6RA80調(diào)速裝置在張緊輥控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

裴 云　朱海云　高祥鋒　朱英韜

（1.武鋼股份公司設(shè)備管理部，湖北　武漢　430083；2.武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院；3.武漢科大自控系統(tǒng)有限公司，湖北　武漢　430081）

·生產(chǎn)與管理·

6RA80調(diào)速裝置在張緊輥控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

裴 云1朱海云1高祥鋒2朱英韜3

（1.武鋼股份公司設(shè)備管理部，湖北武漢430083；2.武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院；3.武漢科大自控系統(tǒng)有限公司，湖北武漢430081）

基于西門子6RA80直流調(diào)速裝置的主從控制模式，解決了張緊輥傳動(dòng)系統(tǒng)中速度跟隨和負(fù)荷均衡問題，提高了張緊輥傳動(dòng)系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，并介紹了6RA80的調(diào)速方式和參數(shù)設(shè)置。

主從控制；負(fù)荷均衡；6RA80；張緊輥

某連續(xù)帶鋼生產(chǎn)線從國外引進(jìn)，運(yùn)行至今將近30年，其自動(dòng)化控制系統(tǒng)已老化，而且維修困難，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)行。因此，急需對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行整體改造。

張緊輥是連續(xù)帶鋼生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，它的正常運(yùn)行是保證帶鋼質(zhì)量和設(shè)備安全的必要條件。負(fù)荷均衡是張緊輥傳動(dòng)系統(tǒng)控制的關(guān)鍵，若張緊輥負(fù)荷分配不均會(huì)導(dǎo)致輥?zhàn)哟蚧?，電機(jī)得不到充分利用，甚至?xí)箮т摂嗔?。張緊輥由主動(dòng)輥、從動(dòng)輥、壓輥組成，主輥需要進(jìn)行無靜差的基準(zhǔn)速度調(diào)節(jié)控制，從輥跟隨主輥運(yùn)行，也需要進(jìn)行無靜差的基準(zhǔn)速度調(diào)節(jié)控制。由于無靜差的速度調(diào)節(jié)控制不能保證主、從輥嚴(yán)格意義上的同步，為避免兩個(gè)輥出力不均相互拖動(dòng)，需要對(duì)全線所有的基準(zhǔn)速度輥進(jìn)行負(fù)荷均衡控制。

一、自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

連續(xù)帶鋼生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)整體改造，PLC采用西門子S7-400控制，傳動(dòng)控制系統(tǒng)采用6RA8018-6DV62-0AA0直流調(diào)速控制系統(tǒng)，人機(jī)界 面軟件采用西門子WINCC7.0。改造后的連續(xù)帶鋼生產(chǎn)線系統(tǒng)通信圖如圖1所示。

圖1中的直流電機(jī)由各自對(duì)應(yīng)的直流調(diào)速裝置6RA80控制。S7-400PLC通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)與6RA80的CBE20通信板相連接，由此傳送6RA80的狀態(tài)信息及動(dòng)作指令。

圖1　系統(tǒng)通信圖

直流調(diào)速裝置6RA80采用對(duì)等通信協(xié)議的串行接口實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（PEER TO PEER）通信。在這種運(yùn)行模式下，數(shù)據(jù)通過串口在6RA80之間進(jìn)行交換。采用對(duì)等通信協(xié)議的串行接口不僅能實(shí)現(xiàn)了多個(gè)6RA80之間的BICO互聯(lián)，還能實(shí)現(xiàn)不同裝置之間的信號(hào)互聯(lián)，例如：6RA80與6RA70或6RA24的互聯(lián)。對(duì)等接口使用連接器X177上的RS485接口（端子37、38、39和40），點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行連接圖如圖2所示。

圖2所示的主傳動(dòng)、從傳動(dòng)的總線終端電阻已激活，即p50795=1。主傳動(dòng)發(fā)送控制字和實(shí)際值，從傳動(dòng)接收狀態(tài)字和給定值。

圖2　點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行連接圖

二、控制原理及功能實(shí)現(xiàn)

連續(xù)帶鋼生產(chǎn)線張緊輥主、從控制系統(tǒng)選用6RA80四象限工作制整流器，控制邏輯采用6RA80內(nèi)部自帶雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即為速度外部閉環(huán)和電流內(nèi)部閉環(huán)控制系統(tǒng)。電機(jī)編碼器檢測到的實(shí)際速度作為速度環(huán)反饋，當(dāng)檢測到實(shí)際速度變化時(shí)，和速度給定進(jìn)行比較，若實(shí)際速度小于速度給定，將二者的差值作為速度環(huán)輸入，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后發(fā)送到電流環(huán)，增加電流環(huán)的輸入電流，提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行升速。電流環(huán)則通過分流器來檢測實(shí)際輸出電流，反饋到電流PI環(huán)入口和速度環(huán)輸出的電流值進(jìn)行比較，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來控制實(shí)際輸出電流值，使輸出電流可控，最終控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.控制方案

常用的張緊輥負(fù)荷均衡控制方法有2種：方案一，主、從輥分別具有獨(dú)立速度環(huán)和電流環(huán)控制?？刂七^程中，賦予主輥和從輥相同的速度給定，經(jīng)過速度環(huán)和電流環(huán)的調(diào)節(jié)，輸出相同的電流給定。當(dāng)檢測到主、從輥的電流反饋值存在差異時(shí)，將二者的差值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的輸出作為速度補(bǔ)償進(jìn)行調(diào)節(jié)，使負(fù)荷重新回到平衡。原理如圖3所示。方案二，只給主輥速度環(huán)和電流環(huán)控制，最終將輸出電流同時(shí)賦予主、從輥兩個(gè)電機(jī)。這樣只需要對(duì)主輥速度反饋和電流反饋進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)闊o論如何調(diào)節(jié)，主、從輥的電流給定始終一致。原理如圖4所示。

圖3　主從負(fù)荷分配方案一

圖4　主從負(fù)荷分配方案二

2.方案比較

比較而言，方案一簡單易行，只需要對(duì)主、從輥分別進(jìn)行調(diào)控即可，然后比較主、從輥的反饋電流，最后通過電流變化進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，但是這種負(fù)荷平衡系統(tǒng)響應(yīng)慢，會(huì)在最后的電流調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)微小的振動(dòng)。方案二在實(shí)施過程中比較復(fù)雜，需要在電流給定中增加控制邏輯，即在單動(dòng)時(shí)，從輥的電流給定必須與主輥脫開，形成自己獨(dú)立的速度環(huán)和電流環(huán)控制，這樣是防止當(dāng)從輥空載時(shí)因存在電流輸出而發(fā)生飛車由于方案二中主、從輥的電流給定來源一致，所以這種方法可以很好地實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均衡。在連續(xù)帶鋼生產(chǎn)線的改造中，負(fù)荷均衡方案二得到成功使用。

3.功能實(shí)現(xiàn)

該生產(chǎn)線共有5個(gè)張緊輥，由于該生產(chǎn)線中張緊輥數(shù)量較多，控制方法基本相同，因此現(xiàn)以1#張緊輥的控制為例進(jìn)行說明。按照帶鋼的行走方向，在1#張緊輥中最先接觸帶鋼的輥?zhàn)訛?#輥，另一個(gè)為2#輥，定義1#輥為主輥，2#輥為從輥。因?yàn)檫B續(xù)帶鋼生產(chǎn)線1#張緊輥的1#輥、2#輥包角相同功率不同，這樣就不需要考慮包角問題，只需要考慮電機(jī)的功率因素。負(fù)荷平衡控制的基本原理就是主、從輥按比 例分配總的轉(zhuǎn)矩。負(fù)荷分配公式如下所示：

M1=（M1+M2）×P1/（P1+P2） （1）

M2=（M1+M2）×P2/（P1+P2） （2）

式中：M1——1#輥轉(zhuǎn)矩；

M2——2#輥轉(zhuǎn)矩；

P1——1#輥的額定功率；P2——1#輥的額定功率；K=P2/P1為負(fù)載系數(shù)。

在此首先給出張緊輥主、從控制系統(tǒng)簡化的原理框圖，如圖5所示，然后分析主、從輥速度同步及負(fù)荷均衡的實(shí)現(xiàn)。

1#張緊輥單動(dòng)運(yùn)行時(shí)，入口段運(yùn)行控制字為0，主從輥的速度環(huán)和電流環(huán)分別同時(shí)參與控制，控制過程中，賦予主、從輥相同的速度給定，單動(dòng)時(shí)的速度給定為一定值。主、從輥的轉(zhuǎn)矩限幅值都由PLC給定。

圖5　張緊輥主從控制原理圖

1#張緊輥聯(lián)動(dòng)運(yùn)行時(shí)，入口段運(yùn)行控制字為1，1#張緊輥正向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)主輥承受的負(fù)載發(fā)生波動(dòng)時(shí)，會(huì)影響主輥電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩，若主輥電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩大于1%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，此時(shí)S7-400PLC程序會(huì)選擇一個(gè)大小為5%額定轉(zhuǎn)速的速度增量與從輥的轉(zhuǎn)速給定做加法運(yùn)算，由于加法運(yùn)算的和大于從輥的速度反饋，使得速度調(diào)節(jié)器迅速飽和。速度調(diào)節(jié)器飽和之后，主輥的實(shí)際轉(zhuǎn)矩乘以負(fù)載系數(shù)K，得到的絕對(duì)值來對(duì)從輥轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行限幅，主輥?zhàn)陨淼霓D(zhuǎn)矩限幅由PLC來給定。當(dāng)1#張緊輥反轉(zhuǎn)時(shí)，分析過程與之類似。

1#張緊輥的加速度設(shè)定、加速時(shí)間設(shè)置全部在PLC中完成，當(dāng)活套充套時(shí)，1#張緊輥按照PLC中設(shè)置的加速曲線跟著加速。當(dāng)活套車運(yùn)動(dòng)到滿套減速位置時(shí)，此時(shí)1#張緊輥按照PLC中設(shè)置的曲線跟著減速。

三、慣性矩補(bǔ)償

當(dāng)張緊輥加、減速運(yùn)行時(shí)，為防止帶鋼由于前后速度不一致而產(chǎn)生震蕩，必須對(duì)張緊輥電動(dòng)機(jī)進(jìn)行慣性矩補(bǔ)償。慣性矩補(bǔ)償主要由電機(jī)中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量恒定的部位組成，如芯軸等。慣性矩補(bǔ)償?shù)挠?jì)算公式為：

ΔT=J×a （3）

式中： J——機(jī)械系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子折算

到電機(jī)的固定慣性矩；

a——加速度。

通常機(jī)械制造商會(huì)給出J值，如果不能獲得，可通過傳動(dòng)調(diào)試確定。做法：（1）可以通過DP讀取傳動(dòng)數(shù)據(jù)，在S7400PLC中完成計(jì)算；（2）可以用6RA80DC master傳動(dòng)裝置內(nèi)的自由功能塊完成計(jì)算。

四、6RA80參數(shù)設(shè)置及優(yōu)化

6RA80裝置主要運(yùn)行參數(shù)設(shè)置見表1。為完善連續(xù)帶鋼生產(chǎn)線自動(dòng)化控制，使生產(chǎn)運(yùn)行于精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、安全性好的環(huán)境，需要對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品成品率。優(yōu)化電機(jī)時(shí)參數(shù)P50051=24（勵(lì)磁電流）和25（電樞電流）自動(dòng)確定PI參數(shù)，使輸出電流可控。優(yōu)化電機(jī)參數(shù)P50051=26時(shí)自動(dòng)確認(rèn)速度環(huán)的PI值。電機(jī)參數(shù)P50051=27時(shí)優(yōu)化EMF控制（包含勵(lì)磁特性曲線記錄）。

表1　主要運(yùn)行參數(shù)表

五、結(jié)語

2014年8月，直流調(diào)速裝置6RA80成功應(yīng)用于連續(xù)帶鋼生產(chǎn)線，6RA80的主從控制模式解決了張緊輥傳動(dòng)系統(tǒng)的速度跟隨和負(fù)荷均衡問題。生產(chǎn)過程中帶鋼不再劇烈抖動(dòng)，減小了對(duì)系統(tǒng)的沖擊，電機(jī)電流穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)。既保護(hù)電機(jī)，也保護(hù)傳動(dòng)設(shè)備，減少了電氣設(shè)備因負(fù)荷分配不均而引起的故障，降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，大大提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)提高了帶鋼質(zhì)量。

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