，T0-T199。
2．3 PLC的输入输出接线图
图2所示为三相绕线式异步电动机转子串电阻启动PLC控制输入输出接线图。
3 设计PLC控制程序
3．1 PLC梯形图
用PLC改造三相绕线式异步电动机转子串电阻启动继电接触器控制系统，根据原有的继电接触器电路图来设计梯形图是一条简便实用的办法。原有的绕线式异步电动机转子串电阻启动继电接触器控制电路经过长期使用和考验，已经证明能完成系统要求的各种功能。继电接触器控制电路图和PLC程序控制梯形图有许多相似的地方，按照梯形图语言设计规定和对应关系可以将继电接触器电路图方便地“翻译”成梯形图控制程序，用PLC的外部硬接线和梯形图软件来实现继电接触器电路图的控制功能。
图3所示三相绕线式异步电动机转子串电阻启动控制PLC梯形图使用的是内部继电器、定时器等，都是由软件来实现的，使用方便，修改灵活，是原继电接触器控制线路硬接线无法比拟的。
3.3 工作过程分析
（1）启动：按启动按钮SB1，输入继电器X001接通动合触点闭合，输出继电器Y000接通，接触器KM线圈得电，主触头闭合接通三相电源，绕线式异步电动机转子串电阻（R1+R2+R3）启动，同时定时器T1线圈得电,开始延时,时间设定为3s。
（2）3s后，定时器T1常开触点闭合,输出继电器Y001接通，接触器KM1吸合，主触头闭合，切除组电阻R1，电动机串接（R2+R3）电阻继承启动，同时定时器线圈T2得电,时间设定为1s。
（3）1s后，定时器T2常开触点闭合,输出继电器Y002接通，接触器KM2吸合，主触头闭合，切除第二组电阻R2，电动机串接R3电阻继承启动，同时定时器线圈T3得电,时间设定为1s。
（4）1s后，定时器T3常开触点闭合,输出继电器Y003接通，接触器KM3吸合，主触头闭合，切除第三组电阻R3，同时Y003常闭触头断开，定时器线圈T1、T2、T3和输出继电器Y1、Y2失电。累计启动5s，三相绕线式异步电动机转子所串3组电阻全部切除，电动机M结束启动状态，进入正常运行状态。
（5）停车：按停止按钮SB2，输出继电器Y000失电，接触器KM失电，主触头断开，电动机作自由停车运行。输出继电器线圈Y000失电，常开触点Y000复位，输出继电器Y003失电，常开触点Y003复位，3组电阻（R1+R2+R3）恢复与三相绕线式异步电动机转子串接，为下次启动做好准备。
（6）过载保护：当电动机过载时，热过载保护继电器FR的动断触点断开，接触器KM、KM1、KM2、KM3均断电，电动机M也停车。
（7）把输出继电器Y001、Y002和Y003 3个常闭触点与输入继电器X001常开触点串联，如果输出继电器Y001、Y002和Y003线圈得电，接触器KM1、KM2、KM3中任何一个触头没有释放恢复闭合时，按下启动按钮SB1，输出继电器Y000和接触器KM线圈不能得电，KM主触头不能闭合，电动机M就不能接通电源直接启动，保证了三相绕线式电动机只有在转子绕组中接入全部启动电阻（R1+R2+R3）的条件下才能启动。
0 引 言
钛渣电炉借助于电极通过大电流，以电阻热和电弧热的形式加热物料完成冶炼。从电炉的功率曲线可知，不同电弧电流对应不同的电弧功率，当弧流超过有利的调节电流时，输入炉内的功率并不会因为电流的增加而增大，反而线路上的电耗将增大，难以获得目标中的经济效益，同时可能损坏炉衬，加大电极的消耗量。如何将电流控制在一个合理范围，并可靠地控制，使其达到既保护设备安全又具有可观经济收益，是电炉实现控制的目标。
在攀钢钛业公司钛渣厂，25.5MVA钛渣电炉（国内大的钛渣电炉）采用控制液压系统电磁阀得电时间，来实现电极升降动作从而达到对单相电极熔炼过程的恒流控制。为达到炉内电极三相功率平衡，在以电流为主进行控制的同时辅以二次电压的调节，来保证输入炉内的三相功率在一定范围内达到平衡。
在钛渣冶炼工艺中，使用西门子S7-400 PLC对电极调节过程进行控制能够保证设备可靠、准确运行，完全能满足钛渣冶炼过程电极控制要求。
1 电极电流控制工艺要求及控制原理说明
常规的电极升降控制，被控量计算取决于电极升降调节方式，有阻抗控制、功率控制和电流控制。而钛渣冶炼是按功率曲线的设定和优化进行控制。
一个完整的工作过程是系统投运前，自动检查各设备运行状态，使其置于设定的初始位置，并由PLC系统发出确认指令，电极的升降控制由预先输入到PLC的功率曲线来完成。
在钛渣冶炼过程中由于同时存在电阻炉和电弧炉的工作过程，所以我们应按2个阶段来考虑。在埋弧时，电极下部埋在炉料中，其加热来自电极和炉料之间的电弧热，但主要是电流通过炉料时产生的炉料电阻热，此时负荷量很小，电流从零逐渐上升，电流变化快，功率因数高，三相负荷电流控制较难实现。当炉料逐渐熔化，熔体的导电性增加，电阻值下降，明弧放电现象更加明显，常易出现塌料翻渣现象，此时须快速tisheng电极，以防短路。炉料完全熔化后，电极根据设定参数与炉料保持一定高度，该过程通过调节电极的升降，控制电极电流和相电压的变化，使电极功率按给定曲线运行。相对于整个工艺过程，此阶段进入冶炼“平稳区”，同时，电极与时间及炉内熔体中的FeO含量一起作为控制终点的辅助控制。在冶炼终点钛渣出炉时，电极随熔体液面下降，保持一定的电流电压值，当出渣时间接近设定值，切断电炉供电电源。一个冶炼周期完成，电炉按预设程序恢复到开炉前状态。
因冶炼工艺的特点，对炉子的控制和运行要采取相应的保护措施，主要有短路保护和断电极保护。系统设有优先级：单相手动、三相手动、短路或断电极时快速tisheng。设定点的计算和给定在上位机完成。
短路保护：监控高压侧相电流，当其超过一预设大值时，电极上升。如翻渣时，电流成倍增大，计算机输出电信号给液压系统，迅速给大力缸供液，在5s内使电极达到2.5~3m/min的速度迅速tisheng,并使电流下降,甚至为零。如电流值仍不下降，则延时T秒后系统供电系统自动切断。
断电极保护：在起弧阶段，当出现三电极不同时与物料接触时，若仍采用正常调节方式，将因设定值和实际值之间偏差使电极下降，导致电极折断。因此对这种情况采用“电压-电流”控制方式，当单个电极与炉料接触时，虽电流为零，但弧压也为零，该相输出为零，电极停止下插。
在冶炼中，我们期望以小的输入功率换取佳冶炼效果，但在冶炼过程中，电极电流和电压的变化与炉料反应及炉况息息相关。因此要实现恒电流控制首先就要找出一个参照系来做被控参数。考虑到冶炼工艺与化工控制中精细性的区别，在本方案中恒流控制的参照系是在PLC中输入的一条设定功率曲线，它按时间段设定电极电流的大小，在一个冶炼周期中的不同冶炼时间，对电极电流设定值加以调整。
电炉变压器高压侧如A相电流互感器检测到A相电流变化，通过电流变送器转化成4~20mA的电信号。电压信号经I/O卡板整形滤波，并与设定值比较、运算及放大处理后，去控制液压系统的电磁阀，由电磁阀控制液压换向阀导通时间，从而升降液压缸以改变电极位置，终达到控制电流的目的，原理图见图1。做为电炉本体的控制，炉体温度、炉内压力、变压器极数也是必须要检测控制的。
用PLC装置实现电极控制主要由硬件和软件2部分组成。
2 硬件组成
钛渣控制系统硬件组成如图2所示。根据现场控制点数、控制的jingque性，电炉控制系统采用SIEMENS公司的S7-400系列控制器。控制系统主要由S7414-1和S7414-2组成，并配有2套西门子工控机做为上位机，1台做操作员站，1台通过权限设置平时做操作员站，修改程序时做工程师站。S7414-1主要完成电炉电极的升降控制、压放控制，热参数控制及电炉本体数据的采集、计算及控制等；S7414-2主要完成原料称量输送数据的采集、计算及控制。2台主控制器与其远程I/O模块之间通过Profibus-DP通信实现数据的交换与共享。S7414-1及S7414-2控制器与上位机之间通过工业以太网通信，2台上位机互为冗余。计算机操作站主要完成对电炉系统的运行状态监控，通过网络总线采集电极升降、电炉本体等各种模拟量、开关量信号，并在操作站实时显示工艺过程动态画面、设备运行状态及故障报警等信息。
引言
安钢100t转炉2004年3月26日投产，年设计生产能力120万t，面对生产任务及工艺的要求，此转炉存在的问题在生产中逐渐暴露出来。经过控制系统硬件上的改造和软件上的优化控制、功能完善和补充，其稳定性和实行性都比以前要更先进一步，并且设备维护也更加简单方便。
1 电气自动化控制系统的组成及原理
1.1 转炉本体控制系统设备组成
转炉系统由6台S7-400 PLC组成主干环网，使用CP443-1模板、4台OSM、光纤与双绞线等设备，建立工业以太网网络；6台PLC分别为复吹、氧枪倾动、汽化系统、上料系统、投料系统和二次除尘系统。
操作员站、工程师站、OPC服务器等计算机通过以太网卡、CP1613等连接至OSM上，安装有STEP7、WINCC等软件。
现场总线为Profibus-DP网络，由PLC Dp口（CPU 416-2 DP）、CP443-5 Ext、图尔克远程站模板构建.6个系统有各自的DP网络，远程站为各现场操作箱、接线箱、变频器等。远程站数目少的为2处，多的为氧枪倾动系统，有,3路Profibus-DP总线，共计三十余处远程站。
控制系统设备组成如图1所示。
1.2电气控制系统的主要功能
1.2.1氧枪倾动系统
炉体倾动功能完成：由PLC控制4台变频器驱动4台75kW交流笼型电机，通过减速机，使转炉可以360°旋转；电动机端部均装有测速编码器，反馈转速给变频器，构成闭环控制；为保证4台电机转矩同步，4台变频器组成SIMObbbb环，由一号或二号为主；4台电机平时全部投用，但允许使用3台工作，这样当一台设备有故障时，生产不受影响；4台抱闸液压推杆装置由变频器控制打开，保证制动功能可靠；转炉耳轴处装有角度编码器，实时给出炉体角度，其值可通过0°机械限位来校正。
氧枪有横移和升降运动功能。氧枪的高度检测与控制是转炉设备的核心，有3套装置：编码器、凸轮开关和机械限位。凸轮开关使用不便，每次换绳都需调整，而调整过程又比较繁杂，所以通常使用编码器控制，它不仅可靠、使用方便，还能给出连续量变化的高度值。氧枪编码器使用图尔克的终端设备，作为一个远程站在DP网上，在STEP7程序中设计，可使用机械限位对其进行校正。氧枪升降电机为一台75kW交流电机，由一台西门子变频器驱动，同样装有测速编码器，氧枪升降电机的抱闸控制更严格，必须给出预转矩后才能打开。
1.2.2顶底复吹系统
此系统PLC（远程站）有大量模拟量模板，检测各气体、液体liuliang压力等，给出正常信号。收到倾动PLC给出的生产指令后，打开相应阀门。顶吹即为氧枪的气体阀门、水阀门等的控制；底吹是指炉底接有6个支管，吹出氩气或氮气保证冶炼时充分搅拌。
1.2.3汽化系统、除尘系统
转炉冶炼时产生大量烟气，由汽化除尘系统设备除去，包括一文、二文、汽包、除氧器等。6台供水泵和循环泵使用有2台西门子变频器、4台软启动设备，阀门使用常规电气控制。终端为6kV一次风机两台一用一备。二次除尘系统与汽化系统不同的是，它主要除去来自上料、投料、炉口等处的灰尘，没有有害气体，有一台2000kW风机，有布袋除尘器设备。
1.3网络组成
交换机使用西门子产品OSM TP62，可以连接6个以太网口，2个光纤口，光纤连接可达3000m，可以监视网络状态并输出报警。以太环网含有50个OSM，当冗余管理器检测到两侧网络断线时，它重建网络结构的时间不大于0.3s。使用交换机的port7和port8两个光纤口，连接成环网，同时把某一个OSM设置为冗余管理器，实现冗余控制。
PLC机架上使用CP443-1模板。CP443-1模板是siemens s7-400 PLC 连接工业以太网的模板，支持多种协议的通信，工作稳定可靠，可多连接48个s7或64个TCP。
在各个Profibus-DP网络，PLC为主站，从站为远程IO站操作箱、变频器、编码器等等。设计原则是充分利用分布式现场总线网络灵活、方便、节约资金的优点，同时尽量避免其缺点（网络通信故障易导致相当多一部分设备不能工作）。
1.4 HMI系统与OPC服务器
一级自动化级的HMI为5台工业PC机，工控机上使用CP1613或普通以太网卡，安装WINCC监控软件。操作人员通过画面输入有关工艺操作数据，向PLC下达控制命令。另外，HMI通过PLC可采集生产过程中的各种检测数据，并以数据文件或生产流程图等形式在CRT上显示，用于监视生产过程和设备运行状态，还可对生产过程中的数据进行报表打印和事故报警打印，并存储主要工艺参数的历史趋势图。
Opc服务器安装有simatic net软件，通过网络读取PLC中变量信息，再用VC做成第三方软件实现监控和报表功能的功能，完成物流跟踪。可同时安装另一块网卡连接办公网，实现生产信息的发布与交换。
2主要存在问题及改进优化措施
（1）现场总线通信系统的改造。
主PLC机架上增加CP443-5模板,优化、分散所带通信节点，或把关键站点如摇炉操作台、倾动变频器、编码器等单独列出，以达到保证关键设备可靠使用的目的。新增CP443-5模板所带通信节点为地面车辆操作台、变频器和倾动编码器。原兑铁操作台从路分离出，编入第二路，这样第二路节点只有6台关键变频器和1个摇炉台，能够保证可靠使用。优化后的通信线路如下：
1路：PLC-5（CPU416-2DP）—出钢操作台（7）—炉后门操作（11）—出渣操作台（6）—主操作台（4）—卷帘门操作（12）—炉前门操作（10）—横移小车操作（14）—锁定缸操作（15）—2#氧枪操作箱（9）—2#氧枪编码器（17）—1#氧枪操作箱（8）—1#氧枪编码器（16）。
2路：CP443-5—1#倾动变频器—2#倾动变频器—3#倾动变频器—4#倾动变频器—1#氧枪变频器—2#氧枪变频器—兑铁水操作台（5）。
3路：右侧CP443-5—（2#氧枪变频柜内接头）—倾动编码器—钢包车变频器—出渣车9CT（61）—钢包车1CT（67）—出渣车7CT（63）—出渣车8CT（62）—钢包车2CT（68）
这样改造的优点：保证主体设备的运行；大大的节约故障排除时间；缩短DP通信线路，有利于信号的传送。
（2）转炉各皮带及加料除尘阀门站通信网络配置改造及优化措施。
转炉二次除尘在辅原料系统、铁合金系统共16个料仓安装有16个除尘阀门，在现场分布8个操作箱，使用了8个远程站，不但站点多、线路长，占用模板通道多，还有可能影响网络前段加料系统正常工作。在生产初期，为了保证正常生产，此部分动作功能没有投用，为满足除尘效果，现场阀门处于常开状态，风机负载加大，电耗居高不下。为此，对整个除尘系统进行了电气控制改造。
首先把现场8个控制箱简化为2个，在现场辅料、合金料处各保留一个电控箱。在控制箱内使用统一的远程/就地切换按钮，把其余操作按钮、指示灯等全部去掉，操作直接通过现场限位点经由PLC通信来完成，在远程站模板上只保留必须的阀门限位点，这样节省了大量I/O通道，原来的多个操作箱得以大简化。另外，在PLC程序中修改控制功能，设定为完全自动控制，整个除尘系统无需人员操作，当上料车到某个料仓，而且皮带运行确实加料时，其除尘阀门自动打开，而其余15个不用的除尘阀门全部关闭，这样，不但大大tigao了风道压力，tisheng了除尘效果，还大大降低了二次风机2500kW电机的动力电耗。
（3）转炉氧枪tisheng事故系统的改造。
转炉氧枪tisheng系统抱闸原设计为单个液压抱闸，在使用过程中易出现因液压抱闸磨损或调整不到位等因素而引发的下滑溜枪现象。改造方案是增加一套液压抱闸，但控制系统仍由原来的控制系统完成，这样动作同步并且安全可靠。增加一套事故tisheng系统，即在主电机或氧枪变频器及速度编码器出现故障导致氧枪不能tisheng或溜枪时，生产工可通过开启事故电机来tisheng氧枪，从而能够保证顺利更换氧枪小车，并且通过事故操作联锁切断氧枪变频器电源，完全避免了恶性事故的发生。此项改造A、B氧枪主要增加设备有：西门子UPS电源控制柜一套；电池柜一套；事故电机（带电磁抱闸）每枪一台。
（4）转炉底吹系统的改造。
底吹系统是炼钢的关键设备，主要由氮气和氩气2个切断阀及6个支管调节阀及自动设定组成。原设计是根据 炼钢时间段不同，2个切断阀按PLC程序设定自动打开关闭。随着所炼钢种的增多，这种单一的自动控制模式，不能满足生产工艺的要求，易造成支管堵塞，影响底吹效果，而且氩气浪费相当严重，与低成本运行不符。原系统缺点：氮气氩气切换时间不能控制，固定为吹炼10min后切换，而且在整个搅拌过程中氮气和氩气气体liuliang设置单一，造成适合的钢种比较单一，而且气体不能充分利用。从PLC程序上入手，重新编写程序，共分4套自动控制模式（A、B、C、D）,操作工可根据钢种分类及冶炼时间段自动选择其中一种模式.
改造完毕后，4种模式对应气体切换的不同时间，A模式为开始吹炼5min后由吹氮气切换为吹氩气，B、C模式分别对应8min和10min切换，而D模式为冶炼期间全程吹氩。不管哪一种模式，在兑铁、倒渣、出钢摇炉期间均使用低liuliang吹氮，保护气体管路；在冶炼的期间，吹气liuliang依照吹炼时间不同进行调节，通过与工艺人员的配合、实践，确定分别为每分吹气80m3、50 m3、40 m3；对应炉底的6个不同支管，根据位置的不同，对liuliang要求进行了优化，对炉底中间的3、4号透气管liuliang适当开大。
达到的效果：工艺方能够根据钢种不同灵活选择合适的liuliang设定值与切换时间，在冶炼调铝钢种时还可以全程吹氩，能够发挥顶底复吹转炉的设备优势。这样不仅方便了操作，而且大大降低了低压氮气和氩气的气体消耗，减少了钢水中氮的含量，大大tigao了钢水质量。
（5）氮气密封装置的控制改造。
转炉氮封系统分为两大部分，即炉口活动烟罩氮封系统和转炉加料斗及溜管氮封系统。氮气密封装置主要设备为氮气气动切断阀，在转炉冶炼过程中，氮气气动切断阀始终处于打开状态，连续向加料管中吹入氮气。转炉吹氧枪的氧气切断阀与氮气气动切断阀联锁，活动烟罩氮封在冶炼时常开，liuliang2000 m3/h。加料系统氮封包括3个氮气管路，其中的2个用于加料斗密封，在加料斗打开时氮气阀门打开，防止散装料粉末飘散，防止冶炼时炼钢产生的烟、火上升损坏设备；较大的,1个氮气管路与阀门用于加料斗下部和2个加料溜管的冷却密封，在整个冶炼期间必须保证效果，否则必然损坏溜管。系统工作时氮气liuliang达6000 m3/h，全天24h工作，耗气量极大。
经工艺人员设备人员的反复推敲试验，将炉口活动烟罩氮封系统的管路整个改为压缩空气密封，大大节省了低压氮气消耗。对于加料系统氮封，由于其溜管必须保持干燥，不能改用压空，于是只能对电气联锁和气体liuliang进行反复试验与推敲。原阀门联锁为当氧阀打开时开氮封阀门，事实证明，在溅渣期间或是在炼钢间隙等待验样结果时，由于炉口朝上，烟气仍然上涌，容易导致设备损坏，在生产初期曾大量出现溜管和料斗液压缸损坏事故。将PLC程序修改为炉口向上是开氮封，但这样反而增加了氮气消耗，于是在此基础上，准备使用liuliang调节的方式。整个过程是在节约气体成本与保护设备、节约设备成本之间寻找佳平衡点，为了不增加设备成本，没有加装调节阀，对氮气管路进行了修改，使工作liuliang一步步降低到3000 m3/h，在节约大量气体成本的基础上完成设备保护功能，并且有效tigao了氮气的使用率，节能效益十分可观。
3 应用效果及前景
100t转炉电气控制系统经过一系列的改造后，生产效率tigao，大大降低了一线工人地劳动强度。一些操作画面的改造方便了操作，设计更加合理，对底吹及氮封系统的改进大大节约了氮气，tigao了各钢种的质量，为低成本生产创造了良好的设备基础。实践证明，该系统运行比较稳定, 使用效果非常良好,大大减少了转炉因设备故障而热停的次数和时间，保证了工序的通畅和衔接；不仅节约了备件资金，而且事故率的减少和备件消耗降低带来的经济效益显著。底吹系统、氮封系统的改造大大节约了能源，减低了消耗，tigao了钢水的质量
