ACS800變頻器在鍍鋅生產(chǎn)線上的應(yīng)用

李曉燕，王首禮，范少泉，張軍保

（天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，天津 300180）

ACS800變頻器在鍍鋅生產(chǎn)線上的應(yīng)用

李曉燕，王首禮，范少泉，張軍保

（天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，天津 300180）

以連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線為應(yīng)用對(duì)象，詳細(xì)闡述了基于西門子公司的S7-400PLC和ABB公司的ACS800逆變器的交流調(diào)速自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主要介紹了基于Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)配置和基于公共直流母線供電及制動(dòng)交流調(diào)速控制方案以及直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在該交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用效果證明，此交流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制精度高。

熱鍍鋅；ACS800逆變器；現(xiàn)場(chǎng)總線；直接轉(zhuǎn)矩控制

TM502

B

隨著近些年我國(guó)熱鍍鋅技術(shù)的快速發(fā)展，熱鍍鋅技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了功能性、低能耗、低污染、高質(zhì)量和自動(dòng)化時(shí)代，其中先進(jìn)傳動(dòng)控制技術(shù)和先進(jìn)控制設(shè)備的應(yīng)用為整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)高質(zhì)量、高效率運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?？紤]到先進(jìn)性和實(shí)用性，本項(xiàng)目選用ABB公司ACS800系列變頻器，通過Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)與西門子公司的S7-400PLC相連，組成多傳動(dòng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，這樣既滿足了整條生產(chǎn)線的先進(jìn)性、實(shí)用性和便于操作的要求，又可以減少生產(chǎn)中的維護(hù)費(fèi)用。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工藝過程

圖1 熱鍍鋅鋼板生產(chǎn)工藝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Chart of continuous hot-dip galvanizing line

整條熱鍍鋅板生產(chǎn)線由入口段（開卷段）、工藝段、出口段（收卷段）組成，如圖1所示。入口段設(shè)有2臺(tái)開卷機(jī)，1套平式活套，1套脫脂機(jī)和2套S型張緊輥，入口段主要完成帶鋼的恒張力開卷、清洗脫脂，并通過入口活套存儲(chǔ)一定量的帶鋼，在入口段換卷時(shí)保證工藝段能不間斷生產(chǎn)，其中1＃S輥是整個(gè)入口段的速度基準(zhǔn)，正常生產(chǎn)時(shí)速度與工藝段保持一致。工藝段分為，退火爐、鋅鍋、冷卻塔、精整機(jī)、矯直機(jī)，由于工藝段比較長(zhǎng)，且各段張力分布不等，因此根據(jù)工藝要求安裝了6套S型張緊輥，以實(shí)現(xiàn)張力的梯度分布，其中6＃S輥是整個(gè)工藝段的速度基準(zhǔn)，也是全線的速度基準(zhǔn)。為保證工藝段的張力穩(wěn)定，3＃S輥采用直接張力控制。出口段包含出口活套、9＃S型張緊輥和卷取機(jī)，其中9＃S輥是整個(gè)出口段的速度基準(zhǔn)，正常生產(chǎn)時(shí)速度與工藝段保持一致。要實(shí)現(xiàn)高精度的恒張力收卷，收卷精度直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，出口活套平時(shí)不儲(chǔ)存帶鋼，在出口段換卷的時(shí)候進(jìn)行充套，保持工藝段不間斷運(yùn)行。

2 熱鍍鋅生產(chǎn)線電控系統(tǒng)組成

熱鍍鋅鋼板生產(chǎn)工藝要求帶鋼恒張力開卷、收卷，同時(shí)工藝段張力恒定不變，正常生產(chǎn)過程中要求入口段、工藝段、出口段線速度恒定，并且對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的速度控制、張力控制的精度和響應(yīng)快速性要求較高，為此我們選用了ABB公司的ACS800系列工程型逆變器，每臺(tái)電機(jī)都配有編碼器。整個(gè)系統(tǒng)包括開／收卷電機(jī)、入／出口活套、1?！?＃S輥、還有多臺(tái)涂敷、涂料輥，共選用了38臺(tái)ACS800逆變器。

2.1 調(diào)速系統(tǒng)的供電及制動(dòng)方案

熱鍍鋅生產(chǎn)線是典型的多傳動(dòng)控制系統(tǒng)，大部分電機(jī)都要頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)，因此采用了公共直流母線供電及制動(dòng)器方案。本系統(tǒng)選用ABB公司的多傳動(dòng)控制系統(tǒng)：晶閘管整流單元（TSU）＋ACS800系列工程型逆變器＋動(dòng)態(tài)制動(dòng)單元（DBU）。三相交流電通過ABB晶閘管整流單元得到540V左右的公共直流母線，所有的逆變器都由直流母線統(tǒng)一供電。晶閘管整流單元本身帶有高性能處理器，可用于有能量回饋的傳動(dòng)系統(tǒng)。它由2個(gè)反并聯(lián)連接的6脈波晶閘管橋組成，能夠工作于6脈波整流和12脈波整流2種整流模式下，具有向電網(wǎng)回饋能量的功能，可以有效抑制進(jìn)線電源側(cè)電網(wǎng)諧波、補(bǔ)償電網(wǎng)電壓波動(dòng)、保證了高速的驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，是多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的理想解決方案。對(duì)于本系統(tǒng)選用的供電及制動(dòng)方案主要有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）公共直流母線實(shí)現(xiàn)電能循環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)到電機(jī)的制動(dòng)；當(dāng)整條生產(chǎn)線的發(fā)電功率大于電動(dòng)功率時(shí)，制動(dòng)產(chǎn)生的再生能量可以通過整流回饋單元饋送到電網(wǎng)中。

2）不論電網(wǎng)質(zhì)量如何，整流回饋單元都能始終給驅(qū)動(dòng)器提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電源，保護(hù)驅(qū)動(dòng)器不受電源質(zhì)量影響。

3）回饋功能保證了系統(tǒng)即使工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電機(jī)在所有轉(zhuǎn)速下均可達(dá)到其最大轉(zhuǎn)矩，并且在功率因數(shù)較低及電網(wǎng)干擾的情況下，可以進(jìn)行有效隔離。

4）集中整流回饋單元加多臺(tái)逆變器的方案相對(duì)于全部采用變頻器的方案成本更低，并且具有可以設(shè)定的功率因數(shù)、高速的驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 ACS800變頻器的直接轉(zhuǎn)矩控制方法

直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）是1985年德國(guó)魯爾大學(xué)M.Depenbrock教授提出的一種不同于坐標(biāo)變換矢量控制的另外一種交流電機(jī)調(diào)速控制原理，后經(jīng)過瑞士ABB公司10多年的逐步完善以及產(chǎn)品化，在1995年該公司第一次將DTC技術(shù)應(yīng)用到通用變頻器上，推出采用DTC技術(shù)的IGBT變頻器ACS600。ACS800系列變頻器是繼ACS600后最新一代采用DTC控制的全數(shù)字高端交流變頻器，適用于：傳送帶、提升機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、擠壓機(jī)等。采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的變頻器，其通斷直接控制電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵變量：磁通和轉(zhuǎn)矩，其功能見圖2。如圖2所示，變頻器測(cè)量電機(jī)的2個(gè)相電流和直流電壓作為電機(jī)模型的輸入，電機(jī)模型生成轉(zhuǎn)矩磁通滯環(huán)控制器（direct torque and flux hysteresis control）所需的電機(jī)磁通實(shí)際值和轉(zhuǎn)矩實(shí)際值，該模型每隔25μs產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通的實(shí)際值，時(shí)間與功率元件的開關(guān)時(shí)間是同一級(jí)別。電機(jī)轉(zhuǎn)矩比較器將轉(zhuǎn)矩實(shí)際值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，磁通比較器將磁通實(shí)際值與磁通給定值作比較。依靠來自這2個(gè)滯環(huán)比較器的輸出，優(yōu)化脈沖選擇器（optimal switching control）決定逆變器的最佳開通時(shí)刻。僅當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)矩和定子勵(lì)磁的值與其給定值的偏差超過允許的磁滯時(shí)，開關(guān)頻率被改變。轉(zhuǎn)矩控制器的給定值來自于速度控制器或直接來自于外部信號(hào)源。

圖2 直接轉(zhuǎn)矩控制功能圖Fig.2 Chart of DTC

直接轉(zhuǎn)矩控制理論是利用空間矢量理論、定子磁場(chǎng)定向的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算與控制異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，從而省去了矢量控制方式的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和矢量控制磁場(chǎng)定向所用的轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算，這就減少了由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻、電感參數(shù)變化帶來的影響問題。但是在低速時(shí)，由于定子電阻上承受了大部分電壓，定子磁鏈觀測(cè)的準(zhǔn)確性受到影響，相應(yīng)的直接轉(zhuǎn)矩控制的低速性能也受到影響［1］。為此，為了保證全速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速的估算精度，ACS800系列變頻器采取了電機(jī)模型切換方法來解決低速問題，即當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速的10%時(shí)采用電壓模型計(jì)算定子磁鏈，低于額定轉(zhuǎn)速的10%時(shí)采用電流模型計(jì)算定子磁鏈，從而克服了低速下由電壓模型計(jì)算定子磁鏈不準(zhǔn)確的缺陷，提高了轉(zhuǎn)矩控制的精度。

DTC的轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)采用砰-砰控制（bandband control），把轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制，并直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。它的控制目標(biāo)是保證實(shí)際電磁力矩與給定力矩快速準(zhǔn)確的吻合，控制效果只取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況，不需要通常的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，所以它的控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制信號(hào)處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào)，是一種具有高靜、動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。而且，在直接轉(zhuǎn)矩控制方式中，每一次IGBT的導(dǎo)通都是單獨(dú)地由磁通和轉(zhuǎn)矩的值決定的，而傳統(tǒng)的PWM磁通矢量控制依靠的是預(yù)先確定的矩陣模型，這一過程所需的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于25μs，因此，產(chǎn)生滯后控制。

2.3 ACS800變頻器的通用控制特性

ACS800系列變頻器內(nèi)置了許多重要特性和選項(xiàng)：內(nèi)置進(jìn)線側(cè)電抗器可以降低諧波，這意味著較少的電磁干擾，以及電纜和變壓器中較少的發(fā)熱量；內(nèi)置EMC濾波器，可以防止進(jìn)線側(cè)瞬變從而保護(hù)傳動(dòng)；內(nèi)置制動(dòng)斬波器，可以獲得最佳的制動(dòng)效果且減小投資成本。

該系列變頻器具有完善的控制方式，能滿足帶／不帶旋轉(zhuǎn)編碼器的V／f控制方式和帶不帶旋轉(zhuǎn)編碼器的直接轉(zhuǎn)矩控制方式，另外還具有旋轉(zhuǎn)編碼器故障自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，控制程序可以在檢測(cè)到編碼器發(fā)生故障后立刻自動(dòng)切換到不帶旋轉(zhuǎn)編碼器的V／f控制或直接轉(zhuǎn)矩控制模式下繼續(xù)工作，此功能可以顯著減少整條生產(chǎn)線的故障停車時(shí)間，大大提高了生產(chǎn)效率。

擁有完善用戶界面，尤其啟動(dòng)向?qū)У膽?yīng)用，使得調(diào)試工作變得非常簡(jiǎn)便。當(dāng)用戶第一次給傳動(dòng)上電時(shí)，啟動(dòng)向?qū)П銜?huì)按最佳調(diào)試步驟引導(dǎo)你完成整個(gè)調(diào)試過程。用戶不必再擔(dān)心會(huì)忘記設(shè)置某些參數(shù)組。這樣的調(diào)試過程，大大節(jié)省了時(shí)間，使用戶可以把精力集中在關(guān)鍵問題上。自定義編程，與傳統(tǒng)的參數(shù)編程相比，ACS800的自定義編程，具有更好的適應(yīng)性。作為全系列的標(biāo)準(zhǔn)配置，就象傳動(dòng)產(chǎn)品內(nèi)置了小型的PLC，且不需要添加任何附加的軟硬件。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和功能

整個(gè)電控系統(tǒng)采用Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線通訊方式，38臺(tái)ACS800逆變器作為從站通過Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線連接到系統(tǒng)主站西門子S7-400PLC。整條鍍鋅線的自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用了1臺(tái)S7-400PLC作為控制系統(tǒng)的主控制器，統(tǒng)一控制各個(gè)電機(jī)的運(yùn)行，并配備了3個(gè)ET200遠(yuǎn)程I／O站。PLC配有以太網(wǎng)通訊模塊，上位機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)可以訪問PLC，遠(yuǎn)程監(jiān)控生產(chǎn)線的運(yùn)行。

3.1 網(wǎng)絡(luò)配置及主要功能

根據(jù)工藝要求，在3個(gè)工作段各設(shè)一個(gè)操作臺(tái)。在入口段操作臺(tái)上配1臺(tái)工控機(jī)作入口段上位機(jī)，主要完成入口段2臺(tái)開卷機(jī)、2套S輥和入口活套的啟停車和張力設(shè)定，各個(gè)機(jī)組設(shè)備的張力和速度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)視等功能，同時(shí)也可以監(jiān)視工藝段和出口段的工況。出口段操作臺(tái)也設(shè)1臺(tái)工控機(jī)作上位機(jī)，與入口段功能一樣，完成出口段各個(gè)機(jī)組參數(shù)設(shè)定和實(shí)時(shí)在線監(jiān)視功能，也可以監(jiān)控入口段和工藝段的工況。工藝段在主操作室里設(shè)1臺(tái)工控機(jī)作上位機(jī)，完成全線所有機(jī)組的啟停車和張力設(shè)定，張力、速度、故障等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄。自動(dòng)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由工業(yè)以太網(wǎng)和Profibus-DP網(wǎng)2層網(wǎng)絡(luò)組成，S7-400 PLC配有CP433工業(yè)以太網(wǎng)模塊，再通過集線器連接3臺(tái)上位機(jī)，上位機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)可以監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)過程、修改工藝參數(shù)；CPU414-2DP自帶有Profibus-DP接口，PLC作為網(wǎng)絡(luò)主站，ACS800逆變器、整流單元和3個(gè)ET200作為從站組成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)，其中整流回饋單元和逆變器實(shí)現(xiàn)對(duì)所有電機(jī)的控制，3個(gè)ET200遠(yuǎn)程I／O從站，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)操作的手動(dòng)控制，采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行信息。

圖3 總體控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Integral control network diagram

自動(dòng)化控制系統(tǒng)的功能主要包括速度控制、張力控制等。速度控制系統(tǒng)確保鋼帶以要求的工藝速度平穩(wěn)運(yùn)行，包括點(diǎn)動(dòng)速度控制、穿帶速度控制、充放套速度控制、工藝速度控制等環(huán)節(jié)。張力控制是關(guān)系生產(chǎn)線能否正常運(yùn)行，產(chǎn)品質(zhì)量能否滿足要求的關(guān)鍵技術(shù)。熱鍍鋅對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，因而對(duì)生產(chǎn)線的速度、張力的穩(wěn)定性提出了更高的要求。張力控制主要包括以下內(nèi)容：開卷機(jī)、卷曲機(jī)的恒張力控制；張緊機(jī)組負(fù)荷平衡控制；活套恒張力控制等。

3.2 ABB變頻器與S7-400的通訊

ABB ACS800逆變器提供了Profibus-DP協(xié)議通訊方式，每臺(tái)逆變器都配有RPBA-01DP網(wǎng)通訊板。本系統(tǒng)采用STEP7V5.4編程軟件對(duì)S7-400PLC編程和對(duì)Profibus-DP網(wǎng)進(jìn)行組態(tài)和通訊配置。在S7-400PLC下，對(duì)ACS800進(jìn)行Profibus-DP網(wǎng)組態(tài)和通訊配置，首先需要在S7-400的“硬件組態(tài)”功能中配置Profibus-DP的網(wǎng)絡(luò)，即將ABB變頻器的GSD（設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)）文件導(dǎo)入STEP7的編程環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)組態(tài)窗口中的可選設(shè)備目錄中就包含ABB ACS傳動(dòng)系列產(chǎn)品列表。然后將S7-400組態(tài)為網(wǎng)絡(luò)主站，ABB變頻器作為從站（網(wǎng)絡(luò)配置見圖3）。

ACS800變頻器的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)配置在第51組參數(shù)組中完成：51.1為總線類型，選擇Profibus-DP；51.2為設(shè)備地址，根據(jù)組態(tài)地址設(shè)定；51.3為波特率，根據(jù)需要設(shè)定；51.4為PPO類型，根據(jù)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)量設(shè)定；51.5～51.20為變頻器和PLC之間傳輸?shù)倪^程數(shù)據(jù)，包括S7-400讀取變頻器的主狀態(tài)字、速度實(shí)際值、轉(zhuǎn)矩實(shí)際值等數(shù)據(jù)，以及變頻器接收的主控制字、速度給定和轉(zhuǎn)矩限幅等數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

此熱鍍鋅鋼板生產(chǎn)線控制系統(tǒng)試車運(yùn)行以來，所有電控設(shè)備運(yùn)行良好，各項(xiàng)性能都能夠滿足生產(chǎn)要求。而且具有易于維護(hù)、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率。事實(shí)證明，此方案各方面性能指標(biāo)都達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

［1］ 李夙.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

［2］ 李永東.交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［3］ ABB.ACS800固件手冊(cè)［Z］.2009.

［4］ ABB.ACS800多傳動(dòng)1.5kW-5 600kW 技術(shù)樣本［Z］.2009.

［5］ 趙爭(zhēng)鳴，袁立強(qiáng)，孟朔，等.通用變頻器矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制特性比較［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，19（4）：81-85.

Applying of the ACS800Converter in Continuous Hot-dip Galvanizing Line

LI Xiao-yan，WANG Shou-li，F(xiàn)AN Shao-quan，ZHANG Jun-bao

（TianjinDesignandResearchInstituteofElectricDrive，Tianjin300180，China）

Based on the background of continuous hot-dip galvanizing line product technology，design of AC governor control system based on SIEMENS S7-400PLC and ABB ACS800inverter was introduced.The configuration of Profibus-DP network，scheme of power supplying and braking based on common DC bus and application of direct torque control（DTC）in the system were provided.The running result shows that the system features stable，reliably and high control accuracy.

hot-dip galvanizing；ACS800inverter；field bus；direct torque control

李曉燕（1980-），女，本科，工程師，Email：lxy223＠vip.sina.com

2010-11-24