基于S120的芯棒限動控制系統(tǒng)的應(yīng)用

鹿洪偉，程克林，趙春曉，季寶偉，董云鵬，穆太青

（1.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300180；2.河北鋼鐵股份有限公司承德分公司自動化中心，河北承德067000）

熱軋無縫鋼管的工藝流程，一般包括管坯準(zhǔn)備、加熱、軋制、精整和檢測包裝等幾個環(huán)節(jié)。連軋管是指將長芯棒插入毛管中，送入并同時在沿軋制線順次布置的機架中進行軋制。按芯棒運行方式的不同，可把連軋管機分為全浮動芯棒連軋管機（MM）、半浮動芯棒連軋管機（Neuval）和限動芯棒連軋管機（MPM）3 種類型。限動芯棒連軋管機的應(yīng)用，降低了設(shè)備成本，克服了芯棒長度和重量的限制，改善了鋼管質(zhì)量，并使生產(chǎn)出的鋼管直徑和長度都顯著地增加。本文以某公司180 mm 熱軋無縫鋼管芯棒限動控制系統(tǒng)為例，來介紹其控制和應(yīng)用。

1 芯棒限動系統(tǒng)簡介

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

限動芯棒連軋機組是在全浮動芯棒連軋機組的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的主要設(shè)備由4 部分組成：限動芯棒連軋管機，芯棒限動系統(tǒng)及軋機前臺，脫管機，芯棒循環(huán)系統(tǒng)。

連軋管機由5 個工作機架組成，由5 臺電機單獨驅(qū)動。每個機架2 個軋輥，沿軋制軸線依次為水平和垂直交替布置，即1，3，5 機架軋輥為水平布置，2，4 機架軋輥為垂直布置。相鄰的機架之間均有1個芯棒支撐機架。

芯棒限動系統(tǒng)的主要設(shè)備是限動齒條，它長度達25.6 m，重40 t，上、下兩側(cè)為齒形結(jié)構(gòu)，由4臺電機驅(qū)動的齒輪帶動以實現(xiàn)沿軋制線的前后運動。齒條的前端設(shè)有芯棒尾端夾持卡爪，可快速夾緊、松開芯棒。4 臺電機上、下各2 臺布置，經(jīng)減速機后的齒輪與齒條嚙合。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 芯棒限動齒條結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of retained mandrel driving gear

1.2 生產(chǎn)工藝流程

限動芯棒就是軋制時芯棒以限定速度控制運行。穿孔毛管送至軋機前臺入口輥道后，限動齒條帶動經(jīng)石墨潤滑過的芯棒快速插入毛管，其前端達到機架預(yù)定位置后，將毛管推入連軋機的軋輥孔型中進行軋制，芯棒按限定恒速運行。毛管出軋機機架后，直接進入連軋機后的脫管機進行脫管。當(dāng)毛管尾端一離開末機架，芯棒立即制動，并快速返回至準(zhǔn)備位，更換芯棒準(zhǔn)備下一軋制周期。換下的芯棒經(jīng)循環(huán)區(qū)進行冷卻和潤滑，一般情況下6至7根芯棒即能滿足生產(chǎn)要求。連軋機組的工藝布置簡圖如圖2所示。

圖2 連軋機組的工藝布置簡圖Fig.2 Arrangement diagram of pipe mill

在每一個軋制周期內(nèi)，都包含1 個芯棒速度變化的周期，稱之為芯棒的速度制度。其一般原則為：高速穿棒、高速回退和合適的限動速度。采用高速穿棒和回退是為了縮短軋制周期，提高節(jié)奏，減小溫降。其速度變化情況如圖3所示。

按該生產(chǎn)線的工藝要求，限動芯棒的最大前進速度為2.7 m/s，最大返回速度為4.5 m/s，最大加速度3 m/s2。為了達到此要求，限動齒條的傳動采用4 臺交流異步電機并聯(lián)驅(qū)動，以減小電機的轉(zhuǎn)動慣量。

圖3 限動芯棒運行曲線Fig.3 Running speed of retained mandrel

1.3 電機數(shù)據(jù)

由于限動系統(tǒng)工藝的特殊性，既要求電機在低速限動段有較高的轉(zhuǎn)矩，又要求在高速回退段有較高的速度，所以電機采用特殊定制電機。其參數(shù)為功率710 kW，電壓370 V/660 V，電流1 351 A/784 A/742 A，頻率23.2 Hz/41.4 Hz/80.8 Hz，轉(zhuǎn)速450 r/min/821 r/min/1 600 r/min，極數(shù)6。

由電機參數(shù)可知，電機轉(zhuǎn)速在450 r/min以下時，電機電壓在370 V以下，電流為1 351 A；電機的最高電壓為660 V，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速是821 r/min，在821～1 600 r/min 轉(zhuǎn)速段進入弱磁調(diào)速。

2 電氣控制系統(tǒng)

2.1 電氣控制系統(tǒng)的配置

限動芯棒齒條傳動電機為4套相互獨立的傳動系統(tǒng)。由于4 個傳動齒輪在齒條側(cè)的剛性嚙合，電機的速度必定相同。此時如果4 臺電機都作為獨立的速度控制，在運行過程中每臺電機的轉(zhuǎn)矩難以保證均衡一致。在典型的主從控制系統(tǒng)中，既要保證整個系統(tǒng)的速度同步，又要保證電機的力矩均衡，所以，該系統(tǒng)采用1個速度環(huán)，3個轉(zhuǎn)矩環(huán)的主從控制結(jié)構(gòu)。

2.1.1 逆變裝置

電機的驅(qū)動選擇西門子SINAMICS S120 系列變頻裝置，以實現(xiàn)高精度的矢量控制。為了滿足電機基速以下過載1.55 倍的要求，每臺電機的控制系統(tǒng)采用2 臺S120 逆變裝置并聯(lián)驅(qū)動，每臺裝置900 kW，并聯(lián)后額定電流約1 730 A，最大電流約2 500 A，可以達到電機最大1.7 倍過載。

西門子SINAMICS S120 系列變頻裝置的并聯(lián)，具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便等特點，并且無需均流互感器等設(shè)備，有利于節(jié)省成本。

2.1.2 整流/回饋裝置

由于限動齒條的制動比較頻繁，再生能量大，為了實現(xiàn)能量的回饋，并基于成本的考慮，該系統(tǒng)選擇晶閘管整流/回饋的控制方式?？刂蒲b置采用西門子6RA70全數(shù)字直流調(diào)速裝置，功率單元為熱管散熱結(jié)構(gòu)的大功率可逆整流裝置，電路結(jié)構(gòu)為對稱式。裝置額定電壓950 V，額定電流1 650 A，具有2倍的過載能力。

晶閘管整流/回饋裝置結(jié)構(gòu)緊湊、造價低，有效地節(jié)約了成本，減小了設(shè)備的占地面積。但由于該控制系統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)延遲角α不能小于30°，所以進線電壓不能使用標(biāo)準(zhǔn)電壓（660 V）。在該系統(tǒng)中，整流/回饋裝置的輸出電壓為910 V，整流變壓器的副側(cè)電壓選擇900 V。

2.1.3 濾波電抗器

由于整流器輸出直流母線上接有大儲能電容，造成直流母線電壓被抬高，整流輸出電流斷續(xù)，流過晶閘管的電流及進線電流波形變?yōu)榧饷}沖，既給晶閘管帶來大的電流沖擊，又給電網(wǎng)帶來大的諧波和無功，需要在直流側(cè)配置濾波電抗器加以解決。

濾波電抗器的額定電流按整流裝置的額定電流來選擇，電感值按使電流連續(xù)來進行計算。該系統(tǒng)的濾波電抗器額定電流為2 000 A，電感值LD=0.27 mH。

2.1.4 逆變器控制單元

逆變裝置的控制單元采用2 臺CU320-2 DP模塊，每個控制單元控制2臺電機。其中1#Cu定義為主（Cu_Master），控制1#，2#電機；2#Cu定義為從（Cu_Slave），控制3#，4#電機。為了實現(xiàn)2 個控制單元之間的高速通訊，選用2塊CBE20選件板進行SIMANICS Link通訊。

控制系統(tǒng)的單線圖如圖4所示。

2.2 電氣控制任務(wù)的實現(xiàn)

2.2.1 SINAMICS Link通訊

SINAMICS Link通訊通過安裝在CU320控制單元上的選件附加板CBE20來實現(xiàn)，通訊接口為InterFace1（IF1）。SINAMICS Link 能夠?qū)崿F(xiàn)100 Mbit/s的全雙工通訊，報文為16個固定的過程數(shù)據(jù)空間（PZD），最多能接收（和發(fā)送）16個PZD。

該通訊的主要任務(wù)：一是完成4 臺電機的轉(zhuǎn)矩分配，實現(xiàn)主從控制；二是完成2臺控制單元以及4臺電機的故障連鎖等。SINAMICS Link通訊示意圖見圖5。

圖4 芯棒限動電控系統(tǒng)單線圖Fig.4 Block diagram of retained mandrel electric system

圖5 SINAMICS Link通訊示意圖Fig.5 Sketch of SINAMICS Link communication

2.2.2 整流/回饋裝置的應(yīng)用

整流/回饋裝置采用外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，輸出側(cè)電壓設(shè)定為910 V。當(dāng)電機工作于電動狀態(tài)時，外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器輸出為正，整流橋工作；當(dāng)電機工作于再生狀態(tài)時，電壓調(diào)節(jié)器輸出為負，回饋橋工作。直流電壓外環(huán)還起維持直流母線電壓不變的作用。

為了抑制輸出電壓的波動，除了設(shè)置適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)器P，I 參數(shù)外，還在速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器之間加入了前饋微分環(huán)節(jié)，將直流電壓波動控制在了±0.6%以內(nèi)。

2.2.3 電機的主從控制

4 臺電機軸輸出端的剛性連接，要求傳動系統(tǒng)進行一主三從的同步控制，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的平均分配。為此，選擇1#電機控制系統(tǒng)作為主，工作在速度環(huán)；其他3 臺電機控制系統(tǒng)接收來自主電機的轉(zhuǎn)矩給定值，工作在轉(zhuǎn)矩環(huán)。轉(zhuǎn)矩的給定值選擇總轉(zhuǎn)矩設(shè)定r79。

由于1#Cu（Cu_Master）控制1#，2#電機，所以2#電機控制系統(tǒng)可以直接連接1#主系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩給定；該轉(zhuǎn)矩給定通過SINAMICS Link 通訊，由1#Cu（Cu_Master）發(fā)送給2#Cu（Cu_Slave），進而連接到3#，4#電機的轉(zhuǎn)矩給定通道上。其通訊示意圖參見圖5。

通過該控制方式，保證了4 臺電機的轉(zhuǎn)矩平衡分配，達到了主從控制的效果。4 臺電機在運行時的轉(zhuǎn)矩曲線如圖6所示。

圖6 限動電機轉(zhuǎn)矩曲線Fig.6 Torque waveforms of retained mandrel motor

2.2.4 變頻器控制參數(shù)的優(yōu)化

在設(shè)備運行過程中，為保證軋制節(jié)奏，不僅需要電機高速運行（最大速度的90%），還要求快速啟、制動。為此，將斜坡函數(shù)發(fā)生器的斜坡時間設(shè)定為2 s，并為較小負載沖擊，在開始和結(jié)束端加了0.2 s的圓弧時間。除此之外，對速度調(diào)節(jié)器的比例增益進行了適配，以使電機運行在高速時，比例系數(shù)適當(dāng)?shù)販p小，防止負載電流出現(xiàn)較大波動。

限動系統(tǒng)在1個周期內(nèi)的運行曲線如圖7所示。3條曲線從上到下依次為來自PLC的速度給定值，速度實際值和轉(zhuǎn)矩實際值。

2.2.5 特殊情況的處理

由于限動裝置帶動齒條往復(fù)運行，在異常狀態(tài)下若不能及時停止，極有可能引起撞擊，損壞設(shè)備。為此，需要對電機的快停，以及故障狀態(tài)等進行特殊處理。

快停主要是在傳動系統(tǒng)正常的情況下，為應(yīng)對外部緊急情況而快速停車。為保證4套系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡，3 套從裝置不接收來自PLC 的快停信號，只有主裝置接收快停信號，以使4套裝置在快停過程中仍保持主從控制。在系統(tǒng)停車后，再將從裝置的合閘信號撤銷。

圖7 限動電機運行速度和轉(zhuǎn)矩實際值曲線Fig.7 Speed and torque waveforms of retained mandrel motor working

為安全起見，急停功能在該系統(tǒng)中被禁止。

當(dāng)系統(tǒng)中1 套（或幾套）裝置出現(xiàn)故障時，剩下的裝置不足以保證生產(chǎn)的順利進行，必須進行緊急停車處理。為此，該系統(tǒng)的故障連鎖設(shè)定為：當(dāng)2個Cu控制單元和4套逆變裝置中任何一個出現(xiàn)故障，正常工作條件下的逆變裝置立即快停。該故障連鎖通過Cu控制單元的自由功能塊完成，對控制單元和裝置的故障位進行“或”處理，取反后連接到各個逆變裝置的快停位上。2個控制單元之間的數(shù)據(jù)交換同樣是通過SIMANICS Link通訊來完成。

3 結(jié)論

該芯棒限動控制系統(tǒng)自投產(chǎn)以來，運行穩(wěn)定，故障率低，最快生產(chǎn)周期達到了30 s，日產(chǎn)量最高超過了2 000 t，達到了預(yù)期控制效果。

［1］ 嚴(yán)澤生.現(xiàn)代熱連軋無縫鋼管生產(chǎn)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［2］ 天津電氣傳動設(shè)計研究所.電氣傳動自動化技術(shù)手冊［M］.第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［3］ 馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.