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摘 要：转炉氧枪系统是转炉炼钢工序中的关键设备，氧枪系统的正常运行对安全生产及工艺技术指标至关重要。氧枪一旦坠落，在转炉内有钢水及事故应急处置不当的情况下会出现转炉爆炸等重大安全事故。某公司炼钢厂5#转炉氧枪在投产后不久发生一起坠枪事故，幸未造成损失。我们先后通过修改氧枪运行程序，将Active信号投入抱闸控制，检查增量型编码器及接线、变频器投入闭环控制及对谐波干扰进行处理，成功解决氧枪控制存在隐患问题，使5#炉氧枪多年来运行平稳，保持安全生产顺行。
关键词：Active；闭环控制；增量型编码器；谐波
1、氧枪电气控制系统简介
5#转炉系统采用罗克韦尔1756系列PLC自动控制。氧枪作为关键特种设备，一用一备，正常升降选用AB-700S-590A变频器控制一台315KW电机，氧枪安全联锁条件众多，电气控制复杂。
2、氧枪抱闸开、关控制
为防止出现溜钩现象，制动器打开时要求装置先建立足够的力矩用以在制动器打开的瞬间承受负载及吊具的重力。而在制动器关闭过程中，要求速度降至一定程度才能允许制动器抱闸，以减少由于高速抱闸对系统及闸片本身带来的冲击与破坏。
3、氧枪安全联锁保护
氧枪安全联锁保护分钢丝绳张力保护、自动提枪及条件满足允许降枪。
张力：氧枪钢丝绳张力≥7T不能提枪，氧枪钢丝绳张力≤2.5T不能降枪。经检查水、气、汽及张力均无异常，安全联锁正常。
4、Rockwell DriveTools软件监控、分析
坠枪时变频器未报故障，通过与南枪变频器参数比较，也未发现异常。随后我们打开Rockwell DriveTools软件，监控北枪变频器输入、输出电流、频率及变频器Active、抱闸开关时间等多个信号，通过反复试车，观察到存在两个问题：
（1）变频器为开环控制
从变频器有输入信号开始，到输出电流、频率，动态响应较差，尤其输出信号与输入信号预期存在误差，主要反映在电机低速区，即100 r/min时，随后检查变频器参数，发现变频器选为开环控制。
（2）Active信号持续时间长
从曲线图反映出当变频器输入信号停止给定，变频器减速至输出无频率、电流时，在10ms—8000ms时间内，Active信号持续为1，尤其升降动作快速转换频繁时，Active信号为1时间愈长。变频器启动， Active信号为1，切断变频器输入信号，变频器停止运行，内部检测、运算等工作结束，处于待机状态，Active信号为0.图为Rockwell DriveTools软件监控图形。
5、坠枪原因分析
氧槍速度设定为高速800r/min、低速300 r/min、点吹速度100 r/min，炼钢工艺专业要求，氧枪要有良好的动态响应速度及准确的速度反馈，尤其枪位在吹炼点以下时，每次操作均为点动，升降距离仅为100mm-200mm，对氧枪自动控制要求极高，氧枪调整枪位的速度将直接影响到吹炼周期。
结合前期调查，我们认为，点吹速度100 r/min，频率约为8HZ，n=60f/p；尤其此时操作均为点动，频率更低，仅为3-5HZ，电机转矩与频率成正比变化，电机转矩也随之减小。
6、坠枪事故预防整改措施
经以上检查分析，我们研究讨论后计划从三方面做以完善
（1）提高点吹转速
将电机点动速度由100 r/min，频率约3.5HZ，改为200 r/min，运行时频率约7HZ。
（2）将Active信號加入抱闸控制程序
Active信号作为变频器是否工作的重要参数，串入抱闸后，避免出现操作频繁快速切换带来的低频、低速、低转矩下的不稳定状态。
（3）将开环控制改为闭环控制
5#炉氧枪开闭环投切只需修改AB变频器222#参数为0即投入闭环。
以上三项措施完善后，氧枪运行平稳，通过监控Rockwell DriveTools软件，输入输出参数趋于平稳，动态响应良好。但随之出现一个新的问题，变频器频繁报编码器0丢失故障，尤其在停车时，几乎每天都报故障，对安全生产带来极大影响。查阅变频器说明书，存在三种情况：
a、丢失编码器
b、正交偏差
c、相位丢失
处理措施为：a、重新连接编码器或更换编码器
b、组态参数365（首选反馈丢失组态），参数366（备用反馈丢失组态），参数367（位置反馈丢失组态）
7、AB700S系列变频器闭环控制与开环控制
（1）闭环控制
要了解闭环控制，首先需要了解反馈原理。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的重要方式。闭环控制即输出信号反馈参与输入。氧枪升降变频器闭环控制就是把速度信号反馈到变频器的输入端，与设定值进行比较，然后调整给定频率的方法，这种控制比开环控制要精确。通过给定速度与实际的编码器检测速度进行比较；然后变频器内部进行自校正。氧枪实际速度与给定速度误差很小，几乎可以忽略，对安全生产、设备顺行起到良好保障。
（2）开环控制
开环控制即输出不参与输入调整、控制。仅靠操作工人为肉眼观察卷筒实际卷动距离与画面绝对值编码器反馈枪位高低来判断，对于氧枪速度、枪位有着较高要求的转炉吹炼显然无法满足需求。
同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，闭环控制具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。 （3）、AB700S系列變频器速度模式闭环控制
速度模式是指变频器以控制电机的转速为目的，此时电机的力矩必须为保持该速度而调整。所以控制系统中外环为速度环，内环为电流环。采用开环控制，则电机的转子速度是通过电压、电流及电机模型计算出来的，所以其速度精度差，所以开环速度控制只用在对低频速度和转矩响应不高的场合。闭环速度控制由于使用了编码器，速度、转子位置可以通过编码器直接测量，所以速度精度开环，但增加了编码器带来了故障点和成本增加，所以有些对精度要求不高的场合不使用闭环速度控制，反之则必须使用闭环速度控制。
8、增量型编码器
要实现闭环控制，最重要的元器件增量型编码器。5#转炉氧枪电机转速反馈至变频器采用天津宜科100P30-L4PR-1024增量型编码器。增量型编码器是氧枪实现闭环控制的首要设备，安装于电机伸出轴上，随电机运行同步转动。
增量型编码器控制线接至变频器TBI端子，选用5×2×1.0mm2双绞屏蔽电缆。更换编码器，问题未得到解决。
9、5#、6#转炉氧枪系统闭环差异化比较
5#、6#转炉先后于2010年4月、10月投产，氧枪系统虽自动化控制设计、施工单位不同，但均采用AB700S系列590A变频器，增量型编码器、电抗器、制动单元、制动电阻、电机等均为同厂家、同型号。6#转炉氧枪闭环控制自生產后一直投入，运行平稳无故障。排除编码器本身及编码器电缆故障后，我们对5#、6#转炉氧枪系统全面进行差异化比较，先后检查发现仅现场隔离柜至电机电缆存在差异。
10、变频器电缆敷设要求及干扰原因
变频器电缆敷设要求极高，主要有以下几点：
（1） 只能使用铜芯电缆，且绝缘厚度不能≤0.4mm.
（2） 当电缆敷设路径经过高温区域（≥75℃）时，应提高电缆防护等级。
（3）无论任何场合，应尽量避免使用很长的平行布线方式。
（4）当电机至变频器距离大于30米时，必须使用屏蔽电缆。
结论：5#转炉氧枪坠落后，我们进行持续观察、实验，分析出坠枪原因。通过修改氧枪点吹转速，将变频器激活信号Active串入抱闸控制，规范操作，并成功解决编码器信号干扰，将变频器由开环控制改为闭环控制，使氧枪设备保证本质安全。
关键词：Active；闭环控制；增量型编码器；谐波
1、氧枪电气控制系统简介
5#转炉系统采用罗克韦尔1756系列PLC自动控制。氧枪作为关键特种设备，一用一备，正常升降选用AB-700S-590A变频器控制一台315KW电机，氧枪安全联锁条件众多，电气控制复杂。
2、氧枪抱闸开、关控制
为防止出现溜钩现象，制动器打开时要求装置先建立足够的力矩用以在制动器打开的瞬间承受负载及吊具的重力。而在制动器关闭过程中，要求速度降至一定程度才能允许制动器抱闸，以减少由于高速抱闸对系统及闸片本身带来的冲击与破坏。
3、氧枪安全联锁保护
氧枪安全联锁保护分钢丝绳张力保护、自动提枪及条件满足允许降枪。
张力：氧枪钢丝绳张力≥7T不能提枪，氧枪钢丝绳张力≤2.5T不能降枪。经检查水、气、汽及张力均无异常，安全联锁正常。
4、Rockwell DriveTools软件监控、分析
坠枪时变频器未报故障，通过与南枪变频器参数比较，也未发现异常。随后我们打开Rockwell DriveTools软件，监控北枪变频器输入、输出电流、频率及变频器Active、抱闸开关时间等多个信号，通过反复试车，观察到存在两个问题：
（1）变频器为开环控制
从变频器有输入信号开始，到输出电流、频率，动态响应较差，尤其输出信号与输入信号预期存在误差，主要反映在电机低速区，即100 r/min时，随后检查变频器参数，发现变频器选为开环控制。
（2）Active信号持续时间长
从曲线图反映出当变频器输入信号停止给定，变频器减速至输出无频率、电流时，在10ms—8000ms时间内，Active信号持续为1，尤其升降动作快速转换频繁时，Active信号为1时间愈长。变频器启动， Active信号为1，切断变频器输入信号，变频器停止运行，内部检测、运算等工作结束，处于待机状态，Active信号为0.图为Rockwell DriveTools软件监控图形。
5、坠枪原因分析
氧槍速度设定为高速800r/min、低速300 r/min、点吹速度100 r/min，炼钢工艺专业要求，氧枪要有良好的动态响应速度及准确的速度反馈，尤其枪位在吹炼点以下时，每次操作均为点动，升降距离仅为100mm-200mm，对氧枪自动控制要求极高，氧枪调整枪位的速度将直接影响到吹炼周期。
结合前期调查，我们认为，点吹速度100 r/min，频率约为8HZ，n=60f/p；尤其此时操作均为点动，频率更低，仅为3-5HZ，电机转矩与频率成正比变化，电机转矩也随之减小。
6、坠枪事故预防整改措施
经以上检查分析，我们研究讨论后计划从三方面做以完善
（1）提高点吹转速
将电机点动速度由100 r/min，频率约3.5HZ，改为200 r/min，运行时频率约7HZ。
（2）将Active信號加入抱闸控制程序
Active信号作为变频器是否工作的重要参数，串入抱闸后，避免出现操作频繁快速切换带来的低频、低速、低转矩下的不稳定状态。
（3）将开环控制改为闭环控制
5#炉氧枪开闭环投切只需修改AB变频器222#参数为0即投入闭环。
以上三项措施完善后，氧枪运行平稳，通过监控Rockwell DriveTools软件，输入输出参数趋于平稳，动态响应良好。但随之出现一个新的问题，变频器频繁报编码器0丢失故障，尤其在停车时，几乎每天都报故障，对安全生产带来极大影响。查阅变频器说明书，存在三种情况：
a、丢失编码器
b、正交偏差
c、相位丢失
处理措施为：a、重新连接编码器或更换编码器
b、组态参数365（首选反馈丢失组态），参数366（备用反馈丢失组态），参数367（位置反馈丢失组态）
7、AB700S系列变频器闭环控制与开环控制
（1）闭环控制
要了解闭环控制，首先需要了解反馈原理。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的重要方式。闭环控制即输出信号反馈参与输入。氧枪升降变频器闭环控制就是把速度信号反馈到变频器的输入端，与设定值进行比较，然后调整给定频率的方法，这种控制比开环控制要精确。通过给定速度与实际的编码器检测速度进行比较；然后变频器内部进行自校正。氧枪实际速度与给定速度误差很小，几乎可以忽略，对安全生产、设备顺行起到良好保障。
（2）开环控制
开环控制即输出不参与输入调整、控制。仅靠操作工人为肉眼观察卷筒实际卷动距离与画面绝对值编码器反馈枪位高低来判断，对于氧枪速度、枪位有着较高要求的转炉吹炼显然无法满足需求。
同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，闭环控制具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。 （3）、AB700S系列變频器速度模式闭环控制
速度模式是指变频器以控制电机的转速为目的，此时电机的力矩必须为保持该速度而调整。所以控制系统中外环为速度环，内环为电流环。采用开环控制，则电机的转子速度是通过电压、电流及电机模型计算出来的，所以其速度精度差，所以开环速度控制只用在对低频速度和转矩响应不高的场合。闭环速度控制由于使用了编码器，速度、转子位置可以通过编码器直接测量，所以速度精度开环，但增加了编码器带来了故障点和成本增加，所以有些对精度要求不高的场合不使用闭环速度控制，反之则必须使用闭环速度控制。
8、增量型编码器
要实现闭环控制，最重要的元器件增量型编码器。5#转炉氧枪电机转速反馈至变频器采用天津宜科100P30-L4PR-1024增量型编码器。增量型编码器是氧枪实现闭环控制的首要设备，安装于电机伸出轴上，随电机运行同步转动。
增量型编码器控制线接至变频器TBI端子，选用5×2×1.0mm2双绞屏蔽电缆。更换编码器，问题未得到解决。
9、5#、6#转炉氧枪系统闭环差异化比较
5#、6#转炉先后于2010年4月、10月投产，氧枪系统虽自动化控制设计、施工单位不同，但均采用AB700S系列590A变频器，增量型编码器、电抗器、制动单元、制动电阻、电机等均为同厂家、同型号。6#转炉氧枪闭环控制自生產后一直投入，运行平稳无故障。排除编码器本身及编码器电缆故障后，我们对5#、6#转炉氧枪系统全面进行差异化比较，先后检查发现仅现场隔离柜至电机电缆存在差异。
10、变频器电缆敷设要求及干扰原因
变频器电缆敷设要求极高，主要有以下几点：
（1） 只能使用铜芯电缆，且绝缘厚度不能≤0.4mm.
（2） 当电缆敷设路径经过高温区域（≥75℃）时，应提高电缆防护等级。
（3）无论任何场合，应尽量避免使用很长的平行布线方式。
（4）当电机至变频器距离大于30米时，必须使用屏蔽电缆。
结论：5#转炉氧枪坠落后，我们进行持续观察、实验，分析出坠枪原因。通过修改氧枪点吹转速，将变频器激活信号Active串入抱闸控制，规范操作，并成功解决编码器信号干扰，将变频器由开环控制改为闭环控制，使氧枪设备保证本质安全。