摘 要：介紹了對(duì)陜西省寶雞市某軋鋼廠原軋機(jī)電氣控制系統(tǒng)的改造方案，通過(guò)用臺(tái)達(dá)CT2000系列變頻器替換原系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，克服了原系統(tǒng)設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低等缺點(diǎn)，獲得了良好的控制效果及經(jīng)濟(jì)效益。
1原軋機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)述
本軋機(jī)是用來(lái)把高碳鋼從一塊熱板軋成一個(gè)冷軋的帶圈，并且能以2重或4重輥型進(jìn)行工作。主傳動(dòng)電機(jī)是通過(guò)一個(gè)傳送比為2的齒輪箱同支承輥或工作輥連接，電動(dòng)機(jī)的速度從零速到基速是調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出直流電壓值來(lái)變動(dòng)的，而基速至最高速則是通過(guò)提高輸出頻率(即超過(guò)基頻頻率)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在進(jìn)行熱軋時(shí)，可以用2重或4重，而且只使用主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩個(gè)圈卷機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)，位于主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)和支承工作輥之間的變速箱有兩種速率，高速時(shí)6:4:1，低速時(shí)12:8:1。在進(jìn)行冷軋時(shí)軋機(jī)通常處于4重情況，使用6:4:1的比率的齒輪傳動(dòng)。圈取機(jī)的傳動(dòng)與此相同，每個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置由一個(gè)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)機(jī)組組成，用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)目的是為了方便的調(diào)節(jié)可控張力的調(diào)節(jié)的范圍，在低張力范圍，把一個(gè)電動(dòng)機(jī)脫離連接，而兩個(gè)連接在一起的電動(dòng)機(jī)被供高張力范圍使用。電動(dòng)發(fā)電機(jī)組由三個(gè)傳動(dòng)發(fā)電機(jī)組成，它們分別給主傳動(dòng)裝置、左、右圈取機(jī)供電。全部發(fā)電機(jī)組由一個(gè)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 原軋機(jī)電控系統(tǒng)
2軋機(jī)電氣系統(tǒng)改造方案
2.1原軋機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)：
主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)：一臺(tái)，SC06/2020型350V，686A，400/1200轉(zhuǎn)/分;
圈取傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)：四臺(tái)，CF2805型250V，168A，1000/1250轉(zhuǎn)/分;
主傳動(dòng)電機(jī)工作車速：250米/分;
寸動(dòng)引帶速度：25米/分。
2.2傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案[1]
原控制系統(tǒng)采用的是旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)是屬于五六十年代的產(chǎn)品，該方式設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、運(yùn)行噪音大、維護(hù)不方便、輸出回路采用分離元件作的模擬控制，控制精度差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化控制，對(duì)于軋鋼機(jī)的控制系統(tǒng)主軋鋼機(jī)、卷饒機(jī)、開(kāi)卷機(jī)在工作時(shí)是個(gè)時(shí)變的，非線性的，采用模擬控制方法非常不便。
改造后系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)CT2000系列變頻器，CT2000系列變頻器支持DEB，在軋機(jī)工作過(guò)程中如果出現(xiàn)緊急制動(dòng)時(shí)方便能量在直流母線上饋送，而且其支持多種總線通訊協(xié)議，適用于惡劣的工作環(huán)境，控制裝置使用交流380V的3相標(biāo)準(zhǔn)交流輸入電壓，提供SPWM輸出電壓，可用于交流電機(jī)的調(diào)速控制，其具有眾多優(yōu)點(diǎn)：
(1)裝置可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，這是簡(jiǎn)單模擬技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的;
(2)標(biāo)準(zhǔn)軟件模塊與可組態(tài)的軟件控制電路相結(jié)合;
(3)通過(guò)串行線路，可其他裝置或主機(jī)通訊;
(4)再生控制功能，可以通過(guò)組建公共直流母線的運(yùn)行方式，在公共直流區(qū)接入制動(dòng)電阻，方便軋機(jī)快速往復(fù)工作的需要;
(5)發(fā)生故障時(shí)，人機(jī)接口便自動(dòng)顯示報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)保護(hù)停機(jī)。
2.2.1主軋機(jī)的控制
主軋機(jī)的控制采用恒轉(zhuǎn)矩控制方式，將原來(lái)的變流旋轉(zhuǎn)機(jī)組控制直接改為用一臺(tái)CT2000變頻器拖動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于負(fù)載較重，所以在工作過(guò)程中上升時(shí)采用一個(gè)S斜坡函數(shù)發(fā)生器這一模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)給定積分器的功能，使實(shí)際加到速度環(huán)的輸入信號(hào)是一個(gè)平穩(wěn)上升的斜坡信號(hào)，改變給定積分器的積分時(shí)間即可改變斜坡信號(hào)的上升斜率。
2.2.2可逆軋機(jī)的控制
可逆軋機(jī)有兩個(gè)相同的卷筒，根據(jù)軋制方向能起卷取和開(kāi)卷作用，兩組傳動(dòng)裝置是相同的，只是在卷取和開(kāi)卷時(shí)的操作方法上有所不同。帶鋼的張力控制可分為間接張力控制和直接張力控制。
間接張力就是充分利用CT2000豐富的內(nèi)部模塊，把卷取或開(kāi)卷的線速度給定、張力給定信號(hào)轉(zhuǎn)換成電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)，以達(dá)到恒張力的控制的目的。
直接張力控制是用實(shí)測(cè)張力作為反饋信號(hào)，與給定信號(hào)相比較，用張力調(diào)節(jié)器，組成張力閉環(huán)對(duì)張力進(jìn)行調(diào)節(jié)。從理論講直接張力控制系統(tǒng)是在轉(zhuǎn)速閉環(huán)基礎(chǔ)上套上一個(gè)張力環(huán)，組成雙閉環(huán)系統(tǒng)。但是比一般的系統(tǒng)復(fù)雜，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：卷徑和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均為變參數(shù);張力矩在雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，負(fù)載力矩是外部擾動(dòng)，但在軋鋼系統(tǒng)中張力是系統(tǒng)輸出量，張力矩是系統(tǒng)內(nèi)部固有的反饋量。當(dāng)考慮張力矩時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)不能按一般的雙閉環(huán)設(shè)計(jì)方法;卷取開(kāi)卷機(jī)與主軋機(jī)間的帶鋼的動(dòng)力學(xué)特性及數(shù)學(xué)模型都較復(fù)雜，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中帶鋼的張力與動(dòng)態(tài)速變存在一個(gè)時(shí)間滯后的關(guān)系，其參數(shù)是變量。故我們采用間接張力控制的方法，通過(guò)前向通道把在一定的卷徑、張力給定下需要的電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算出來(lái)，再把它轉(zhuǎn)換成特定磁通下的電流給定值輸出，同時(shí)檢測(cè)張力值，把張力偏差經(jīng)張力調(diào)節(jié)器計(jì)算后再折算成實(shí)際卷徑下的調(diào)節(jié)張力矩加到前面的力矩上，對(duì)張力進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種控制方法實(shí)際上也是直接控制電機(jī)的力矩，通過(guò)控制力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)張力的控制。由于由前向通道輸出的轉(zhuǎn)矩值是經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ?jì)算出來(lái)的比較精確的值，它能夠基本保持張力恒定。再加上直接張力控制環(huán)的調(diào)節(jié)作用，以達(dá)到張力的精確控制。
動(dòng)態(tài)補(bǔ)償：在實(shí)際運(yùn)行中常有加、減速的，如單靠張力調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，可能會(huì)因調(diào)節(jié)不及時(shí)造成張力波動(dòng)，這就要求在加速過(guò)程中為了保持張力不變，電磁轉(zhuǎn)矩中應(yīng)該附加負(fù)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩以補(bǔ)償需要放出的能量;在減速中則應(yīng)附加正的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩以補(bǔ)償卷繞機(jī)構(gòu)慣性所吸收的能量。
3控制系統(tǒng)組成及功能實(shí)現(xiàn)[2]
五臺(tái)臺(tái)達(dá)變頻裝置通過(guò)軟件組態(tài)，由西門子s7-300PLC 進(jìn)行速度設(shè)定、張力設(shè)定，運(yùn)行程序控制及各種連鎖順序操作等。輸入和參數(shù)修改通過(guò)一臺(tái)西門子的OP270操作屏來(lái)完成。五臺(tái)變頻調(diào)速裝置采用公共直流母線的接法，通過(guò)內(nèi)部電氣連接和軟件使五臺(tái)裝置成為一個(gè)整體。S7-300與變頻調(diào)速器、OP270操作屏組成現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)，協(xié)議采用RS485，完成整個(gè)軋機(jī)操作控制,，控制系統(tǒng)組態(tài)圖如圖2所示。
圖2 改造后的軋機(jī)控制系統(tǒng)
本系統(tǒng)主要有以下幾部分：
(1)軋機(jī)、開(kāi)卷機(jī)、卷取機(jī)分別由五臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，由臺(tái)達(dá)公司生產(chǎn)的VFD-CT2000系列高性能矢量型變頻器輸出來(lái)控制電機(jī);
(2)為達(dá)到所規(guī)定的張力范圍，開(kāi)卷機(jī)及卷取機(jī)分別有兩臺(tái)電機(jī)組成，這兩臺(tái)的變頻裝置采用公共直流母線的方式通過(guò)內(nèi)部電氣連接和軟件配合使兩臺(tái)裝置成為一個(gè)控制整體，通過(guò)速度反饋實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制;
(3)軋機(jī)的速度給定，寸動(dòng)速度、張力大小可直接在操作屏進(jìn)行調(diào)節(jié);
(4)在速度變換的過(guò)程中可自動(dòng)進(jìn)行慣性補(bǔ)償，補(bǔ)償量可在操作屏上進(jìn)行設(shè)置;
(5)在操作屏上實(shí)時(shí)顯示線速度，電機(jī)電流，張力值。壓下噸位顯示;
(6)當(dāng)帶材斷裂，有警鈴工作，電機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行。
4所選用的變頻器應(yīng)用設(shè)置及說(shuō)明
4.1變頻器的接線結(jié)構(gòu)圖
為實(shí)現(xiàn)上述功能，所選用的五個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)變頻器接線結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 五個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的電氣連接示意圖
4.2變頻器主要參數(shù)設(shè)置[3]
為實(shí)現(xiàn)上述的控制功能，對(duì)變頻器的主要參數(shù)設(shè)置如下，由于篇幅限制，本次只列出部分主要的參數(shù)，如附表所示。
5改造后運(yùn)行效果
經(jīng)過(guò)改造后，軋機(jī)系統(tǒng)可以去掉一個(gè)420馬力電機(jī)，一臺(tái)240kW的發(fā)電機(jī)，四個(gè)84kW的發(fā)電機(jī)，節(jié)能效果非常明顯，一年可節(jié)約電費(fèi)將近二十萬(wàn)元。本套系統(tǒng)于2011年11月投入使用，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，其控制方法簡(jiǎn)單、體積小、精度高，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于用戶的要求，是一個(gè)值得推廣的老系統(tǒng)改造方法。
作者簡(jiǎn)介
陳景文 男，陜西科技大學(xué)副教授，陜西科達(dá)電氣有限公司總工程師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c運(yùn)動(dòng)控制。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.
[2] 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.
[3] 中達(dá)電通股份有限公司.臺(tái)達(dá)CT2000變頻器使用手冊(cè)[Z].2010
