西門子S120 變頻器在立式板坯連鑄機(jī)托輥系統(tǒng)上的應(yīng)用

劉志杰

（山西云時(shí)代太鋼信息自動(dòng)化技術(shù)有限公司，山西 太原 030003）

太鋼不銹鋼立式板坯連鑄機(jī)始建于20 世紀(jì)80年代中期，分別于1999 年和2004 年對(duì)相關(guān)設(shè)備和控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造升級(jí)，托輥傳動(dòng)系統(tǒng)一直沿用2004 年改造時(shí)的西門子6SE70 變頻調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前穩(wěn)定性明顯降低，故障率明顯增高，并且由于西門子6SE70 系列產(chǎn)品的停產(chǎn)，備件缺貨嚴(yán)重，費(fèi)用也比較昂貴。通過對(duì)托輥舊傳動(dòng)系統(tǒng)6SE70 升級(jí)為西門全新一代變頻傳動(dòng)技術(shù)S120 的應(yīng)用，使連鑄機(jī)生產(chǎn)水平邁上一個(gè)新的臺(tái)階。

1 連鑄工藝流程簡(jiǎn)介

立式板坯連鑄機(jī)主要由大包及大包車、中包及中包車、結(jié)晶器及振動(dòng)裝置、引錠裝置、二冷段噴淋系統(tǒng)、38 號(hào)39 號(hào)40 號(hào)拉矯托輥系統(tǒng)、一次火焰切割機(jī)、卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)、二次火焰切割機(jī)、噴號(hào)機(jī)器人等組成。

加熱成液體的合格鋼水裝在大包中，由大包車?yán)\(yùn)至中包車上方，并把鋼水倒入中包中，中包中的鋼水經(jīng)管道進(jìn)入結(jié)晶器。結(jié)晶器是連鑄機(jī)的核心部件，結(jié)晶器通過振動(dòng)裝置的振動(dòng)及一次冷卻使鋼水形成板型外殼，經(jīng)引錠裝置、拉矯托輥牽引并由二冷段噴淋水完成冷卻形成凝固板型。一次火焰切割機(jī)將板坯按定尺設(shè)定切割為板坯塊，接坯小車接住板坯后，通過卷?yè)P(yáng)斜出坯系統(tǒng)將切割后的板坯輸送至傳輸輥道，然后送至二次火焰切割機(jī)，根據(jù)訂單需求必要時(shí)進(jìn)行二次切割。最后經(jīng)噴號(hào)機(jī)器人噴號(hào)后由天車吊裝入庫(kù)，完成全流程連鑄坯生產(chǎn)過程[1]。立式板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)過程流程如圖1。

圖1 立式板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)過程流程圖

2 托輥傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)38 號(hào)39 號(hào)40 號(hào)托輥傳動(dòng)系統(tǒng)舊設(shè)備備件停產(chǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致電氣線路老化，故障率高，維護(hù)資料不全導(dǎo)致維護(hù)困難等問題，此次傳動(dòng)改造包括以上系統(tǒng)柜內(nèi)主要電氣設(shè)備進(jìn)行重新選型設(shè)計(jì)，通訊電纜、動(dòng)力電纜、控制電纜分別敷設(shè)防止電磁干擾，控制系統(tǒng)分別獨(dú)立設(shè)計(jì)，各個(gè)系統(tǒng)控制參數(shù)完全優(yōu)化，托輥和卷?yè)P(yáng)整流單元和逆變單元關(guān)鍵參數(shù)通過Profibus-DP 總線由PLC 進(jìn)行控制和監(jiān)控，控制方式采用帶編碼器的閉環(huán)矢量控制方式，托輥轉(zhuǎn)速根據(jù)拉坯速度計(jì)算之后通過通訊給定，斜出坯速度控制和轉(zhuǎn)矩控制根據(jù)工藝邏輯自動(dòng)切換，強(qiáng)大的、 圖形化的調(diào)試軟件STARTER 和高級(jí)面板AOP30 便于調(diào)試和故障排查，熱試車前電機(jī)分別進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)識(shí)別，有效提高設(shè)備動(dòng)態(tài)性能和控制精度。托輥系統(tǒng)由托輥整流單元，托輥逆變器、輸入電抗器、輸出電抗器、熱繼電器等設(shè)備組成。托輥整流單元輸出直流電壓，通過直流母線下帶3 臺(tái)書本型逆變器，每個(gè)書本型逆變器拖動(dòng)兩臺(tái)異步電機(jī)。除40 號(hào)電機(jī)帶1 個(gè)編碼器外，其余都帶兩個(gè)編碼器，其中一個(gè)將速度值給變頻器，另一個(gè)給PLC 系統(tǒng)計(jì)算坯長(zhǎng)。

控制方式采用閉環(huán)矢量編碼器控制方式，通過PROFIBUS-DP 網(wǎng)的遠(yuǎn)程通信，由P2 操作臺(tái)給出托輥速度給定，通過PLC 處理送入39 號(hào)托輥逆變器，根據(jù)39 號(hào)的電機(jī)編碼器反饋到PLC 信號(hào)值，經(jīng)PLC 處理后，將39 號(hào)電機(jī)速度反饋值作為38 號(hào)、40號(hào)電機(jī)的速度給定值，形成38 號(hào)、39 號(hào)、40 號(hào)托輥的轉(zhuǎn)速同步。其中整流單元合分閘、整流裝置“運(yùn)行”“故障”指示、電壓、電流指示通過整流端子設(shè)定。逆變單元編碼器、急停、運(yùn)行指示、故障指示、電流、電壓通過TM31 端子設(shè)定；啟停、故障復(fù)位、電動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、固定速度給定控制，變頻器狀態(tài)反饋，速度反饋通過PROFIBUS-DP 控制字和狀態(tài)字設(shè)定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖

3 板坯數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)跟蹤

板坯數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)跟蹤主要包括引錠數(shù)據(jù)跟蹤和拉坯數(shù)據(jù)跟蹤兩部分。

3.1 引錠數(shù)據(jù)跟蹤

引錠數(shù)據(jù)跟蹤主要指人工啟動(dòng)送引錠命令后，引錠桿從開始位，走至結(jié)晶器下方，然后進(jìn)入結(jié)晶器中；開始拉坯后，引錠桿自動(dòng)脫錠后返回引錠存放位的數(shù)據(jù)跟蹤處理。

引錠頭部位置的計(jì)算公式：

式中：P為引錠頭部位置；P0為起始位置；R為托輥半徑；K為托輥減速比；N為編碼器脈沖數(shù)/周；n為編碼器計(jì)數(shù)值。

引錠數(shù)據(jù)跟蹤是二冷水跟蹤及板坯長(zhǎng)度跟蹤的基礎(chǔ)。

3.2 拉坯數(shù)據(jù)跟蹤

拉坯數(shù)據(jù)跟蹤主要包括二冷水動(dòng)態(tài)跟蹤、板坯頭部跟蹤、坯尾跟蹤。

拉坯長(zhǎng)度的計(jì)算公式：

式中：L為拉坯長(zhǎng)度；D為結(jié)晶器中液位高度；R為托輥半徑；N為編碼器脈沖數(shù)/周；K39，K40分別為39號(hào)，40 號(hào)減速比；n39，n40分別為39 號(hào)，40 號(hào)編碼器計(jì)數(shù)值。

動(dòng)態(tài)二冷水模型建立和一次切割啟動(dòng)命令都依賴板坯頭部位置，因此，拉坯跟蹤數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確提供對(duì)于降低能源損耗及提高板坯質(zhì)量有著重要的意義[1]。

4 調(diào)試內(nèi)容

1）舊系統(tǒng)拆除、新設(shè)備安裝、校接線。

2）現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢，根據(jù)原理圖檢查所有接線是否正確牢固，測(cè)試所有外部接線正確無誤。

3）托輥整流/回饋單元的調(diào)試。檢查控制托輥整流/回饋單元柜內(nèi)部按照原理圖接線，無接地短路異常；柜內(nèi)元器件安裝位置順序正確齊全，試驗(yàn)動(dòng)作正?？煽?。合上逆變柜內(nèi)每相開關(guān)，三套逆變器接入直流母線，逆變器進(jìn)行上電自診斷。利用AOP30 面板進(jìn)行預(yù)調(diào)試，檢查基本參數(shù)是否正常。根據(jù)電機(jī)參數(shù)和工藝要求設(shè)置參數(shù)，利用STARTER 軟件進(jìn)行參數(shù)調(diào)試。檢查相關(guān)開關(guān)量和模擬量輸入輸出是否正常。

4）托輥逆變單元的調(diào)試。檢查控制托托輥系統(tǒng)單元柜內(nèi)元器件安裝是否正確齊全，動(dòng)作是否正常可靠，根據(jù)原理圖進(jìn)行柜內(nèi)接線的校驗(yàn)和確認(rèn)。根據(jù)原理圖檢查所有外部設(shè)備與柜子之間的連接手否正確，檢查無接地，無短路現(xiàn)象存在，搖電機(jī)絕緣符合要求。用STARTER 軟件對(duì)變頻器進(jìn)行電機(jī)靜態(tài)識(shí)別和速度閉環(huán)優(yōu)化，啟動(dòng)變頻器，輸入?yún)?shù)并進(jìn)行優(yōu)化，觀察電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況是否達(dá)到要求（要求脫開機(jī)械設(shè)備）。接上機(jī)械設(shè)備，根據(jù)電機(jī)實(shí)際電流調(diào)整顯示電流表，觀察輸出繼電器動(dòng)作是否正常并作出調(diào)整。與PLC 進(jìn)行聯(lián)動(dòng)試車，測(cè)試由PLC 來的控制信號(hào)和變頻器傳回的PLC 信號(hào)是否滿足要求。

5）托輥系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)試車。根據(jù)聯(lián)動(dòng)試車出現(xiàn)的問題相應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，滿足生產(chǎn)工藝要求。認(rèn)真記錄試車中出現(xiàn)的問題，仔細(xì)分析，及其調(diào)整系統(tǒng)的不足之處，滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。

6）帶負(fù)荷試車。

7）試生產(chǎn)。整理整流單元、38 號(hào)39 號(hào)40 號(hào)逆變單元參數(shù)表，以39 號(hào)為例見表1。

表1 關(guān)鍵參數(shù)表

5 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

1）將原有西門子傳動(dòng)系統(tǒng)6SE70 升級(jí)為新一代變頻S120，時(shí)間緊，風(fēng)險(xiǎn)高，技術(shù)難度大；圖紙和網(wǎng)絡(luò)重新設(shè)計(jì)。

2）每個(gè)托輥系統(tǒng)都是一拖二控制，控制精度和同步性調(diào)試難度大。

3）編碼器閉環(huán)矢量控制和抱閘控制方式結(jié)合工藝需要進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化。

6 結(jié)語

托輥系統(tǒng)是整個(gè)連鑄工序的核心工序之一。托輥速度不同步直接導(dǎo)致拉坯過程斷澆、停澆和其他嚴(yán)重事故發(fā)生。本次改造將自主將6SE70 升級(jí)為新一代S120 極大地提高了傳動(dòng)設(shè)備動(dòng)態(tài)性能和控制精度，提高了連鑄板坯生產(chǎn)效率和表面質(zhì)量。