加熱爐抽鋼機(jī)聯(lián)動(dòng)過流故障分析

陳禮明，陳祥軍

（1.上海梅山鋼鐵股份有限公司培訓(xùn)中心，江蘇南京 210039；2.上海梅山鋼鐵股份有限公司熱軋廠，江蘇南京 210039）

0 引言

梅鋼熱軋廠1780 產(chǎn)線共設(shè)置3 座加熱爐，每座加熱爐出口設(shè)置2 臺抽鋼機(jī)，由于2 臺抽鋼機(jī)需共同抽出爐內(nèi)長坯，故抽鋼機(jī)采用聯(lián)動(dòng)控制方式。2014年下半年開始，3 座爐子抽鋼機(jī)接連發(fā)生過流故障，具體表現(xiàn)為抽鋼機(jī)在自動(dòng)抽鋼過程中突然停止或在抽鋼機(jī)動(dòng)作至末尾階段突然停止，傳動(dòng)柜報(bào)過流故障。

1 抽鋼機(jī)聯(lián)動(dòng)過流故障分析

1.1 抽鋼機(jī)電氣控制系統(tǒng)概述

加熱爐抽鋼機(jī)傳動(dòng)裝置分別為2 臺電機(jī)驅(qū)動(dòng)，2 臺電機(jī)分別帶減速箱，減速箱之間用鋼性聯(lián)軸器通過齒輪耦合。2 臺電機(jī)分別通過2 套逆變裝置驅(qū)動(dòng)，逆變器型號ACS800-104-0125-3，2 套逆變裝置采用主從控制，其中主機(jī)帶有速度編碼器反饋，從機(jī)不帶編碼器。加熱爐抽鋼機(jī)的傳動(dòng)裝置采用ABB 公司的ACS800 MultiDrive 變頻裝置。L1 為西門子S7-400 PLC，其中變頻柜通過Profibus 與PLC 通信[1]，其中變頻柜通過Profibus 與PLC 通信，電機(jī)尾部輸出軸接有2 只同軸的編碼器，其中增量編碼器通過普通電纜接入變頻柜，作為變頻柜的速度反饋，另一只絕對值編碼器通過Profibus 接入PLC，作為抽鋼機(jī)的實(shí)際位置反饋。系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：模塊化結(jié)構(gòu)，維護(hù)方便；功率范圍、電壓范圍較寬；并聯(lián)模塊具有冗余功能。

1.2 抽鋼機(jī)聯(lián)動(dòng)過流故障分析

這里使用的是ABB 公司自帶的DriveWindow 來監(jiān)控傳動(dòng)的數(shù)據(jù)波形，它是一款用于ABB工業(yè)傳動(dòng)的調(diào)試和維護(hù)的PC 機(jī)軟件工具，主要功能是監(jiān)控被控電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，記錄其各項(xiàng)主要的工作參數(shù)和故障顯示功能，適用于ACS600/800 和ACS-6000 系列變頻器。從監(jiān)控傳動(dòng)系統(tǒng)的波形來看，主機(jī)（1 號抽鋼機(jī)）傳動(dòng)柜的速度反饋與現(xiàn)場電機(jī)動(dòng)作一樣在（+40～-30）r/min 作正弦變化，從機(jī)（2 號抽鋼機(jī)）的速度反饋與給定速度方向相反，主機(jī)、從機(jī)的電流都很大，曲線基本重合，主機(jī)、從機(jī)的轉(zhuǎn)矩也很大，達(dá)到限幅轉(zhuǎn)矩，曲線完全重合，方向與給定方向一致。通過分析，過流曲線主要有2 種，分別是振蕩過流曲線和堵轉(zhuǎn)過流曲線。

1.2.1 振蕩過流分析

圖1 所示是捕捉到的傳動(dòng)振蕩時(shí)的一組曲線，其中曲線1 為主機(jī)速度給定、曲線2 為主機(jī)轉(zhuǎn)矩給定、曲線3 為主機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩、曲線4 為主機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、曲線5 為從機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩、曲線6 為從機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。在抽鋼機(jī)往回退的時(shí)候轉(zhuǎn)矩發(fā)生振蕩，導(dǎo)致速度發(fā)生抖動(dòng)，但最終回退過程完成，沒有發(fā)生過流停車。如果振蕩過大，那將導(dǎo)致過流停車。這里以曲線中連續(xù)的3 個(gè)時(shí)間段（60.6 s、60.7 s 和60.8）進(jìn)行分析，表1 為統(tǒng)計(jì)的曲線分時(shí)數(shù)據(jù)對比。

圖1 DriveWindow 中顯示的振蕩過流曲線

表1 曲線分時(shí)數(shù)據(jù)對比

表1 可見隨著轉(zhuǎn)矩的增大，帶編碼器的主機(jī)速度居然減小，此后速度會(huì)一直振蕩。電機(jī)轉(zhuǎn)到某個(gè)位置時(shí)機(jī)械阻力加大，導(dǎo)致加速無法正常進(jìn)行從而產(chǎn)生速度振蕩，速度振蕩必然導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩振蕩，此后進(jìn)入調(diào)整階段；如果起始點(diǎn)的振蕩較小，那么通過傳動(dòng)的后期調(diào)整基本可以在一段時(shí)間內(nèi)糾正此問題，即又回歸穩(wěn)定；但如果起始點(diǎn)振蕩很大，則后期轉(zhuǎn)矩調(diào)整越來越大，直接導(dǎo)致過流跳車[2]。

綜上所述，振蕩過流故障來源于速度的起始點(diǎn)，如果速度在起始點(diǎn)可以加速，則基本不產(chǎn)生振蕩或小幅度的振蕩，但如果在起始加速過程中速度就產(chǎn)生了振蕩，則過流故障就會(huì)發(fā)生。

1.2.2 堵轉(zhuǎn)過流曲線分析

圖2 所示曲線是電機(jī)在反轉(zhuǎn)（抽桿托起鋼往回縮的過程），啟動(dòng)過程中電機(jī)克服了一個(gè)很大的阻力f 導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩升到最大限幅值，此時(shí)電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)，但在54.8 s 的時(shí)候突阻力突然減小，電機(jī)恢復(fù)正常。由于2 臺電機(jī)為主從控制，主機(jī)為速度控制，從機(jī)為轉(zhuǎn)矩控制，主機(jī)和從機(jī)的轉(zhuǎn)矩由主機(jī)分配。電機(jī)在啟動(dòng)的瞬間，主機(jī)以速度控制模式啟動(dòng)，同時(shí)從機(jī)由轉(zhuǎn)矩控制模式啟動(dòng)，二者同時(shí)達(dá)到主機(jī)的給定速度即一個(gè)啟動(dòng)過程完成。但從曲線上看到，啟動(dòng)過程中主機(jī)和從機(jī)轉(zhuǎn)矩在增大的過程中主機(jī)的速度在某一時(shí)刻不但沒增加反而下降了。這時(shí)主機(jī)和從機(jī)經(jīng)過不斷自調(diào)整使自身轉(zhuǎn)矩不斷增大達(dá)到最大負(fù)的限幅值，但速度依然沒有增加。由牛頓第二定律F-f=ma 可知，因?yàn)镕 是在不斷增大，也就是轉(zhuǎn)矩在不斷增加，系統(tǒng)認(rèn)為此時(shí)的轉(zhuǎn)矩不夠或外界阻力太大（f 太大）[3]。造成以上現(xiàn)象的原因是有一個(gè)外力在阻止電機(jī)升速，導(dǎo)致主機(jī)速度編碼器反饋到的主機(jī)實(shí)際速度在來回振蕩，振蕩到某一時(shí)刻當(dāng)主機(jī)的實(shí)際速度接近0 速時(shí)也就是完全被外力阻住的時(shí)候就不振蕩了，然后就一直保持滿轉(zhuǎn)矩0速，在54.8s 的時(shí)候電機(jī)的轉(zhuǎn)矩突然沖破阻力，此時(shí)f減小加速度a 增大，瞬間達(dá)到給定速度，轉(zhuǎn)矩下降恢復(fù)至正常，若在滿轉(zhuǎn)矩0速的時(shí)間過長，超過了系統(tǒng)自身的調(diào)節(jié)范圍，那么出現(xiàn)的現(xiàn)象就是過流跳車。

在上面堵轉(zhuǎn)的過程中，由波形得到從機(jī)的速度值為+20 r/min 左右，但是此時(shí)的速度給定為負(fù)值（現(xiàn)場情況是抽桿往回縮，也就是需要電機(jī)以一個(gè)負(fù)的速度轉(zhuǎn)動(dòng)）?？赡艿脑蚴?，從機(jī)的速度顯示值只是傳動(dòng)內(nèi)部通過反電勢計(jì)算出來的，而電機(jī)在低速運(yùn)行的時(shí)候反電勢的計(jì)算值與實(shí)際有一定的偏差，同時(shí)現(xiàn)場觀察到此時(shí)的從機(jī)沒有像曲線上表明的在向與給定相反的方向運(yùn)行。

綜上所述，堵轉(zhuǎn)故障的發(fā)生與外力阻擋和速度反饋值有極大關(guān)系，當(dāng)電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，其電流將超過系統(tǒng)自身的調(diào)節(jié)范圍，致使過流跳車的發(fā)生。

2 抽鋼機(jī)聯(lián)動(dòng)過流故障對策及效果

從以上分析可以得知，引起抽鋼機(jī)過流故障主要是由于啟動(dòng)過程中電流異常振蕩和電機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)生堵轉(zhuǎn)所致。但具體而言，電流異常振蕩和電機(jī)堵轉(zhuǎn)的原因有很多，這其中包括機(jī)械方面的原因，如機(jī)械的一些狀態(tài)發(fā)生改變，如潤滑異常、間隙異常等；也包括電氣方面的原因，如電氣傳動(dòng)的一些參數(shù)未及時(shí)優(yōu)化等。因此對于造成故障真正原因的排查需要結(jié)合設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的跟蹤和觀察加以細(xì)致和深入的分析。

通過對已發(fā)生的過流故障首先使用DriveWindow 來監(jiān)控傳動(dòng)的數(shù)據(jù)波形，對故障的范圍和特征進(jìn)行鑒別，找出故障的可能因素，進(jìn)一步對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行實(shí)際檢查和試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)故障原因。此方法已經(jīng)被總結(jié)成相關(guān)的先進(jìn)操作法在梅鋼熱軋廠進(jìn)行推廣，不僅使類似過流故障的排查解決效率大大提升，而且利用對DriveWindow 數(shù)據(jù)波形的監(jiān)控，軋鋼操作人員可以實(shí)時(shí)干預(yù)，從而在很大程度上避免了因過流故障引起的停機(jī)。

在上述的故障排除和處理中，已經(jīng)對于原因不甚合理的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，如，為了提高抽鋼機(jī)從機(jī)實(shí)際速度的檢測精度，在從機(jī)電機(jī)的尾軸安裝了一組與主機(jī)一樣的編碼器；又如，通過優(yōu)化傳動(dòng)參數(shù)，將抽鋼機(jī)的運(yùn)行周期延長，從而在滿足工藝要求的前提下，增加了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。實(shí)踐中證明，這些設(shè)備狀態(tài)調(diào)整有效地減少了過電流事故的發(fā)生。

圖2 DriveWindow 中顯示的堵轉(zhuǎn)過流曲線

3 結(jié)束語

通過以上措施，現(xiàn)在已基本杜絕了梅鋼1780 產(chǎn)線抽鋼機(jī)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的過流故障，設(shè)備可靠性大大提高，通過對抽鋼機(jī)聯(lián)動(dòng)過流故障的分析，查找其原因及解決對策，也為其他設(shè)備查找類似問題提供了一個(gè)案例。過流故障在日常生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生，如何分析，這就需要能夠從大系統(tǒng)考慮，結(jié)合機(jī)電一體，利用現(xiàn)代化檢測手段，系統(tǒng)地查找，有針對性的解決故障。