摘    要：在钢铁工业智能化、数字化转型过程中，电气自动化设备作为重要生产设备，直接影响钢铁生产作业的稳定性。为有效提高轧钢厂电气自动化控制设备的可靠性，文章以某钢冷连轧项目为例，重点分析电气自动化控制设备的可靠性特征，了解了不同工况状态下的故障类型及主要变化特征，基于实际问题提出了技术设计优化、设备优化改造及优化散热等不同措施，旨在提高轧钢厂电气自动控制能力，充分保障轧钢生产运营的安全性和稳定性。

       关键词：轧钢厂；电气自动化控制；设备可靠性；故障预测

       钢铁工业是国民经济的支柱产业，其生产结构的稳定性、连续性直接关系到产业链的安全性、稳定性 。在轧钢生产过程中 ， 电气自动化设备具有重要的作用，其可靠性直接关系到生产效率及经济效益 。在保障电气设备符合要求下可以持续稳定的执行规定功能，可以充分保障其可靠性，继而推动钢铁行业高质量发展。

       1   电气自动化控制设备可靠性分析

       电气自动化控制设备的可靠性，是指设备在规定条件与既定时间范围内，实现预设功能的操作能力［1］。在轧钢厂生产实践中，设备可靠性直接关系生产线的连续运转、产品质量稳定性以及整体经济效益的提升。以某钢冷连轧项目为例，电气设备的可靠性不足，其主要表现为精轧机变频器故障诱发非计划停机，严重打乱生产的连续运行节奏；控制精度把控不当，引发板厚、板形偏差等问题，严重影响产品质量的一致性 。而设备的频繁维修，不仅增加设备库存成本，还进一步抬高了维修成本 。设备可靠性并不是综合性的指标参数，其受到设备自身的设计、制造质量、运行环境、维护策略以及管理水平等多种因素的共同影响 。因此，提高设备的可靠性必须基于系统的角度分析，根据实际状况对其采取全面综合性的策略方案。

       2   电气设备典型故障及成因分析

       2.1   控制系统故障

       轧钢厂电气自动化控制系统出现故障最为显著的表现是 PLC 程序异常、通信中断、控制精度下降等 。在某钢冷连轧项目中，原进口的中亚变频器 PLC 受到硬件设计的影响，仅支持 DOS 环境下的组态操作，存在通信协议封闭、设备兼容性差等缺陷，成为系统改造的重点、难点之一 。此类控制系统故障一旦发生，极易造成全线停产，且诊断与修复过程相对复杂，平均修复时间长达数个小时。

       2.2   功率器件与散热系统

       轧钢生产存在高粉尘、高湿度及湿度波动等恶劣工况环境，这些条件对电气设备产生了严重的威胁与影响。其中 IGBT、IGCT 等功率器长期在高温、高电流的条件下工作，容易出现过热老化、参数漂移以及击穿损坏等多种问题。

       在文章案例中，变频器中的快速熔断器设备、风扇等相关零部件都处于集中更换期，其存在主功率期间故障率高发的问题 。同时，通过分析散热系统效率可以发现，效率下降会导致出现恶性循环，进而导致加速器器件出现严重损坏 。轧钢厂中电气设备典型故障分类与主要影响如表 1所示。

       2.3   电源质量相关问题

       电源质量劣化是轧钢厂设备常见的问题之一 。在此案例中，通过轧钢产线调试分析，在 LF 精炼炉的试产期间，相同 10kV 供电电网中存在轧辊磨床电源损坏严重的问题，这样则会导致磨床伺服控制器主控单元模块在应用中出现了多次的损坏［2］。为了探究其存在的问题，通过实时性监测可以发现，其电源 A 相以及 C 相中的电压存在长时间闪变不合格的问题，同时其与 LF精炼炉的运行周期高度吻合。

       此类问题属于电网污染导致的设备故障问题，其具有隐蔽性、传染性的特征，一般会对同一电网的多个设备产生不同的影响。

       3   电气自动化控制设备可靠性提升对策

       3.1   关键设备国产化

       对于进口设备出现的老化、技术封闭以及备件成本高昂等瓶颈性问题，在处理中主要通过战略性应用国产化的方式进行优化处理，这样可以充分提高系统的可靠性，增强自主控制能力 。合理应用国产备件及设备可以降低成本，有效控制库存资金占用、维护成本。

       3.1.1   技术适配性、服务响应

       国内供应商可以提供符合本土生产需求的设备，并且基于应用需求提供定制化的解决方案，这样则可以提高服务响应，其技术支持相对较为迅速 。例如，在此项目中可以应用禾望 HD8000 变频器替换优化，此设备不仅具有良好的调试软件界面，也更加符合国内工程师的应用需求、操作习惯。

       3.1.2   保障供应链安全

       打破国外的技术性垄断，可以充分保障核心零部件的供应和稳定性，避免了因为国际贸易摩擦、供应商停产等出现的供应链中断等相关问题。

       3.2   替代与增强系统冗余设计

       3.2.1   互为备机设计

       国产化替代并不是单一的更换，要基于实际状况进行系统架构优化，实现升级 。在此项目中，新增设的国产变频系统与保留原进口系统，或者另一套出现故障时，可以基于预设的快速切换流程对其进行处理，实现在分钟级别内启动备用系统，有效降低不良影响 。例如，应用双电源自动切换开关 ATS、冗余 PLC 控制系统，利用此方式可以快速启动，有效降低非计划停机次数。

       3.2.2   兼容性与无缝切换技术

       第一，接口协议转换 。在此项目中为了有效提高设备的整体性能，必须要重点优化国产设备的协议兼容能力 。在操作中基于项目特征，在重要的节点中设置网关模块进行性能优化，继而有效满足不同品牌、设备中的数据多源化操作，实现数据无缝交换。

       第二，“黑箱”式替换与接口一致性。改革的初期，可以将国产系统看作“黑箱”，其主要的电源进线、电机出线、控制 IO、通讯接口等其外部接的在机械尺寸、电气定义上等相关信息与原设备完全相同 。通过此种方式进行处理，可以最大程度上减少对原有电缆、桥架等基础设施的改动，有效降低了工程结构的复杂性。

       第三，无扰切换逻辑 。在此项目中最为关键的就是要提高设备的无忧切换能力 。因此，在设计中利用嵌入式同步算法 、智能追踪技术手段，提高设备的整体性能，实现对多种信息数据运行频率特征、电流变化等关键信息数据的动态捕捉 。基于先断开快速捕捉等多种方式进行联动管理，方可有效满足数据切换操作需求。

       3.2.3   模块级冗余配置标准

       在设备内部， 重点关键模块中的控制器电源模块、通讯模块、冷却水泵主要应用 N+1、1+1 等相关冗余配置 。当其中一个模块失效时，冗余模块可以快速接管工作，系统在操作中无需停机［3］。同时，构建环网或者双星型拓扑工业以太网，充分保障在单一网络节点或者其相关线路出现故障时，其数据通讯不会中断，进而确保控制指令信息的实时性，充分整体的可靠性。

       3.3   智能运维与预测性维护体系

       3.3.1   状态实时性监测与数据采集

       在变频器、电机以及大型变压器等关键设备中设置传感器网络，通过采集电压、电流、温度、振动以及绝缘等相关状态信息数据 。利用先进的系统可以实现对1024 点/周波的高速采样，可以快速捕捉仪器无法发现的微妙级别的扰动，分析其微弱的异常信号及问题。

       3.3.2   故障预测与健康管理

       第一，利用智能 AI 模型预警实现动态分析 。联合设备历史信息数据，在机器学习算法支持下，构建三维健康模型 。综合系统开关特性、散热器等数据变化特征，预测潜在隐患，确定设备服役期限，提出预防性的优化方案 。第二，通过数字孪生技术预测多种工况的设备变化特征，综合应用环境、工况以及多种不同工艺需求进行参数联动管理，实现智能化决策 。第三，维护决策智能化 。通过系统对历史数据动态分析，联合数据波动、设备性能、工艺状况以及应用需求等多种因素制定完善的维修养护方案，实现快速、精准高效运维管理。

       3.4   散热与防护的精细化设计

       3.4.1   热设计与仿真

       在控制柜的设计阶段，通过计算流体动力学（CFD）软件实现对柜内气流组织、温度场等状况进行动态仿真，避免出现局部热点等问题 。根据实际状况及时调控风扇位置、适当地增加导流板，充分优化风道系统等。

       3.4.2   连接与密封技术

       户外电缆接口应用铠装电缆及高质量防水格兰头进行完善优化 。其柜门密封条可应用硅橡胶等耐老化、弹性好的材料，并且要基于实际状况定期更换处理 。冷却水系统可安装流量监控器、水温传感器等设备，对冷却效率进行动态监控，并且在流量不充足或者水温过高的时候进行动态预警。

       3.5   电能质量治理的精准化措施

       3.5.1   有源滤波器的精准治理

       有源滤波器通过实时性检测负载电流，则可以分析负载电流中的谐波分量 。基于 IGBT 功率器件，则生成与谐波分量幅值相等、相位相反的补偿电流，将其注入电网，以此实现对谐波的高效抵消［4］。在谐波检测环节，主要技术手段是瞬时无功功率理论或者同步参考坐标系法，二者可保障谐波提取的精准度与实时性，为有源滤波的治理效果提供技术支撑。

       在处理中要始终遵循“局部治理与全局治理相结合”的基础原则 。对于主要的谐波源进行处理，根据实际状况及时采用就地补偿，例如，可在设备附近设置 APF对其进行动态分析 。同时，可以在车间配电房母线上设置集中补偿设备，这样可以有效治理相对分散的小功率非线性的负载，通过此种方式可以处理全局的谐波。

       3.5.2    电压暂降性能优化

       第一，设备级优化 。主要就是对单台关键控制设备的关键功能，利用不间断电源系统进行优化完善，提供后备电源，继而有效避免在短时间内出现电压暂时降低、设备停机或者程序丢失等诸多隐患问题。

       第二，要实现系统优化处理 。在车间动力母线设备、控制母线设备上合理设置动态电压恢复设备，通过此种设备进行毫秒级别的快速反应，通过内置的超级电容储能单元进行系统优化，补偿线路中的电压差值，继而提高系统的安全性，增强稳定性。

       3.6   模块化与快速维修的支撑技术

       基于模块化以及快速维修技术对其进行动态优化，可以有效提高轧钢设备的综合性能，有效满足多种工况的应用需求［5］。对此，在实践中可以有效实现对不同设备的状态动态评估、寿命精准预测、利用知识库以及预案管理模块可以快速定位维修管理方案，其主要路径如下：

       3.6.1   状态评估与寿命预测

       第一，电容寿命模型 。基于电容寿命模型，重点分析不同设备在运行中的变化特征，了解工作温度变化、纹波电流等具体数值波动，基于实时性检测技术，了解其运行个摘，并且利用阿伦尼乌斯（Arrhenius）模型，确定不同设备的寿命预测模型，实现对电解电容剩余寿命的科学判断，精准评估，继而为设备优化、更新以及运维管理提供完善的信息数据支持。

       第二，状态评估指标 。通过系统可以明确电气模块的健康状态，确定累计运行变化特征、历史负载率以及故障等多种信息数据，整合多源数据构建量化评估标准模式，继而为预防性更换策略的制定、优化以及完善提供精准的信息数据支持。

       3.6.2   知识库与预案管理

       通过故障知识信息数据库，可以对故障的类型、根源、优化措施、工艺标准等进行存储记录，综合数据确定设备的类型、工艺及性能，继而制定应急处理方案。其中，标准化快速维修流程阶段与内容，如表 2 所示。

       4   结束语

       轧钢厂电气自动化控制设备的可靠性主要受到工艺利用、设备稳定性等多个角度影响，为了提高设备稳定性，文章提出了优化设备、冗余设计以及智能化管控的完善措施 。同时，在实践中，必须要综合轧钢生产环境、工艺特征以及标准要求，制定完善的优化路径，方可有效提高综合效率 。今后，要合理融合大数据、高精设备以及现代化工艺手段 ，实现对轧钢设备的更新迭代，性能优化，方可有效推动钢铁行业的智能化发展，数字化转型。

参考文献

［1］黄昭博.轧钢厂电气自动化控制系统优化策略研究［J］.科技经济市场，2024（5）：41-43.

［2］蔺阳海.提升轧钢厂电气自动化控制设备可靠性的策略探讨［J］.冶金与材料，2023，43（2）：169-171.

［3］蔺阳海.轧钢厂电气自动化控制系统应用优化策略研究[J].冶金与材料，2023，43（2）：44-46.

［4］徐凡 .轧钢厂电气自动化控制系统应用优化［J］.冶金与材料，2023，43（2）：87-89.

［5］吴章国.刍议如何提升轧钢厂电气自动化控制设备可靠性［J］.科技创新与应用，2019（35）：114-115.