酒鋼自動化公司 自動化系統(tǒng)研究所 李東曉 常紅霞
摘要：本文針對酒鋼200萬煉鋼轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)電機的機械特性和工藝要求，結(jié)合生產(chǎn)實際，對ControlLogix PLC系統(tǒng)和1336 Force交流變頻器在酒鋼200萬煉鋼轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)的使用情況進行分析了和闡述。
關(guān)鍵詞：PLC 變頻器 傾動 自動控制
1 引 言
酒鋼200萬煉鋼有3座120t頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐，1#轉(zhuǎn)爐已經(jīng)于2005年4月份投產(chǎn)，2#和3#轉(zhuǎn)爐于2006年初投產(chǎn)，三座轉(zhuǎn)爐的傾動和氧槍系統(tǒng)均采用羅克韋爾自動化公司的Allen-Bradley Logix平臺控制系統(tǒng)-ControlLogix，NetLinx網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)ControlNet，和基于磁場定向矢量控制技術(shù)的1336 Force交流變頻器，實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐傾動和氧槍系統(tǒng)的自動控制，其自診斷和保護功能可靠，降低了設(shè)備故障停機時間，大大提高了生產(chǎn)效率。
2 轉(zhuǎn)爐傾動負載特性分析
2.1 轉(zhuǎn)爐傾動負載特性分析
在轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中，爐體傾動部分采用四臺傾動電機，通過減速機剛性連接，并采用全懸掛固定方式和扭力桿力矩吸收方式，如圖1所示。
圖1 轉(zhuǎn)爐傾動結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)工藝要求，轉(zhuǎn)爐的傾動角度為正反360°。轉(zhuǎn)爐爐口和爐底方向軸線與地平面垂直時為零位狀態(tài)。故爐子傾動負載力矩為角度的函數(shù)Mfz=f(θ) ，屬于反陰性的位能負載。另外，據(jù)工藝設(shè)計說明，轉(zhuǎn)爐按正力矩設(shè)計，即爐子耳軸下部比上部高，下部比上部重。從而確保轉(zhuǎn)爐電控系統(tǒng)失靈或抱閘力不夠時，能靠爐體自身的正力矩來確保爐口向上，這樣不至于發(fā)生倒鋼等事故。但當維修爐拆除爐底后以及爐口粘鋼渣太多時，爐體可能出現(xiàn)上部較下部重，由于液體鋼水重心隨轉(zhuǎn)爐傾角的變化而變化，這樣在修爐和出渣或出鋼時，可能出現(xiàn)負力矩。當爐體處于正力矩狀態(tài)時，電動機處于電動運行狀態(tài)，當爐體處于負力矩狀態(tài)時，電動機處于回饋制動狀態(tài)，電動機的機械特性和負載特性如圖2 。
(a)正力矩狀態(tài) (b)反力矩狀態(tài)
圖2 傾動電動機的機械特性和負載特性
傾動機構(gòu)工藝要求：
主要特性及參數(shù)：工作傾動力矩：240t.m；
過載傾動力矩：660t.m；
傾動速度：0.10-1.0r/min；
傾動角度：+/-360°；
傾動電機：變頻電動機：YTSZ315L-10，4臺；
額定功率/電壓：110kW/AC380V；
額定轉(zhuǎn)速/頻率：585r/min / 50Hz；
額定力矩/電流：1750Nm/230A；
速度反饋用編碼器：30-3641IA-1024；
3 變頻調(diào)速的原理
我們知道，交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式為：
n＝60f(1－s)/p
式中 n———異步電動機的轉(zhuǎn)速；
f———異步電動機的頻率；
s———電動機轉(zhuǎn)差率；
p———電動機極對數(shù)。
由上式可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，這就是變頻調(diào)速。
按照電力拖動原理，在基頻以下屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。由于轉(zhuǎn)爐傾動和氧槍升降屬重起動或滿載起動負載，故要求電動機在起動時要有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩和足夠大的過載能力。采用恒磁通變頻調(diào)速，在低頻時（低速時）可通過人為地提高電壓來保證電機具有最大恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性，因而可以滿足重載起動負載要求。另外由于轉(zhuǎn)爐傾動為位能負載，故有發(fā)電制動工作狀態(tài)。而變頻器可通過加“過壓保護放電阻”提供這種“回饋”通路。
由于變頻調(diào)速可以得到幾乎與直流電機調(diào)速相同“硬度”的機械特性，因而可以說，變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)完全具備了用于轉(zhuǎn)爐傾動這種位能負載上的可能性。在本項目中使用的A-B 1336FORCE變頻器，采用FORCE磁場定向控制技術(shù)，能夠獲得交流電動機速度和轉(zhuǎn)矩的卓越控制性能。FORCE技術(shù)是使交流電動機真正獲得“類似直流調(diào)速”性能的變頻技術(shù)。
4 系統(tǒng)功能
4.1控制功能
轉(zhuǎn)爐傾動變頻系統(tǒng)各變頻器的控制分兩種方式：
?。?）變頻裝置的單機調(diào)試、檢修在人機接口操作面板（HMI）上完成；
（2）設(shè)備聯(lián)動運行通過PLC系統(tǒng)實現(xiàn)（操作地點：正常生產(chǎn)時在中控室或機旁，聯(lián)機調(diào)試時在變頻器柜柜門）。
在任何一種情況下，均能保證控制方式的唯一性，而且控制方式的切換通過柜門上轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕實現(xiàn)，方便、可靠。
轉(zhuǎn)爐4臺傾動變頻器在正常工作時以1主3從方式進行工作；當其中1臺故障時，余下3臺裝置轉(zhuǎn)換調(diào)整后以1主2從方式進行工作；進一步當其中2臺故障時，余下2臺裝置轉(zhuǎn)換調(diào)整后以1主1從方式進行工作。
4.2 系統(tǒng)配置和功能實現(xiàn)
根據(jù)傾動機構(gòu)工藝要求及控制功能，每座轉(zhuǎn)爐傾動變頻系統(tǒng)配置了一套相對獨立的PLC（1#轉(zhuǎn)爐為PLC12）系統(tǒng)，通過控制總線Control Net網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐變頻器及PLC間的通訊（如圖3）, 同時實現(xiàn)與轉(zhuǎn)爐主PLC（1#轉(zhuǎn)爐為PLC11）系統(tǒng)的通訊（如圖4）。系統(tǒng)主要硬件配置如下：
傾動變頻器：1336T-B250-AA-GT3EN-L4 四臺（含制動組件）
ControlNet光纖模塊：1786-RPFS 四塊
控制系統(tǒng)：1756-L55M22 Logix5555控制器 一個
在轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(tǒng)中，4臺變頻器通過光纖連接，構(gòu)成主從應用工作組，工作時其中一臺設(shè)為主傳動工作方式，另三臺工作在從傳動方式，從傳動變頻器以轉(zhuǎn)矩模式工作，主變頻器速度由PLC系統(tǒng)通過變頻器I/O口給定，主變頻器通過Drive-to-Drive Link通訊向從機發(fā)送運行信息，內(nèi)容包括主機轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩及開關(guān)狀態(tài)等，由主從裝置參數(shù)設(shè)定自動實現(xiàn)與主傳動的速度/轉(zhuǎn)矩跟蹤和轉(zhuǎn)矩準確分配，實現(xiàn)了多電機傳動中速度同步和轉(zhuǎn)矩分配。
圖3 變頻器系統(tǒng)通訊配置圖
圖4 轉(zhuǎn)爐變頻器系統(tǒng)I/O配置圖
系統(tǒng)正常運行時， PLC系統(tǒng)通過CNB總線與轉(zhuǎn)爐傾動變頻器正常通訊，實現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)采集。當因某種原因引起故障時，例如某臺從變頻器或電機故障時，故障變頻器自動停止工作，另外三臺變頻器繼續(xù)工作，主變頻器控制負載在這三臺變頻器之間平均分配；當主變頻器或電機出現(xiàn)故障時，主變頻器停止工作，并發(fā)出故障信號，此時可設(shè)置另外一臺變頻器為主傳動，組成新的主/從工作組，按主/從方式繼續(xù)工作，新的主變頻器負責速度控制和負載分配。
另外，轉(zhuǎn)爐傾動需嚴格監(jiān)控，防止出現(xiàn)“溜車”故障，在轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(tǒng)中，利用了PLC控制程序，使抱閘在系統(tǒng)起動后轉(zhuǎn)矩建立在一定的輸出轉(zhuǎn)矩時松開，在系統(tǒng)停止后轉(zhuǎn)矩下降至一定的輸出轉(zhuǎn)矩時抱緊，大大提高了系統(tǒng)應用的可靠性。
為了監(jiān)控轉(zhuǎn)爐的傾動的位置，在設(shè)備主軸上安裝有編碼器，通過現(xiàn)場總線將信號傳送到PLC系統(tǒng)，通過PLC來計算、轉(zhuǎn)換，在畫面上顯示。
5 1336 FORCE變頻器的參數(shù)設(shè)置及鏈接
5.1 術(shù)語
(1) 參數(shù)（parameter）：存儲在裝置中包含有信息的內(nèi)存區(qū)域。包括參數(shù)號，參數(shù)數(shù)據(jù)，以及和該參數(shù)有關(guān)的所有其余信息
(2) 匯參數(shù)（sink）：可用于與其他參數(shù)接受和發(fā)送信息的讀寫參數(shù)，匯參數(shù)僅能從一個參數(shù)接受信息，但可同時發(fā)送信息至幾個匯參數(shù)。
(3) 源參數(shù)（source）：可用于發(fā)送信息至匯參數(shù)的只讀參數(shù)。一個源參數(shù)可同時發(fā)送數(shù)據(jù)至幾個匯參數(shù)。
(4) 鏈接（link）：在兩個參數(shù)(sink source)間，允許數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖溄?在link中source可以是源參數(shù)，匯參數(shù)或者功能塊代碼。
5.2 1336 FORCE變頻器的參數(shù)設(shè)置
1336 FORCE變頻器的參數(shù)較多，包含在以下四個文件中：
（1） Startup File
?。?） Communications I/O File
（3） Velocity Torque File
?。?） Diagnostics File
每個文件包含若干個參數(shù)組，變頻器某項功能所需要的參數(shù)都在一個組內(nèi)，這樣在完成一種功能設(shè)定時不需要改變參數(shù)組，但一個參數(shù)可以在多個組中。
由于變頻器功能參數(shù)很多，實際應用中，沒有必要對每一參數(shù)進行設(shè)置和調(diào)試，多數(shù)可采用缺省值，有些參數(shù)可以通過做AUTOTUNE后產(chǎn)生，例如：速度調(diào)節(jié)器和滑差調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)、額定轉(zhuǎn)速和額定電流下的Q軸和D軸電壓、電機的額定和最大最小滑差頻率等等，不需人工設(shè)定。而有些參數(shù)則要根據(jù)電機的負載特性和功能來設(shè)定，主要設(shè)置的參數(shù)為電機銘牌參數(shù)，極限參數(shù)（包括速度和電流），定標參數(shù)，鏈接參數(shù)和通訊口等。另外，更換同型號電機后，可以繼續(xù)使用原有參數(shù)而不需要改變。但反饋類型改變后，由于對整個系統(tǒng)的影響較大，需要重新做AUTOTUNE。根據(jù)傾動電機工藝參數(shù)和相關(guān)特性，表1列出了1＃傾動變頻器部分參數(shù)的設(shè)置。
表1 1＃傾動變頻器參數(shù)的設(shè)置
5.3 變頻器的參數(shù)鏈接
通過參數(shù)鏈接，可以實現(xiàn)PLC 對變頻器啟停信號的控制，變頻器反饋信號的接收以及變頻器與變頻器之間信號的傳輸。表2以1＃傾動變頻器為例說明參數(shù)鏈接及與PLC的對應關(guān)系。
表2 1＃傾動變頻器參數(shù)鏈接及與PLC的對應關(guān)系
5.4 DriverTools調(diào)試軟件
1336 Force系列交流變頻器可通過計算機圖形化參數(shù)設(shè)置、編程及監(jiān)控軟件DriveTools32，通過與變頻器通訊下載/上載方便地實現(xiàn)下列功能：
* 菜單索引的參數(shù)存取
* 參數(shù)組讀及寫
* 將現(xiàn)有的參數(shù)組復制到同系列的其它裝置上
* 打印參數(shù)組
* 對控制字進行操作（開關(guān)量命令、如開/關(guān)命令）及施加給定值
* 通過狀態(tài)字進行觀察及讀出實際植
* 讀出故障信號和報警信號
6 結(jié)束語
酒鋼200萬煉鋼1#轉(zhuǎn)爐于二零零五年四月投產(chǎn)以來，傾動變頻器系統(tǒng)滿足工藝要求，運行穩(wěn)定可靠，取得了良好的效果。
參考文獻
[1]韓安榮.通用變頻器及其應用［第2版］.北京：機械工業(yè)出版社，2000
[2]1336 Force交流變頻器用戶手冊
作者簡介
李東曉(1968-) 男 1990年7月畢業(yè)于蘭州大學數(shù)學系，現(xiàn)任酒鋼自動化公司自動化系統(tǒng)研究所副所長、工程師。
常紅霞(1970-) 女 1991年7月畢業(yè)于上海冶金工業(yè)學校電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)任酒鋼自動化公司自動化系統(tǒng)研究工程師。
（轉(zhuǎn)載）
