基于SL150的熱連軋傳動系統(tǒng)的控制與應(yīng)用

季寶偉，鹿洪偉，王萌，陳篤超，李雨儒

（1.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300180；2.丹納赫西特傳感工業(yè)控制（天津）有限公司，天津300385）

基于SL150的熱連軋傳動系統(tǒng)的控制與應(yīng)用

季寶偉1，鹿洪偉1，王萌2，陳篤超1，李雨儒1

（1.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300180；2.丹納赫西特傳感工業(yè)控制（天津）有限公司，天津300385）

SINAMICS SL150是西門子公司新型全數(shù)字矢量交交變頻控制系統(tǒng)，用于替換上一代產(chǎn)品SIMADYN D系統(tǒng)。在SL150系統(tǒng)中，針對冶金軋制有一些特殊的應(yīng)用，包括負(fù)荷平衡、負(fù)荷觀測、陷波濾波器等，其中負(fù)荷平衡保證了上下輥輸出轉(zhuǎn)矩的平均分配，采用負(fù)荷觀測器的控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗負(fù)荷擾動性，明顯減少軋機(jī)動態(tài)速降和恢復(fù)時間，陷波濾波器的運用消除了機(jī)電共振現(xiàn)象，這些應(yīng)用對生產(chǎn)線的正?？焖偕a(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)揮著重要作用。

SINAMICS SL150；負(fù)荷平衡；負(fù)荷觀測；陷波濾波器

福建某鋼鐵公司是專門從事不銹鋼熱軋卷、冷軋卷及不銹鋼深加工企業(yè)，年產(chǎn)量達(dá)300多萬t，最高生產(chǎn)速度20 m/s，該公司1 780 mm不銹鋼熱連軋項目，主傳動電動機(jī)是同步電動機(jī)，采用西門子公司SINAMICS SL150新型全數(shù)字矢量交交變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制，功率裝置為三相無環(huán)流可逆式晶閘管變流器，采用簡易而良好的創(chuàng)新設(shè)計，具有控制精度高、響應(yīng)快速、可靠性強(qiáng)、較強(qiáng)的過載能力、操作簡單及易于維護(hù)等特點。

1 SL150控制系統(tǒng)

1.1 電機(jī)數(shù)據(jù)

該生產(chǎn)線主傳動電動機(jī)均采用同步電機(jī)，配置如表1所示。

表1 電機(jī)主要數(shù)據(jù)Tab.1 The main data of motor

1.2 變壓器數(shù)據(jù)

定子整流變壓器采用三裂解整流變壓器，每個電機(jī)配有1個。具體見表2。

表2 定子變壓器主要數(shù)據(jù)Tab.2 The main data of stator transformer

勵磁變壓器由于存在共用問題，有兩裂解和三裂解整流變壓器。具體見表3。

表3 轉(zhuǎn)子變壓器主要數(shù)據(jù)Tab.3 The main data of rotor transformer

變壓器的接法有D/y和D/d，可消除和減小一定次數(shù)諧波的影響。

1.3 功率部分

1.3.1 定子整流柜

功率部分采用我單位研制的晶閘管熱管風(fēng)冷整流柜，構(gòu)成直接反并聯(lián)功率組件，比采用普通散熱器和同樣晶閘管元件構(gòu)成的裝置提高輸出能力50%左右，運行穩(wěn)定。

由于電機(jī)功率較大，同時要求較高過載倍數(shù)，所以配置了大功率整流柜，電機(jī)每相由單個或2個整流柜并聯(lián)組成，粗軋滿足2.5倍過載60 s，最高2.75倍過載10 s，精軋滿足2.0倍過載60 s，最高2.25倍10 s，以滿足軋制過程中電機(jī)的過載要求。

1.3.2 轉(zhuǎn)子整流柜

粗軋和精軋轉(zhuǎn)子整流柜額定電壓660 V，額定電流分別是2 100 A和1 420 A，最大可至2 400 A和1 600A。

圖1為該粗軋系統(tǒng)單線圖。圖2為該精軋系統(tǒng)單線圖。

圖1 粗軋系統(tǒng)單線圖Fig.1 Single line diagram of rough rolling

圖2 精軋系統(tǒng)單線圖Fig.2 Single line diagram of finish rolling

1.4 數(shù)字控制部分

主機(jī)控制器由通用微處理單元SIMOTION D445、專用微處理單元CU320-2DP（SL150）、6RA70整流裝置、各種輔助單元、接口單元（TM15，VSM，SMC30，SSI）、通訊單元（CBE30）及電源等組成。

系統(tǒng)硬件設(shè)備主要控制器以及接口端子板等組成，如圖3所示。圖3中，表示Profibus DP，——表示Drive-Cliq。

圖3 數(shù)字系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Schematic diagram of the digital system

SIMOTION D445主要完成系統(tǒng)起停的速度邏輯控制和速度調(diào)節(jié)（包括工藝控制）等任務(wù)，速度的給定控制、負(fù)荷觀測、故障綜合處理、主回路合分閘邏輯控制、操作面板OP控制、通訊等任務(wù)。SIMOTION D445與上級自動化、CU320-2DP、6RA70 DC Master裝置、ET200M之間通訊采用Profibus DP方式，CU320-2DP與PSA，TM15，VSM，SMC30等之間通訊采用Drive-Cliq方式。

CU320-2DP（SL150）主要完成矢量控制、磁通控制等任務(wù)。包括采用電壓模型和電流模型計算磁通矢量的磁通定向控制、勵磁電流給定計算、磁通閉環(huán)（包括弱磁電壓閉環(huán)和電勢閉環(huán)）控制、三相交流電流給定計算、電壓前饋控制、矢量閉環(huán)的邏輯控制、交流電流調(diào)節(jié)、斷續(xù)補(bǔ)償、換向邏輯控制、觸發(fā)脈沖控制等。

PSA通過Drive-Cliq與CU320-2DP通訊，接收電流實際值、電壓實際值和零電流信號，并發(fā)送定子脈沖信號。它與SSI之間通訊依靠光纖完成，SSI把光信號和電信號相互轉(zhuǎn)化，與功率部分相連接，最終完成信號的發(fā)送和接收。

ET200M Motor用于檢測電機(jī)繞組線圈、軸瓦、冷卻水、風(fēng)等PT100溫度信號，用于電機(jī)故障報警聯(lián)鎖。ET200M Auxiliary用來檢測輔助設(shè)備的開關(guān)量輸入，比如電機(jī)風(fēng)機(jī)電源、加熱器電源、電機(jī)漏水檢測電源、UPS電源、整流柜風(fēng)機(jī)電源、脈沖電源、主開關(guān)操作電源、輔助ET200M電源、接地檢測電源及信號等，并完成接觸器、繼電器、指示燈等的開關(guān)量控制輸出，從而組成了整個系統(tǒng)邏輯連鎖，其中也包括了勵磁高壓開關(guān)、定子高壓開關(guān)以及主開關(guān)的聯(lián)鎖控制。

TM15包括24個雙向DI/DO，用于采集了數(shù)字柜內(nèi)的開關(guān)狀態(tài)輸入信號和控制繼電器等輸出信號，VSM檢測進(jìn)線同步變壓器電壓信號，SMC30是增量型編碼器接口模塊，用于電動機(jī)的速度閉環(huán)控制。

操作面板OP177B在系統(tǒng)中主要完成系統(tǒng)調(diào)試、顯示運行參數(shù)以及主要開關(guān)狀態(tài)、系統(tǒng)故障報警等功能。

SIMOTION D445通過與6RA70 DC Master裝置通訊，發(fā)送勵磁控制信號，同時接收6RA70裝置反饋的信號，完成勵磁電流的控制。

與上一代西門子SIMADYN D交交變頻控制系統(tǒng)調(diào)試軟件由STRUC G更新為SIMOTION SCOUT軟件，SCOUT工程開發(fā)系統(tǒng)具有良好的用戶友好性。運動控制、邏輯控制與工藝控制的工程開發(fā)，以及驅(qū)動器的組態(tài)與調(diào)試，均是由一個系統(tǒng)完成的。SIMOTION可以使用運動控制圖MCC、梯形圖LAD/功能塊圖FBD、基于文本的高級語言ST、驅(qū)動控制圖DCC編程，使用DCC以結(jié)構(gòu)化方式，可以輕易地實現(xiàn)增強(qiáng)型控制任務(wù)。SIMADYN D與SL150主要硬件比較見表4，從硬件結(jié)構(gòu)上看，要比SIMADYN D系統(tǒng)更通用，更簡化。

表4 SIMADYN D和SL150的硬件比較Tab.4 Hardware comparison between SIMADYND and SL150

2 負(fù)荷平衡控制

2.1 影響負(fù)荷不平衡的因素

引起上、下輥負(fù)荷不平衡的主要原因為：電機(jī)本身的差別、上下工作輥的輥徑不同、速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的動態(tài)響應(yīng)差異、軋件上下表面的摩擦系數(shù)、溫度差等。在軋制過程中，就會造成軋制速度和負(fù)荷的不平衡，線速度大的電機(jī)電流大，線速度小的電機(jī)電流小，因此經(jīng)常出現(xiàn)過載現(xiàn)象，嚴(yán)重時損壞功率部件或機(jī)械設(shè)備，影響正常生產(chǎn)。

2.2 負(fù)荷平衡控制原理

負(fù)荷平衡控制采用PI調(diào)節(jié)器。由于積分調(diào)節(jié)作用的存在，能使被調(diào)節(jié)量的靜態(tài)偏差為零。減小積分時間，可減少調(diào)節(jié)過程中被調(diào)節(jié)量的動態(tài)偏差，但會增加調(diào)節(jié)過程的振蕩。相反，增大積分時間，可減小調(diào)節(jié)過程的振蕩，但會增加被調(diào)節(jié)量的動態(tài)偏差。因此，在調(diào)試過程中，為了達(dá)到良好的負(fù)荷平衡效果，需要適當(dāng)調(diào)整比例和積分時間。另外，對負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)量和功能投入的閾值也需要根據(jù)實際情況確定，從而使負(fù)荷平衡達(dá)到很好的效果。從工藝角度看，為使軋件往復(fù)軋制和運輸過程中自由順暢，帶頭應(yīng)微微上翹，即雪橇板特性，因此，咬鋼后延時投入負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)器。

通過計算轉(zhuǎn)矩偏差對速度進(jìn)行微調(diào)，從而改變轉(zhuǎn)矩的大小。如圖4所示，計算上、下輥的實際轉(zhuǎn)矩偏差，以此偏差信號作為負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)器的輸入信號。經(jīng)過死區(qū)功能塊、濾波器后，進(jìn)入負(fù)荷平衡PI調(diào)節(jié)器，得出糾正力矩不均的速度調(diào)節(jié)量，并將此調(diào)節(jié)量限制在所調(diào)系統(tǒng)當(dāng)前速度給定的5%以內(nèi)。

圖4 負(fù)荷平衡控制簡圖Fig.4 Schematic diagram of the load balance control

為使平衡調(diào)節(jié)總使系統(tǒng)減速，調(diào)節(jié)量總是取負(fù)值疊加在負(fù)荷較大的電動機(jī)速度給定環(huán)節(jié)上，此功能由偏差極性判斷模塊和比較模塊實現(xiàn)。此時，上、下輥的速度都可能進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果上輥的負(fù)荷大，就調(diào)節(jié)上輥速度，使其減??；如果下輥的負(fù)荷大，就調(diào)節(jié)下輥速度，使其減小。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗，一般情況下比例系數(shù)為0.1～0.5，積分時間為1～5 s，負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)器的輸出限幅為3%～5%。圖5為實際生產(chǎn)波形，在咬鋼初期，上下輥負(fù)荷差比較大，主要因為雪橇板功能的投入所引起，待負(fù)荷平衡功能投入后，上下輥電流控制在5%以內(nèi)，明顯提高了軋制質(zhì)量和生產(chǎn)節(jié)奏，一定注意負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)量不能太大，其輸出直接加減到上下輥的轉(zhuǎn)速給定上，如果調(diào)節(jié)量太大，可能導(dǎo)致打滑，且動態(tài)波動較大，引起電機(jī)電流劇烈變化，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 負(fù)荷平衡控制實際波形Fig.5 Actual curves of the load balance control

在此應(yīng)用中，是通過SIMOTION D445的CBE30模塊進(jìn)行通訊，在SCOUT的硬件配置中，把上輥、下輥配置成一主一從，并分配不同的IP地址，在下輥的D1HLBTWI程序包中實現(xiàn)負(fù)荷平衡的計算，再通過CBE30發(fā)送至上輥。

3 負(fù)荷觀測器

3.1 負(fù)荷觀測器的引入

在大多數(shù)的軋機(jī)傳動系統(tǒng)中，速度控制器采用PI調(diào)節(jié)器，其積分時間常數(shù)比電流環(huán)大很多倍，當(dāng)電機(jī)承受突加負(fù)載時，速度急劇下降，電機(jī)轉(zhuǎn)矩分量給定不能及時增大以補(bǔ)償速降，使得相對速降較大，恢復(fù)時間較長，這對于要求較高的傳動系統(tǒng)，只靠調(diào)整速度調(diào)節(jié)器參數(shù)是很難滿足調(diào)速系統(tǒng)的要求。

尤其是板帶連軋的精軋機(jī)組，各機(jī)架主傳動的轉(zhuǎn)速按秒流量原則設(shè)定，使得在正常軋制時各機(jī)架間的鋼材既不受拉，也不堆積。但問題出在咬鋼期間，例如某一時刻機(jī)架咬入鋼材，受突加負(fù)載影響，該機(jī)架轉(zhuǎn)速下降，再逐漸恢復(fù)，這時前一架的轉(zhuǎn)速已恢復(fù)，按照原來設(shè)定的速度軋制，在該機(jī)架和前一機(jī)架之間鋼材堆積，很可能導(dǎo)致廢鋼現(xiàn)象，不能滿足工藝的要求，因此，有必要引入負(fù)荷觀測器。

3.2 負(fù)荷觀測器原理

圖6是負(fù)荷觀測器的示意圖。負(fù)荷觀測器的任務(wù)是根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速實際值n和轉(zhuǎn)矩實際值T，輸出電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的觀測值T1，它是電流調(diào)節(jié)器的附加轉(zhuǎn)矩給定，與速度調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩給定T*相加，共同產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。沒有負(fù)荷觀測器時，克服負(fù)載所需要的轉(zhuǎn)矩要在轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)速偏差n*-n出現(xiàn)后，經(jīng)速度調(diào)節(jié)器的PI作用，使T*增大才能得到，這個過程較慢。有負(fù)荷觀測器后，在轉(zhuǎn)速降低和轉(zhuǎn)矩增加雙重因素作用下，觀測器很快輸出負(fù)載轉(zhuǎn)矩的觀測值，送給電流調(diào)節(jié)器，使轉(zhuǎn)矩迅速增大，速降、恢復(fù)時間減小。這時速度調(diào)節(jié)器的輸出不再承擔(dān)提供負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定的任務(wù)，只承擔(dān)動態(tài)轉(zhuǎn)矩給定和補(bǔ)償負(fù)荷觀測誤差任務(wù)，變化范圍大大減小，穩(wěn)態(tài)時T*≈0。

圖6 負(fù)荷觀測器示意圖Fig.6 Schematic diagram of load observer

負(fù)荷觀測器是由模擬電動機(jī)的積分器和負(fù)載觀測調(diào)節(jié)器組成，模擬電動機(jī)積分器的積分時間等于電動機(jī)和機(jī)械的機(jī)電時間常數(shù)，該時間常數(shù)需要在現(xiàn)場實際測量。調(diào)試過程中，比例設(shè)置較大，投入時，影響系統(tǒng)的正常工作，這時需要適當(dāng)減小比例，增加積分時間。

圖7為投入負(fù)荷觀測器功能后，SCOUT軟件采集的波形，熱連軋精軋機(jī)F8速度響應(yīng)大大加快，咬鋼時動態(tài)恢復(fù)時間由520 ms減少到200 ms，可見負(fù)荷觀測器的輸出比速度調(diào)節(jié)器的輸出快，以此達(dá)到減小動態(tài)速降和恢復(fù)時間的目的。

圖7 負(fù)荷觀測器實際運行波形Fig.7 Actual curves of the load observer

4 陷波濾波器

4.1 陷波濾波器的引入

在熱連軋的大型軋機(jī)系統(tǒng)中，頻繁出現(xiàn)軋機(jī)傳動扭振現(xiàn)象，影響正常生產(chǎn)。因為軋機(jī)傳動系統(tǒng)是一個機(jī)械動力學(xué)彈性模型，在調(diào)試期間或生產(chǎn)過程中，如果機(jī)械動力學(xué)模型的固有頻率與電氣系統(tǒng)的頻率相吻合，整個傳動系統(tǒng)會處于不穩(wěn)定狀態(tài)，從而導(dǎo)致機(jī)電共振現(xiàn)象，傳動系統(tǒng)無法正常運行。

4.2 陷波濾波器的原理

抑制軋機(jī)機(jī)電系統(tǒng)共振的最簡單有效的方法就是濾波滯后。在控制系統(tǒng)的正向通道中加一個慣性濾波環(huán)節(jié)，從而使控制系統(tǒng)特征頻率偏離機(jī)電對象的固有頻率，以消除共振現(xiàn)象。但是由于在控制系統(tǒng)中的正向通道中加入滯后環(huán)節(jié)，會影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，犧牲了系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。

因此改善其特性，希望避開機(jī)電對象的固有頻率，還要保證系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性不受影響，因此，把1個陷波濾波器放在系統(tǒng)通道中，使濾波陷波頻率ωc等于機(jī)電固有頻率ω0，大大減小或消除振蕩，同時對其他頻率沒有滯后作用，不影響系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)。

在粗軋上輥系統(tǒng)調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)由于交交變頻系統(tǒng)的諧波頻率與軋機(jī)機(jī)械系統(tǒng)固有頻率恰好吻合，造成系統(tǒng)振蕩，無法正常運行。在系統(tǒng)中設(shè)置了陷波濾波器后，有效地消除了機(jī)電共振現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本項目采用西門子公司SINAMICS SL150新型全數(shù)字矢量交交變頻控制系統(tǒng)，在2014年初順利投產(chǎn)，至今已經(jīng)連續(xù)運行11個月，取得了很好的控制效果，這也是該系統(tǒng)在國內(nèi)的第一次大規(guī)模應(yīng)用，標(biāo)志著該系統(tǒng)應(yīng)用的良好前景。

［1］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(jī)械工業(yè)出版社，2005.

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

［3］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］西門子公司.Medium?Voltage AC?Converter SINAMICS SL150 Operating Instructions［Z］.2012.

Control and Application of Hot Continuous Rolling Drive System Based on SL150

JI Bao?wei1，LU Hong?wei1，WANG Meng2，CHEN Du?chao，LI Yu?ru1
（1.Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China；2.Danaher Setra?ICG（Tianjin）Co.，Ltd.，Tianjin 300385，China；）

SINAMICS SL150 is the new digital vector AC-AC frequency conversion control system of Siemens company，used to replace the SIMADYN D system.In the metallurgical rolling，there are some special applications，including load balance，load observer，notch filter，load balance guarantees the average distribution of output torque of roll，the control system of the load observer had a strong anti load disturbance，obviously reduced the mill dynamic speed drop and recovery time，The usage of notch filter eliminates the electromechanical resonance phenomenon.The application ensures the normal rapid production and plays an important role in the quality of the products.

SINAMICS SL150；load balance；load observer；notch filter

TM921

B

2014-12-01

修改稿日期：2015-01-22

季寶偉（1982-），男，本科，工程師，Email：jbw1122@126.com