并軸單輥傳動(dòng)系統(tǒng)在中厚板生產(chǎn)線中的應(yīng)用

張敬東，李巖

（1.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300180；2.天津創(chuàng)智機(jī)電有限公司，天津300462）

在許多生產(chǎn)線上，為了減少機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，經(jīng)常采用2 臺(tái)或多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并軸驅(qū)動(dòng)1 臺(tái)機(jī)械設(shè)備，例如，冶金企業(yè)的主軋機(jī)，高速線材的精軋機(jī)等。也有一些場(chǎng)合，由多臺(tái)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)某一設(shè)備的同步控制，例如升船機(jī)控制系統(tǒng)，多臺(tái)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)需要解決的問(wèn)題是速度同步控制和力矩均衡控制。

如何保證多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的速度同步和力矩均衡是電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)重點(diǎn)，我們根據(jù)SIEMENS 公司傳動(dòng)裝置的特點(diǎn)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議及Profibus通信協(xié)議，在主從控制的基礎(chǔ)上，采用負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)器保證了系統(tǒng)的速度精度及電機(jī)間的電流平衡。

1 中厚板可逆軋機(jī)簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目為1條4 300 mm 中厚板生產(chǎn)線，年產(chǎn)成品80 萬(wàn)t，產(chǎn)品規(guī)格為：鋼板厚度6～50 mm，鋼板寬度1 300～3 900 mm。主要由加熱爐區(qū)，主軋區(qū)，冷床區(qū)，精整區(qū)組成。該項(xiàng)目中軋機(jī)使用20世紀(jì)90年代鞍鋼舊設(shè)備，將原鞍鋼2臺(tái)7 500 kW電機(jī)長(zhǎng)軸連接工作輥的配置方案更換為4 臺(tái)2 500 kW 電機(jī)兩兩并軸通過(guò)減速機(jī)連接工作輥的配置方案。整條生產(chǎn)線中，并軸連接單輥傳動(dòng)電控系統(tǒng)用于主軋機(jī)上下輥的傳動(dòng)控制。對(duì)于主軋機(jī)控制，需要軋機(jī)嚴(yán)格按照軋制規(guī)程多道次往復(fù)軋制，使得鋼坯產(chǎn)生巨大的板型變化，這方面就要求電氣控制系統(tǒng)在大負(fù)荷的情況下依然具有高效的控制性能。主軋機(jī)采取上下輥分別控制，在控制中需要根據(jù)軋鋼工藝設(shè)定負(fù)荷平衡、雪橇板等控制環(huán)節(jié)。4 300 mm 中厚板生產(chǎn)線主軋區(qū)主電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 主軋區(qū)主電機(jī)參數(shù)Tab.1 Main motor parameter of main rolling system

單獨(dú)1 套并軸連接單輥傳動(dòng)電控系統(tǒng)，主回路系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。根據(jù)圖1 可以分為電樞，勵(lì)磁，編碼器，主電機(jī)4個(gè)部分。

圖1 主回路系統(tǒng)原理圖Fig.1 Shematic diagram of main circuit system

電樞主回路。2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)主電源來(lái)自1 臺(tái)8 600 kV·A/4300 kV·A×2 雙副邊整流變壓器（△/△-12，△/Y-11），每個(gè)副邊繞組向2 臺(tái)三相全控橋大功率整流柜供電。4 臺(tái)整流柜組成12相對(duì)稱可逆整流供電系統(tǒng)。

調(diào)節(jié)回路。采用2 臺(tái)西門(mén)子公司的6RA70系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置組成控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，完成速度閉環(huán)、電流閉環(huán)調(diào)節(jié)及勵(lì)磁電流的閉環(huán)控制，即既能完成非獨(dú)立的弱磁升速的控制方式。該系統(tǒng)可以滿足電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速、快速正、反向旋轉(zhuǎn)和回饋制動(dòng)的工藝要求。

勵(lì)磁回路。單獨(dú)采用1 臺(tái)西門(mén)子公司的6RA70 系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置提供勵(lì)磁回路整流供電和勵(lì)磁電流閉環(huán)調(diào)節(jié)。

2臺(tái)2 500 kW主軋電機(jī)傳動(dòng)部分共有控制裝置：整流柜4臺(tái)，調(diào)節(jié)柜2臺(tái)，勵(lì)磁柜2臺(tái)。

2 基于SIMOREG DC MASTER 主傳動(dòng)系統(tǒng)

2.1 控制方式概述

本項(xiàng)目中共使用了2 套同等配置的并軸連接單輥傳動(dòng)電控系統(tǒng)，分別對(duì)軋機(jī)上下輥相應(yīng)的直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)控制?？刂品绞讲捎萌嗳剡壿嫙o(wú)環(huán)流反并聯(lián)連接電路為電動(dòng)機(jī)提供電源。

并軸連接單輥傳動(dòng)電控系統(tǒng)采用西門(mén)子6RA70調(diào)速裝置為驅(qū)動(dòng)控制核心，針對(duì)單輥配置的2臺(tái)電機(jī)進(jìn)行主從控制。根據(jù)軋制工藝要求電動(dòng)機(jī)短時(shí)過(guò)載2.5倍，電流達(dá)到8 950 A的具體情況，單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的功率部分選用額定電流6 000 A，1.5 倍過(guò)載1 min 的可逆整流單元，最大電流達(dá)到9 000 A，滿足軋鋼工藝要求。單輥傳動(dòng)系統(tǒng)每臺(tái)SIEMENS公司直流調(diào)速裝置6RA70都裝配CBP 通訊板，通訊板和PLC 之間通過(guò)Profibus DP 網(wǎng)進(jìn)行過(guò)程數(shù)據(jù)通信。PLC 同時(shí)給上下輥直流調(diào)速主裝置發(fā)出啟動(dòng)和停車指令。上輥（下輥）2 臺(tái)SIEMENS 公司直流調(diào)速裝置采用G-SST2 串行接口進(jìn)行串行連接，高波特率傳輸用于快速數(shù)據(jù)交換，速度由S7-300PLC通訊發(fā)送給定至主裝置，構(gòu)成速度反饋調(diào)速系統(tǒng)。

自動(dòng)化系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-300系列PLC、遠(yuǎn)程I/O 站、及上位工控機(jī)，組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上滿足生產(chǎn)工藝要求，同時(shí)為用戶提供一個(gè)靈活、方便的人機(jī)操作界面，無(wú)論可靠性、易操作性及連續(xù)運(yùn)行方面都充分體現(xiàn)了分散控制、集中管理的自動(dòng)化控制理念。系統(tǒng)主要功能包括：生產(chǎn)線在線設(shè)備的各種參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)的采集和處理。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)要點(diǎn)

2.2.1 主/從控制

通常2 臺(tái)電機(jī)并軸連接傳動(dòng)的控制系統(tǒng)，多采用1個(gè)速度環(huán)，2個(gè)電流環(huán)的主從控制結(jié)構(gòu)。

首先把帶有測(cè)速編碼器的6RA70 整流裝置作為主控制器，具有速度、電流和勵(lì)磁調(diào)節(jié)回路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的速度閉環(huán)控制；第2 個(gè)6RA70 整流裝置作為從傳動(dòng)，在閉環(huán)電流控制模式下運(yùn)行，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊提取主傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩（電流）給定值作為從裝置的轉(zhuǎn)矩（電流）給定，以便這2 臺(tái)整流裝置電流給定一致，速度調(diào)節(jié)回路對(duì)于2 臺(tái)整流裝置中的任何一個(gè)都有效。

對(duì)于4 象限裝置，在電流換向時(shí)必須實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩互鎖，其作用是使2臺(tái)裝置在正反向工作時(shí)，功率單元的電流方向保持一致。

主—從裝置間的通訊接線：通過(guò)基本裝置的串行接口使裝置耦合，整流裝置使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊協(xié)議通過(guò)RS485端子連線進(jìn)行通訊，在通訊過(guò)程中裝置間的數(shù)據(jù)傳輸是由串行接口（SST2 或SST3）進(jìn)行，187.5 kb/s高波特率傳輸用于快速數(shù)據(jù)交換。主從傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of system structure

圖2 中，ASR 為速度調(diào)節(jié)器，ACR 為電流調(diào)節(jié)器，AFR 為勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)器，AFP 為勵(lì)磁電流預(yù)控，AER 為電動(dòng)勢(shì)調(diào)節(jié)器，EP 為電動(dòng)勢(shì)預(yù)控，ACP為電流預(yù)控。裝置通過(guò)4線RS485串口信號(hào)互聯(lián)示意圖如圖3所示。

圖3 主從裝置互聯(lián)示意圖Fig.3 Diagram of master-slave device interconnection

主從連接控制方式裝置傳動(dòng)參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表2。

表2 主從裝置參數(shù)配置表Tab.2 Master-slave device parameter configuration table

同時(shí)由于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊造成的主從裝置網(wǎng)絡(luò)延遲，可能導(dǎo)致電流給定的不同步，故一般在主裝置中設(shè)置P157=1，P158=20 ms，并酌情修改。

通過(guò)對(duì)4 300 mm 中板單輥主從裝置各自電流環(huán)優(yōu)化和階躍響應(yīng)參數(shù)的調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)了主從電流給定和反饋基本同步，響應(yīng)一致，主從電流偏差控制在5%以內(nèi)。

2.2.2 負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)

該項(xiàng)目軋機(jī)共配置主電機(jī)2 500 kW 4 臺(tái)，兩兩并軸經(jīng)1∶3減速機(jī)連接至軋機(jī)工作輥。直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式為

式中：CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Φ為每極主磁通；Ia為電樞電流。

本項(xiàng)目在實(shí)際軋鋼過(guò)程中，上下輥電機(jī)的磁場(chǎng)保持同步，結(jié)合轉(zhuǎn)矩公式可以看出轉(zhuǎn)矩與電流為正比例關(guān)系。所以負(fù)荷平衡的投入主要是縮小上下輥電機(jī)在軋制過(guò)程中的電流偏差。為產(chǎn)生最佳的軋制效果，要求上下輥電動(dòng)機(jī)及其電控裝置均衡出力，但在濱海項(xiàng)目的實(shí)際生產(chǎn)中，要做到這點(diǎn)較難，有下述原因：

1）在電網(wǎng)波動(dòng)大，諧波干擾大的情況下，很難保證上下輥電氣傳動(dòng)系統(tǒng)特性一致；

2）由于加熱爐的原因，有時(shí)鋼坯溫度不均勻，尤其是出現(xiàn)陰陽(yáng)面，下側(cè)溫度低；

3）上下軋輥輥徑有偏差。

系統(tǒng)的負(fù)荷平衡控制就是要盡可能縮小以上偏差造成的不良影響，否則軋鋼時(shí)，上下輥電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩電流可相差1.0～2.0 倍，電流小的不出力，電流大的頻報(bào)過(guò)電流（F021），跳快開(kāi)，甚至燒快熔。造成操作工不敢加大壓下量，產(chǎn)量、質(zhì)量都提不高。因此在濱海項(xiàng)目SVC 投入正常使用后，調(diào)試人員盡快投入上下輥負(fù)荷平衡控制，改善軋機(jī)的工作情況。

上下輥負(fù)荷平衡控制的基本原理如下：系統(tǒng)同時(shí)檢測(cè)上下輥電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，當(dāng)轉(zhuǎn)矩差超過(guò)一定值時(shí)，以下輥為基準(zhǔn)，用該轉(zhuǎn)矩差信號(hào)去控制上輥電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。若下輥轉(zhuǎn)矩大、則增加上輥轉(zhuǎn)速，若上輥轉(zhuǎn)矩大，則減小上輥轉(zhuǎn)速，將上下輥電流差控制在允許范圍內(nèi)。其系統(tǒng)框圖如圖4所示。

投負(fù)荷平衡要注意以下幾點(diǎn)：

1）單動(dòng)時(shí)，不投入負(fù)荷平衡功能；

2）系統(tǒng)設(shè)置了轉(zhuǎn)矩差死區(qū)，軋機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)荷平衡一般不起作用；

圖4 單輥傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷平衡控制框圖Fig.4 The load balance control block diagram of single roll drive system

3）預(yù)先把上下輥主傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)靜特性調(diào)一致；

4）負(fù)荷平衡可以做到無(wú)電流差的調(diào)節(jié)，但實(shí)際軋鋼不允許，如果前述偏差在允許范圍內(nèi)（如輥徑、鋼溫），就允許有一定的軋制力差，如果追求上下輥電流無(wú)差，軋件就會(huì)上翹或下彎，不能正常軋制；

5）要求前述各項(xiàng)偏差值都應(yīng)保持在一定公差范圍內(nèi)。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的功率是一定的。當(dāng)偏差超出允許范圍，即使一輥電動(dòng)機(jī)過(guò)流跳閘，也不一定能調(diào)過(guò)來(lái)。

在對(duì)濱海4 300 mm中板軋機(jī)約半月的負(fù)荷平衡調(diào)試中，記錄了無(wú)負(fù)荷平衡軋鋼和有負(fù)荷平衡軋鋼的工作狀態(tài)，現(xiàn)根據(jù)軋鋼示波進(jìn)行比較說(shuō)明。

圖5為4 300 mm軋機(jī)未投負(fù)荷平衡時(shí)的軋鋼波形。從波形看，電流環(huán)震蕩，且上下輥電流差值大。在鋼溫不均勻的條件下，有時(shí)甚至達(dá)到25%。

圖5 無(wú)負(fù)荷平衡電流波形圖Fig.5 Waveforms diagram of Without load balancing

圖6 有負(fù)荷平衡電流波形圖Fig.6 Waveforms diagram of load balancing

圖6 為4 300 mm 軋機(jī)投負(fù)荷平衡后的軋鋼波形。從波形看電流環(huán)穩(wěn)定，無(wú)諧波。上下輥電流偏差明顯縮小，同一時(shí)刻最大電流偏差為5%，滿足電流偏差≤10%的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試應(yīng)用

該項(xiàng)目中單輥傳動(dòng)電控系統(tǒng)調(diào)試主要依據(jù)以下3個(gè)步驟進(jìn)行。

首先檢查系統(tǒng)硬件狀態(tài)，確認(rèn)外觀極性沒(méi)有問(wèn)題后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行上電初始化，同時(shí)根據(jù)主軋電動(dòng)機(jī)參數(shù)，準(zhǔn)確設(shè)定全數(shù)字直流調(diào)速裝置的重要參數(shù)，如電機(jī)額定電樞電流、速度、轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流等。之后通過(guò)升壓實(shí)驗(yàn)觀察電壓波形，初步核實(shí)系統(tǒng)硬件設(shè)備的好壞情況。

其次針對(duì)電動(dòng)機(jī)提供磁場(chǎng)，進(jìn)行開(kāi)環(huán)測(cè)試，用來(lái)檢驗(yàn)電流給定和反饋是否正常，同時(shí)校對(duì)脈沖編碼器方向，使其與轉(zhuǎn)矩方向一致。堵轉(zhuǎn)電機(jī)完成電流環(huán)優(yōu)化，同時(shí)查看電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)狀態(tài)，是否存在異常，及時(shí)排查解決故障，確保后續(xù)升速加載過(guò)程正常工作。

最后針對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)測(cè)試，校對(duì)各項(xiàng)參數(shù)是否正常，完成速度優(yōu)化和勵(lì)磁優(yōu)化。并根據(jù)軋鋼工藝要求調(diào)試系統(tǒng)特性，使系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)滿足正常生產(chǎn)的需要。

4 結(jié)論

本文主要闡述了并軸連接單輥傳動(dòng)電控系統(tǒng)在中厚板生產(chǎn)線中的應(yīng)用，通過(guò)主從控制和負(fù)荷平衡的投入使用，將4 臺(tái)主電機(jī)電流偏差控制在10%的額定電流以內(nèi)。系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)、性能參數(shù)完全達(dá)到設(shè)計(jì)輸入、輸出要求。系統(tǒng)設(shè)備在快速響應(yīng)及穩(wěn)定運(yùn)行方面滿足4 300 mm 中板廠生產(chǎn)線工況條件下的正常、無(wú)故障運(yùn)行。在2013 年10 月該系統(tǒng)在浙江濱海4 300 mm 中厚板工程項(xiàng)目中成功投入使用，為以后的類似工程項(xiàng)目開(kāi)辟了新的配置方案和解決途徑。

［1］ 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］ 編輯委員會(huì).電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.