楊永強(qiáng)，張建龍，楊小兵

(酒鋼集團(tuán)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(dòng)化控制系統(tǒng)采用西門子 S7 － 300PLC 進(jìn)行啟動(dòng)、停止、故障等邏輯控制，2 套交流西門子變頻器完成電機(jī)的閉環(huán)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，2臺(tái)電機(jī)采用主從控制方式保證負(fù)荷平衡。2 臺(tái)變頻器與 PLC 之間采用 Profibus － DP 通信。主要針對(duì)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題，重點(diǎn)闡述了傾動(dòng)變頻控制系統(tǒng)升級(jí)優(yōu)化改造方案，基于西門子新一代變頻器 S120 為核心升級(jí)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)組建新的控制方式解決雙驅(qū)動(dòng)傾動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行中相互拖拽、抱閘控制方式不可靠、轉(zhuǎn)爐點(diǎn)頭等問(wèn)題，提升控制精度，達(dá)到增強(qiáng)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的。實(shí)踐表明改造優(yōu)化后的轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)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(duì)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(dòng)雙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng); 拖拽; 抱閘控制; 安全穩(wěn)定運(yùn)行; 動(dòng)態(tài)響應(yīng)

酒鋼不銹鋼煉鋼轉(zhuǎn)爐懸掛于拖圈驅(qū)動(dòng)側(cè)耳軸上，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用一拖一變頻控制方式。設(shè)計(jì)有一個(gè)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(tái)電機(jī)的操作僅有一個(gè)速度調(diào)節(jié)是主調(diào)節(jié)，第二個(gè)為從屬。兩驅(qū)動(dòng)之一被選擇為默認(rèn)的主調(diào)節(jié)器，一旦出現(xiàn)故障另一驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)器將變成主調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的變頻控制采用的是速度閉環(huán)控制，通過(guò)變頻器內(nèi)部速度計(jì)算值與實(shí)際速度編碼器檢測(cè)值比較來(lái)控制轉(zhuǎn)爐傾動(dòng) (見圖1 ) 。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)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(shí)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(jī)運(yùn)行，任一臺(tái)故障時(shí)，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)亦能滿足生產(chǎn)需要^［1－9］。

1 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)基本情況及運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題

1. 1 傾動(dòng)系統(tǒng)硬件方面存在的問(wèn)題

110 t 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)采用兩臺(tái)西門子 6SE70 系列變頻器一拖一控制兩臺(tái) 200 kW 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用主從控制方式保證負(fù)荷平衡。經(jīng)多年使用其核心部件已經(jīng)進(jìn)入嚴(yán)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(hù)成本高昂。

1. 2 傾動(dòng)系統(tǒng)原設(shè)計(jì)存在的缺陷

雙驅(qū)動(dòng)主從控制存在相互拖拽現(xiàn)象，從而導(dǎo)致兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)矩不平衡，啟停瞬間電流峰值能夠達(dá)到 750 A左右，運(yùn)行中電流偏大不平穩(wěn)。單電機(jī)驅(qū)動(dòng)傾動(dòng)較雙電機(jī)電流反而偏小。傾動(dòng)電機(jī)與減速機(jī)之間鼓形齒式聯(lián)軸器頻繁打齒。原設(shè)計(jì)傾動(dòng)電機(jī)抱閘采用 PLC 控制，在 75° ～ 80°傾動(dòng)轉(zhuǎn)爐時(shí)，抱閘打開、關(guān)閉瞬間，轉(zhuǎn)爐本體存在明顯抬頭晃動(dòng)現(xiàn)象。6SE70 變頻器未裝 SLB板卡，未實(shí)現(xiàn)通信主從數(shù)據(jù)傳輸，裝置之間模擬量信號(hào)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(dòng)應(yīng)用，存在很大的設(shè)計(jì)缺陷。

為確保設(shè)備可靠運(yùn)行、降低維護(hù)成本、提升設(shè)備控制精度，轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)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(jí)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)雙變頻雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)爐平穩(wěn)運(yùn)行。

2 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制系統(tǒng)改造優(yōu)化策略

110 t 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)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(jì) 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(dòng)兩臺(tái)電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)為同軸齒輪嚙合剛性連接，首先兩臺(tái)傾動(dòng)電機(jī)之間要進(jìn)行均勻的負(fù)荷分配，使其同步帶載轉(zhuǎn)矩保持一致，確保兩臺(tái)傾動(dòng)電機(jī)同步運(yùn)行、同步停止，從而平穩(wěn)運(yùn)行。針對(duì)兩臺(tái)變頻器獨(dú)立控制的傾動(dòng)電機(jī)，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(fù)荷平衡要求。其次對(duì)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)主從控制原理、系統(tǒng)控制邏輯進(jìn)行了適宜性設(shè)計(jì)，功能涉及轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)任意主從切換控制，事故模式下單電機(jī)單獨(dú)運(yùn)行。

2. 1 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)主從控制設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)電機(jī)的控制方式為閉環(huán)矢量控制，為達(dá)到兩臺(tái)傾動(dòng)電機(jī)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(tái)電機(jī)變頻器為主機(jī)，另一臺(tái)電機(jī)變頻器為從機(jī)，運(yùn)行時(shí)接收主機(jī)轉(zhuǎn)矩控制，見圖 2。主機(jī)采用編碼器反饋的速度閉環(huán)控制，使變頻器對(duì)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)以保證系統(tǒng)的控制精度及穩(wěn)定性。通過(guò)變頻器間的通信完成數(shù)據(jù)快速交換，使從機(jī)接收主機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)矩，同步跟隨主機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，從而達(dá)到兩臺(tái)電機(jī)的出力保持平衡。

從機(jī)接收主機(jī)轉(zhuǎn)矩控制需通過(guò) SINAMICS Link 通信將主機(jī)的主從狀態(tài)、轉(zhuǎn)矩設(shè)定、抱閘打開等信號(hào)分別發(fā)送至從機(jī)，完成主從系統(tǒng)控制。SINAMICS Link 通信是西門子專有的具備等時(shí)同步功能的通信網(wǎng)絡(luò)，它能實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)控制單元間的直接數(shù)據(jù)交換，將數(shù)據(jù)交換延時(shí)限制在 1ms 以內(nèi)。兩臺(tái)變頻器 CU120 控制單元通過(guò)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(dòng)的工藝特殊性，最大程度保障轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠要求，針對(duì)可能出現(xiàn)某一變頻器及電機(jī)故障情況，設(shè)計(jì)采用主從任意切換方式控制。

當(dāng) 1#變頻器或電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，切換 2#變頻器為主; 當(dāng) 2#變頻器或電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，切換 1#變頻器為主，同一時(shí)間只能有一臺(tái)變頻器為主機(jī)，另一臺(tái)為從機(jī)，若兩臺(tái)設(shè)備均存在故障，則 PLC 控制轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)停機(jī)。借助 DCC( drive control chart) 自由使用的控制塊、算法塊以及邏輯塊對(duì)設(shè)備功能進(jìn)行圖形化配置和擴(kuò)展，完成轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)任意主從控制功能。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的主/從控制指令通過(guò) WINCC 畫面電機(jī)選擇信號(hào)控制。

通過(guò) WINCC 畫面選擇按鈕的先后順序，確定哪臺(tái)電機(jī)為主，哪臺(tái)為從。選擇一臺(tái)電機(jī)時(shí)則該電機(jī)被設(shè)為主機(jī); 兩臺(tái)電機(jī)投用時(shí)，先選擇的電機(jī)為主機(jī)，后選擇的電機(jī)為從機(jī)^{［10－15］}。

2. 2 抱閘打開、閉合控制

傾動(dòng)抱閘控制以 SINAMICS S120 變頻器擴(kuò)展抱閘控制技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)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(yùn)行期間，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)預(yù)設(shè)，先建立一個(gè)開抱閘命令信號(hào)，此時(shí)速度設(shè)定暫時(shí)為 0 速，待抱閘動(dòng)作時(shí)間到達(dá)后，抱閘實(shí)際有效打開，設(shè)定速度使能，同時(shí)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(diǎn)頭不晃動(dòng)，使電機(jī)在抱閘打開同時(shí)變頻器已經(jīng)輸出了足夠的轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載重力，從而穩(wěn)定運(yùn)行。圖 3 所示為轉(zhuǎn)爐實(shí)際抱閘打開的數(shù)據(jù)曲線，實(shí)際驗(yàn)證了本次項(xiàng)目升級(jí)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(zhǔn)確及快速停車制動(dòng)是生產(chǎn)的基本要求。若能完全依靠電氣制動(dòng)將設(shè)備速度降為零( 靜止?fàn)顟B(tài)) ，再通過(guò)機(jī)械抱閘制動(dòng)是最理想的。尤其是轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)在出鋼角度范圍頻繁點(diǎn)動(dòng)出鋼操作時(shí)，希望在發(fā)出停止指令后轉(zhuǎn)爐能在最短的時(shí)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(yùn)行時(shí)，希望使電機(jī)能在最短的時(shí)間內(nèi)靜止，除了盡量減少變頻器停車斜坡時(shí)間外，采取電氣加機(jī)械抱閘相結(jié)合制動(dòng)方法快速平穩(wěn)制動(dòng)停車。如圖 4 及圖 5所示，當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速為 0 后，先由變頻器控制電機(jī)快速制動(dòng)，待電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速降至低速時(shí)，發(fā)出抱閘關(guān)閉命令，完成系統(tǒng)平穩(wěn)、快速停車制動(dòng)。

3 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制系統(tǒng)改造優(yōu)化后運(yùn)行效果

新系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)任意切換主機(jī)從機(jī)，當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)投入主從并確定后，僅有一臺(tái)為主機(jī)，另一臺(tái)為從機(jī)，其中主機(jī)為雙閉環(huán)控制，工作在速度環(huán)、電流環(huán)，從機(jī)為速調(diào)轉(zhuǎn)矩積分控制，跟隨主機(jī)速度環(huán)工作在轉(zhuǎn)矩控制模式。下面以單電機(jī)為例從六個(gè)方面說(shuō)明轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制系統(tǒng)改造優(yōu)化后運(yùn)行實(shí)際效果。

3. 1 單電機(jī)速度精度

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

3. 2 單電機(jī)速度響應(yīng)

在無(wú)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(hào)，x 軸方向速度階躍開始到實(shí)際值到達(dá)設(shè)定的時(shí)間，速度響應(yīng)時(shí)間小于 60 ms，圖 7 為單電機(jī)速度響應(yīng)曲線。

3. 3 單電機(jī)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(shí)際電流到達(dá)設(shè)定的時(shí)間，電流環(huán)響應(yīng)時(shí)間小于 10 ms。圖 8 為單電機(jī)電流環(huán)響應(yīng)速度測(cè)試曲線。

3. 4 單電機(jī)為主帶載速度精度

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

3. 5 單電機(jī)為主帶載轉(zhuǎn)矩精度

圖 10 為 50% 速度電機(jī)帶載運(yùn)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(shí)際轉(zhuǎn)矩精度為± 3% 。

3. 6 帶載抱閘實(shí)際控制效果

圖 11 為生產(chǎn)時(shí)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)啟動(dòng)實(shí)際速度曲線。由曲線可知轉(zhuǎn)爐帶載啟動(dòng)抱閘打開后速度超調(diào)為 0. 56% 。

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

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要介紹基于 S120 變頻器升級(jí)改造的轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)踐表明改造優(yōu)化后的轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了真正意義上的主從控制，動(dòng)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(duì)于安全性、穩(wěn)定性、可靠性、高效性、精確性控制的要求，對(duì)于轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用具有實(shí)際性指導(dǎo)意義。

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