楊永強，張建龍，楊小兵

(酒鋼集團宏興股份公司不銹鋼分公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

摘要: 不銹鋼 110 t 轉(zhuǎn)爐自動化控制系統(tǒng)采用西門子 S7 － 300PLC 進行啟動、停止、故障等邏輯控制，2 套交流西門子變頻器完成電機的閉環(huán)動態(tài)調(diào)節(jié)，2臺電機采用主從控制方式保證負荷平衡。2 臺變頻器與 PLC 之間采用 Profibus － DP 通信。主要針對轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)運行過程中存在的問題，重點闡述了傾動變頻控制系統(tǒng)升級優(yōu)化改造方案，基于西門子新一代變頻器 S120 為核心升級轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)，通過組建新的控制方式解決雙驅(qū)動傾動系統(tǒng)運行中相互拖拽、抱閘控制方式不可靠、轉(zhuǎn)爐點頭等問題，提升控制精度，達到增強設(shè)備安全穩(wěn)定運行的目的。實踐表明改造優(yōu)化后的轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度快，系統(tǒng)安全性更高，能夠滿足轉(zhuǎn)爐冶煉工藝對于安全性、穩(wěn)定性、可靠性、高效性、精確性控制的要求。

關(guān)鍵詞: 傾動雙驅(qū)動系統(tǒng); 拖拽; 抱閘控制; 安全穩(wěn)定運行; 動態(tài)響應(yīng)

酒鋼不銹鋼煉鋼轉(zhuǎn)爐懸掛于拖圈驅(qū)動側(cè)耳軸上，雙電機驅(qū)動，采用一拖一變頻控制方式。設(shè)計有一個內(nèi)部的電流調(diào)節(jié)環(huán)和外部的速度調(diào)節(jié)器。在正常情況下兩臺電機的操作僅有一個速度調(diào)節(jié)是主調(diào)節(jié)，第二個為從屬。兩驅(qū)動之一被選擇為默認的主調(diào)節(jié)器，一旦出現(xiàn)故障另一驅(qū)動調(diào)節(jié)器將變成主調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)爐傾動的變頻控制采用的是速度閉環(huán)控制，通過變頻器內(nèi)部速度計算值與實際速度編碼器檢測值比較來控制轉(zhuǎn)爐傾動 (見圖1 ) 。轉(zhuǎn)爐傾動變頻器和主 PLC 采 用PＲOFIBUS － DP 通信方式，PLC 可以從變頻器上讀取狀態(tài)字以及所需要的數(shù)據(jù)，同時還可以寫入控制字到變頻器中。正常冶煉主要采用雙變頻雙電機運行，任一臺故障時，單電機驅(qū)動亦能滿足生產(chǎn)需要^［1－9］。

1 轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)基本情況及運行過程中存在的問題

1. 1 傾動系統(tǒng)硬件方面存在的問題

110 t 轉(zhuǎn)爐傾動采用兩臺西門子 6SE70 系列變頻器一拖一控制兩臺 200 kW 電機驅(qū)動，應(yīng)用主從控制方式保證負荷平衡。經(jīng)多年使用其核心部件已經(jīng)進入嚴重老化階段，系統(tǒng)抗干擾能力降低，變頻器故障率逐年升高，維護成本高昂。

1. 2 傾動系統(tǒng)原設(shè)計存在的缺陷

雙驅(qū)動主從控制存在相互拖拽現(xiàn)象，從而導致兩臺電機轉(zhuǎn)矩不平衡，啟停瞬間電流峰值能夠達到 750 A左右，運行中電流偏大不平穩(wěn)。單電機驅(qū)動傾動較雙電機電流反而偏小。傾動電機與減速機之間鼓形齒式聯(lián)軸器頻繁打齒。原設(shè)計傾動電機抱閘采用 PLC 控制，在 75° ～ 80°傾動轉(zhuǎn)爐時，抱閘打開、關(guān)閉瞬間，轉(zhuǎn)爐本體存在明顯抬頭晃動現(xiàn)象。6SE70 變頻器未裝 SLB板卡，未實現(xiàn)通信主從數(shù)據(jù)傳輸，裝置之間模擬量信號通道傳輸數(shù)據(jù)未形成交互，因此原系統(tǒng)主從控制方法不適用轉(zhuǎn)爐剛性系統(tǒng)主從傳動應(yīng)用，存在很大的設(shè)計缺陷。

為確保設(shè)備可靠運行、降低維護成本、提升設(shè)備控制精度，轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)改造優(yōu)化基于西門子 S120系列變頻器構(gòu)建，改變控制方式升級優(yōu)化，實現(xiàn)雙變頻雙電機驅(qū)動轉(zhuǎn)爐平穩(wěn)運行。

2 轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)改造優(yōu)化策略

110 t 轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)改造優(yōu)化基于安全性、穩(wěn)定性、可靠性、精確性的要求，依據(jù)原設(shè)計 6SE70 整流加逆變硬件結(jié)構(gòu)，本次改造優(yōu)化采用 S120 變頻器整流加逆變形式。

轉(zhuǎn)爐傾動兩臺電機與減速機構(gòu)為同軸齒輪嚙合剛性連接，首先兩臺傾動電機之間要進行均勻的負荷分配，使其同步帶載轉(zhuǎn)矩保持一致，確保兩臺傾動電機同步運行、同步停止，從而平穩(wěn)運行。針對兩臺變頻器獨立控制的傾動電機，其變頻裝置的同步輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)保持一致，滿足系統(tǒng)負荷平衡要求。其次對轉(zhuǎn)爐傾動主從控制原理、系統(tǒng)控制邏輯進行了適宜性設(shè)計，功能涉及轉(zhuǎn)爐傾動兩臺電機任意主從切換控制，事故模式下單電機單獨運行。

2. 1 轉(zhuǎn)爐傾動主從控制設(shè)計

轉(zhuǎn)爐傾動電機的控制方式為閉環(huán)矢量控制，為達到兩臺傾動電機轉(zhuǎn)矩輸出同步的要求，采取一主帶一從控制方法，即其中一臺電機變頻器為主機，另一臺電機變頻器為從機，運行時接收主機轉(zhuǎn)矩控制，見圖 2。主機采用編碼器反饋的速度閉環(huán)控制，使變頻器對電機實際轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩實時調(diào)節(jié)以保證系統(tǒng)的控制精度及穩(wěn)定性。通過變頻器間的通信完成數(shù)據(jù)快速交換，使從機接收主機的設(shè)定轉(zhuǎn)矩，同步跟隨主機的轉(zhuǎn)矩輸出，從而達到兩臺電機的出力保持平衡。

從機接收主機轉(zhuǎn)矩控制需通過 SINAMICS Link 通信將主機的主從狀態(tài)、轉(zhuǎn)矩設(shè)定、抱閘打開等信號分別發(fā)送至從機，完成主從系統(tǒng)控制。SINAMICS Link 通信是西門子專有的具備等時同步功能的通信網(wǎng)絡(luò)，它能實現(xiàn)兩臺控制單元間的直接數(shù)據(jù)交換，將數(shù)據(jù)交換延時限制在 1ms 以內(nèi)。兩臺變頻器 CU120 控制單元通過選件板 CBE20 使用 DＲIVE － CLIQ 電纜串聯(lián)組成 SINAMICS Link 網(wǎng)用以完成裝置之間數(shù)據(jù)的快速交換。

考慮轉(zhuǎn)爐傾動的工藝特殊性，最大程度保障轉(zhuǎn)爐傾動運行平穩(wěn)、安全可靠要求，針對可能出現(xiàn)某一變頻器及電機故障情況，設(shè)計采用主從任意切換方式控制。

當 1#變頻器或電機出現(xiàn)故障時，切換 2#變頻器為主; 當 2#變頻器或電機出現(xiàn)故障時，切換 1#變頻器為主，同一時間只能有一臺變頻器為主機，另一臺為從機，若兩臺設(shè)備均存在故障，則 PLC 控制轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)停機。借助 DCC( drive control chart) 自由使用的控制塊、算法塊以及邏輯塊對設(shè)備功能進行圖形化配置和擴展，完成轉(zhuǎn)爐傾動兩臺電機任意主從控制功能。轉(zhuǎn)爐傾動的主/從控制指令通過 WINCC 畫面電機選擇信號控制。

通過 WINCC 畫面選擇按鈕的先后順序，確定哪臺電機為主，哪臺為從。選擇一臺電機時則該電機被設(shè)為主機; 兩臺電機投用時，先選擇的電機為主機，后選擇的電機為從機^{［10－15］}。

2. 2 抱閘打開、閉合控制

傾動抱閘控制以 SINAMICS S120 變頻器擴展抱閘控制技術(shù)為基礎(chǔ)，對抱閘控制采用一種全新穩(wěn)定可靠方式完成轉(zhuǎn)爐抱閘的安全控制。在變頻器速度設(shè)定使能、抱閘未打開、操作運行期間，通過對系統(tǒng)預(yù)設(shè)，先建立一個開抱閘命令信號，此時速度設(shè)定暫時為 0 速，待抱閘動作時間到達后，抱閘實際有效打開，設(shè)定速度使能，同時變頻器直接輸出一定的可控附加轉(zhuǎn)矩，保證抱閘打開一瞬間，轉(zhuǎn)爐不點頭不晃動，使電機在抱閘打開同時變頻器已經(jīng)輸出了足夠的轉(zhuǎn)矩克服負載重力，從而穩(wěn)定運行。圖 3 所示為轉(zhuǎn)爐實際抱閘打開的數(shù)據(jù)曲線，實際驗證了本次項目升級改造方案的正確性和可行性。

從生產(chǎn)方面考慮，轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)平穩(wěn)、準確及快速停車制動是生產(chǎn)的基本要求。若能完全依靠電氣制動將設(shè)備速度降為零( 靜止狀態(tài)) ，再通過機械抱閘制動是最理想的。尤其是轉(zhuǎn)爐傾動在出鋼角度范圍頻繁點動出鋼操作時，希望在發(fā)出停止指令后轉(zhuǎn)爐能在最短的時間內(nèi)靜止，盡可能地減少爐渣隨鋼水倒入鋼水包。在停止運行時，希望使電機能在最短的時間內(nèi)靜止，除了盡量減少變頻器停車斜坡時間外，采取電氣加機械抱閘相結(jié)合制動方法快速平穩(wěn)制動停車。如圖 4 及圖 5所示，當設(shè)定轉(zhuǎn)速為 0 后，先由變頻器控制電機快速制動，待電機實際轉(zhuǎn)速降至低速時，發(fā)出抱閘關(guān)閉命令，完成系統(tǒng)平穩(wěn)、快速停車制動。

3 轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)改造優(yōu)化后運行效果

新系統(tǒng)實現(xiàn)任意切換主機從機，當兩臺電機投入主從并確定后，僅有一臺為主機，另一臺為從機，其中主機為雙閉環(huán)控制，工作在速度環(huán)、電流環(huán)，從機為速調(diào)轉(zhuǎn)矩積分控制，跟隨主機速度環(huán)工作在轉(zhuǎn)矩控制模式。下面以單電機為例從六個方面說明轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)改造優(yōu)化后運行實際效果。

3. 1 單電機速度精度

圖 6 以 50% 速度單電機運行情況，波形如下，速度偏差為 y 軸，由曲線可知實際速度偏差為 ± 0. 2% ，電機速度調(diào)節(jié)精度完全能夠滿足生產(chǎn)需求。

3. 2 單電機速度響應(yīng)

在無任何轉(zhuǎn)矩預(yù)控的情況下，在主斜坡函數(shù)發(fā)生器后面加上 2% 的速度階躍信號，x 軸方向速度階躍開始到實際值到達設(shè)定的時間，速度響應(yīng)時間小于 60 ms，圖 7 為單電機速度響應(yīng)曲線。

3. 3 單電機電流環(huán)響應(yīng)速度

定義 5% 的附加轉(zhuǎn)矩，觀察電流環(huán)響應(yīng)速度，階躍產(chǎn)生到實際電流到達設(shè)定的時間，電流環(huán)響應(yīng)時間小于 10 ms。圖 8 為單電機電流環(huán)響應(yīng)速度測試曲線。

3. 4 單電機為主帶載速度精度

圖 9 為 50% 速度電機帶載運行記錄曲線，速度偏差為 y 軸，波形如下。由曲線可知實際速度偏差為± 0. 4% 。

3. 5 單電機為主帶載轉(zhuǎn)矩精度

圖 10 為 50% 速度電機帶載運行轉(zhuǎn)矩記錄曲線，轉(zhuǎn)矩偏差為 y 軸，波形如下，由曲線可知實際轉(zhuǎn)矩精度為± 3% 。

3. 6 帶載抱閘實際控制效果

圖 11 為生產(chǎn)時轉(zhuǎn)爐傾動啟動實際速度曲線。由曲線可知轉(zhuǎn)爐帶載啟動抱閘打開后速度超調(diào)為 0. 56% 。

圖 12 為生產(chǎn)時轉(zhuǎn)爐傾動停止實際速度曲線，由曲線可知轉(zhuǎn)爐停止時，實際轉(zhuǎn)速降至 50 rad /min 發(fā)出抱閘關(guān)閉命令，實際轉(zhuǎn)速降至 0 速后轉(zhuǎn)速超調(diào)為 0. 4% 。

4 結(jié) 語

本文主要介紹基于 S120 變頻器升級改造的轉(zhuǎn)爐傾動控制驅(qū)動系統(tǒng)，實踐表明改造優(yōu)化后的轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了真正意義上的主從控制，動態(tài)響應(yīng)速度快，系統(tǒng)安全性更高，能夠滿足轉(zhuǎn)爐冶煉工藝對于安全性、穩(wěn)定性、可靠性、高效性、精確性控制的要求，對于轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)的設(shè)計及推廣應(yīng)用具有實際性指導意義。

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