彩涂鋼板生產(chǎn)線調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂 燚，李 軍

（1.電子科技大學(xué) 中山學(xué)院，中山 528402；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006）

0 引言

彩涂鋼板作為冷軋鋼板的深加工，其生產(chǎn)依托于冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)和機(jī)械設(shè)備制造業(yè)，是上述三個(gè)行業(yè)的協(xié)作應(yīng)用，其中傳動(dòng)控制技術(shù)為整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)。長(zhǎng)期以來(lái)，直流調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)因其良好的啟制動(dòng)性能和調(diào)速性能占居主導(dǎo)地位，但是直流電機(jī)由于本身結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械換向器和電刷使其存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難等缺點(diǎn)；而鼠籠式交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)卻有著結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、易于維護(hù)等特點(diǎn)，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制技術(shù)特別是矢量控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)在調(diào)速性能和價(jià)格上己經(jīng)可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。本項(xiàng)目選用西門子工程型變頻器6SE70通過Profibus-DP組成多點(diǎn)協(xié)調(diào)傳動(dòng)的控制系統(tǒng)，代替以前的直流調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速性能完全滿足要求，維護(hù)費(fèi)用大大降低。

1 彩色涂層鋼板工藝簡(jiǎn)介

彩色涂層鋼板是近50年來(lái)在國(guó)外發(fā)展很快的一種新型金屬材料，是預(yù)涂層鋼板(Pre-painted metal)的一種，其以冷軋板、電鍍鋅板或熱鍍鋅板為基板，首先對(duì)基板表面進(jìn)行脫脂，去除帶鋼表面的軋制油脂及塵土污垢，然后在干凈的表面進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化處理，在鋼板表面形成一層化學(xué)轉(zhuǎn)化層，該轉(zhuǎn)化層能提高涂料的附著力和防腐蝕性能，然后再在該層上涂敷初涂涂料，并經(jīng)烘烤后再涂敷專門的精涂涂料，再次烘烤后剪切成板狀或卷狀，其不僅具有色彩靚麗、耐腐蝕性強(qiáng)及具有鋼板原有強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，而且與傳統(tǒng)的“先加工后涂裝”型后層鋼板(Post-painted metal) 相比更具有環(huán)保優(yōu)勢(shì)，消除了有機(jī)溶劑、脫脂劑、磷化劑等化學(xué)藥品對(duì)環(huán)境的污染。工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示：整條生產(chǎn)線分3段：入口段(開卷段)、工藝段和出口段(收卷段)。入口段主要完成帶鋼的恒張力開卷，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)。工藝段分為清洗、化涂、初涂、精涂及相應(yīng)的烘烤段，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3對(duì)S輥，分別為2#,3#、和4#S輥，實(shí)現(xiàn)張力的梯度分布。由于帶鋼運(yùn)動(dòng)速度較快，高溫烘烤爐距離相對(duì)較長(zhǎng)，但輥涂后在涂層未干以前帶鋼表面不允許接觸任何輥?zhàn)樱悦馄茐谋砻嫱繉佑绊懏a(chǎn)品質(zhì)量，因此連續(xù)帶鋼在底涂烘烤爐和面涂烘烤爐內(nèi)為自然懸垂?fàn)顟B(tài)。為進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)最后一次輥涂工序后的帶鋼狀態(tài)的控制，在面涂烘烤爐出口處設(shè)置超聲波測(cè)距儀，實(shí)時(shí)檢測(cè)爐內(nèi)帶鋼的懸垂度，以直接張力控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)4#S輥進(jìn)行張力的進(jìn)一步控制，2#S輥為間接張力控制，即通過檢測(cè)控制流過電機(jī)定子的電流大小實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)張力閉環(huán)，3#S輥為速度控制，是工藝段的速度基準(zhǔn)。出口段要實(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，保持工藝段能夠不間斷運(yùn)行。

圖1 彩涂鋼板生產(chǎn)工藝結(jié)構(gòu)圖

2 彩涂生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

彩涂鋼板生產(chǎn)工藝要求鋼帶恒張力開卷、收卷，同時(shí)工藝段各區(qū)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、張力控制精度要求較高。整個(gè)系統(tǒng)包括開/收卷電機(jī)、入/出口活套、1到5號(hào)S輥、還有多臺(tái)涂敷、涂料輥，此系統(tǒng)中我們選用了西門子6SE70系列工程型逆變器，每臺(tái)電機(jī)都配有編碼器，工作于矢量控制方式下。同時(shí)都配有CBP2通訊板，通過現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)同多電機(jī)之間的動(dòng)作。主控PLC選用西門子CPU421-DP，作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。3個(gè)EM325模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程IO，提供生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制和開關(guān)量輸入等功能。

本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，分為兩層網(wǎng)絡(luò)：第一層為Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，CPU421-DP自帶有Profibus-DP接口，作為現(xiàn)場(chǎng)總線的主站；逆變器、遠(yuǎn)程IO模塊作以及整流回饋單元為系統(tǒng)的從站，由主站控制各逆變器和遠(yuǎn)程IO的動(dòng)作；第二層為工業(yè)以太網(wǎng)，主控PLC配有太網(wǎng)通訊模塊CP443，通過集線器連接多臺(tái)工控機(jī)，上位機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)可以對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行情況、工藝參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3 調(diào)速系統(tǒng)的供電及制動(dòng)方案

考慮到本控制系統(tǒng)傳動(dòng)點(diǎn)多，而且多數(shù)電機(jī)需要頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)，我們采用了公共直流母線的供電及制動(dòng)方案，三相交流電通過SIMOVERT MASTERDRIVES整流回饋單元得到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，網(wǎng)側(cè)配進(jìn)線電抗器、自耦變壓器。整流回饋單元本身帶有高性能處理器，具有四象限運(yùn)行、電網(wǎng)電壓波動(dòng)補(bǔ)償、有效抑制諧波回饋電網(wǎng)、可設(shè)定的系統(tǒng)功率因數(shù)等特點(diǎn)，保證了高速驅(qū)動(dòng)的動(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）生產(chǎn)線的多臺(tái)電機(jī)的再生能量可以相互利用；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）回饋回路配有工作系數(shù)為25%，變壓比為1:1.2的自耦變壓器，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)。

4 Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)配置

PROFIBUS是一種應(yīng)用十分廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線，邏輯上是令牌結(jié)構(gòu)，目前有3個(gè)兼容部分，組成部分即Profibus-DP、 Profibus-PA和Profibus-FMS。其中DP是一種高速低成本通訊，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通訊。DP采用RS485數(shù)據(jù)接口，傳輸介質(zhì)用光纖或雙絞電纜，傳輸波特率從9.6Kbps到12Mbps，傳輸距離可以通過Repeater進(jìn)行擴(kuò)展，每個(gè)DP網(wǎng)上可以同時(shí)配置122個(gè)從站。

組建Profibus-DP通信網(wǎng)絡(luò)，硬件連接使用Profibus專用通訊電纜和連接器，將所有的逆變器都掛接到總線上，并將總線末端節(jié)點(diǎn)連接器上的終端電阻打開，防止總線信號(hào)在末端形成反射。軟件上需要在SIMATIC manager軟件中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)，即將實(shí)際的系統(tǒng)信息通過軟件進(jìn)行配置，并將配置信息下載到PLC中。PLC上電后便會(huì)根據(jù)這些配置信息去初始化各個(gè)從站。這些配置信息主要包括：所有逆變器的從站類型、通訊地址以及通訊數(shù)據(jù)包格式等信息。6SE70共有5種數(shù)據(jù)包格式，即PPO類型，根據(jù)控制要求的特點(diǎn)和復(fù)雜程度選擇不同的PPO格式。本系統(tǒng)選用了PPO4，包括4個(gè)控制字(PKW)和10個(gè)狀態(tài)字（PZD）。狀態(tài)字中主要存儲(chǔ)的是實(shí)際值(逆變器送往PLC的數(shù)據(jù)包) 和設(shè)定值（PLC送往逆變器的數(shù)據(jù)包）。控制字主要用了存儲(chǔ)逆變器的參數(shù)信息，主要用于調(diào)試過程中實(shí)現(xiàn)逆變器參數(shù)的讀取、設(shè)置及調(diào)整，在正常工作狀態(tài)可以通過控制字來(lái)改變逆變器的工作模式。

組態(tài)完畢后便可進(jìn)行通訊編程，在S7-400 PLC中提供了多種方式用于Profibus通訊，并且都以特定命令的方式給出。本系統(tǒng)中使用的是用于實(shí)時(shí)通信的系統(tǒng)功能SFC14和SFC15，給定相應(yīng)的參數(shù)然后調(diào)用，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器參數(shù)的讀寫，并且實(shí)時(shí)性較高。通訊方式如下所示：對(duì)地址為228的從站中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，紀(jì)錄讀取過程狀態(tài)信息，以此判斷讀取是否成功,最后將讀取到的PPO存儲(chǔ)與相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊中。

5 調(diào)速方案選擇

6SE70系列逆變器是全數(shù)字化電壓型IGBT工程型逆變器，除了恒U/f控制控制方式外，還支持適量控制，通過內(nèi)部參數(shù)配置可以實(shí)現(xiàn)速度控制或是轉(zhuǎn)矩控制兩種方式。采用矢量控制方式可以將一臺(tái)交流異步電機(jī)當(dāng)作直流電機(jī)來(lái)控制，按照電流內(nèi)環(huán)、速度外環(huán)的思路調(diào)節(jié)點(diǎn)機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩。

彩涂鋼板生產(chǎn)線中調(diào)速電機(jī)共有三類，分別是是S輥電機(jī)、活套電機(jī)和開卷收卷電機(jī)。在彩涂鋼板生產(chǎn)線正常工作時(shí)，入后活套和出口口活套中的鋼帶存量是固定的，1號(hào)到5號(hào)S輥為速度輥，決定了生產(chǎn)線的運(yùn)行速度。一個(gè)S輥有兩臺(tái)電機(jī)組成，分別是主動(dòng)輥電機(jī)和從動(dòng)輥電機(jī)。主動(dòng)輥和從動(dòng)輥通過鋼帶相連，需要保證轉(zhuǎn)速相同，因而工作在恒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式并且保證給定速度相同。但是，實(shí)際運(yùn)行中并不能保證中兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速嚴(yán)格同步。為了避免S輥中主從電機(jī)出力不均，甚至相互拖動(dòng)的情況發(fā)生，本系統(tǒng)中將主動(dòng)輥電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與從電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差做PID運(yùn)算，PID運(yùn)算輸出疊加到從動(dòng)輥轉(zhuǎn)速給定通道，作為微調(diào)補(bǔ)償。在相同給定的情況下，實(shí)現(xiàn)從動(dòng)輥轉(zhuǎn)速跟蹤主動(dòng)輥并與主動(dòng)輥負(fù)荷均衡，防止了出力不均或相互拖拽情況的發(fā)生。

鋼帶開卷和收卷過程中要求張力恒定不變，由于卷徑和開/收卷加速度的變化，轉(zhuǎn)矩給定值需要隨著卷徑和加速度的不同而調(diào)整。鋼帶在入口和出口活套內(nèi)同樣要保持張力恒定，因而入口與出口活套電機(jī)也需輸出轉(zhuǎn)矩恒定，并且可以隨著活套內(nèi)鋼帶存量和充放套的加減速過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。這兩類電機(jī)采用6SE70變頻器的恒轉(zhuǎn)矩矢量控制方式，直接給定轉(zhuǎn)矩設(shè)定值。同時(shí)，PLC還需要根據(jù)各工段的工作狀態(tài)計(jì)算轉(zhuǎn)矩給定值的動(dòng)態(tài)微調(diào)量，并通過Profibus總線發(fā)送給各自的逆變器的。實(shí)現(xiàn)開卷、收卷以及入出口活套的恒張力控制。

6 結(jié)束語(yǔ)

本彩涂鋼板生產(chǎn)線控制系統(tǒng)試車運(yùn)行以來(lái)，各逆變器運(yùn)行良好，在調(diào)速性能上完全可以與直流調(diào)速媲美，控制精度高。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。

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