西門子變頻器在焦?fàn)t車輛上的應(yīng)用

宋 健

（天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司焦化廠，河北056404）

0 引言

2009 年初，金牛天鐵煤焦化有限公司建成兩座JNX70-2 型頂裝式焦?fàn)t，年產(chǎn)焦炭160 萬(wàn)t，其配套焦?fàn)t機(jī)械為大連重工·起重集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)、制造，包含裝煤車、推焦車、攔焦車及干濕兩用電機(jī)車。

焦?fàn)t機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制精度要求很高，要完成裝煤、推焦、導(dǎo)焦、熄焦等焦炭生產(chǎn)全部工藝流程。由于焦?fàn)t連續(xù)生產(chǎn)，節(jié)奏緊張，對(duì)出焦設(shè)備性能提出很要求；因此大連重工·起重集團(tuán)有限公司在借鑒國(guó)內(nèi)外各種先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造了全自動(dòng)操作的7 m 焦?fàn)t車輛；這些車輛均采用觸摸屏及S7-400 控制，通過(guò)西門子變頻器、施耐德軟啟動(dòng)器等，實(shí)現(xiàn)了操作過(guò)程的程序化、自動(dòng)化，使設(shè)備的運(yùn)行效率和操作可靠性大大加強(qiáng)。在裝煤、推焦、平煤、走行、煙塵處理、清門等操作中均使用了6SE70 系列變頻器，變頻器的調(diào)速和控制作用尤為突出。下面就將變頻器的相關(guān)應(yīng)用予以論述。

1 變頻器工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1 變頻器工作原理

交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式見(jiàn)公式（1）：

式中，n為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；s為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；f為異步電動(dòng)機(jī)的頻率（Hz）；p為異步電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。

由公式1 可知，轉(zhuǎn)速n和頻率f為正比例關(guān)系，要想改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n只需改變頻率f便可實(shí)現(xiàn)。并且電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍因?yàn)轭l率f可在0～50 Hz 范圍內(nèi)改變，所以變得非常寬。因此，變頻器可以利用這種方法實(shí)現(xiàn)高效率、高性能的調(diào)速。

西門子變頻器（見(jiàn)圖1）可以依據(jù)說(shuō)明上限定的電壓允許范圍工作在頻率為50～60 Hz 的三相交流電網(wǎng)上。裝置將電網(wǎng)電壓整流，并送到直流中間回路上。功率部分由直流中間回路利用脈沖寬度調(diào)制方法（PWM）生成一個(gè)可變輸出頻率（0-500 Hz）的三相系統(tǒng)。裝置的內(nèi)部還有一個(gè)集成供電單元負(fù)責(zé)供給24VDC 電壓。變頻器由內(nèi)部閉環(huán)電子線路的微處理器進(jìn)行系統(tǒng)控制，控制功能由變頻器內(nèi)置程序?qū)崿F(xiàn)。變頻器可通過(guò)PMU 普通型控制面板、OP1S 高級(jí)控制面板、控制端子排或DP 總線等進(jìn)行操作設(shè)置。同時(shí)，6SE70 變頻器還配備幾個(gè)通訊端口及用于最多6 個(gè)擴(kuò)展板的卡槽。如使用測(cè)速編碼器或解算裝置，在其與變頻器進(jìn)行連接時(shí)必須使用帶屏蔽的電纜且電纜屏蔽層不允許中斷。HTL 增量編碼器（TTL 帶SBP 選件板）和模擬測(cè)速機(jī)可用作電動(dòng)機(jī)的編碼器。

圖1 西門子6SE70 變頻器工作原理

1.2 變頻器的結(jié)構(gòu)

變頻器是可以把工頻電源轉(zhuǎn)化為電壓和頻率均可調(diào)整的三相交流電的裝置。它主要由主電路和控制電路兩大部分組成。主電路即整流、逆變回路；控制電路即顯示、操作、控制電源供給、系統(tǒng)控制、各板卡接口、信號(hào)回路測(cè)定及傳輸、外控接線端子等。西門子6SE70 變頻器工作原理見(jiàn)圖2。

圖2 西門子6SE70 系列（AC-AC）裝置結(jié)構(gòu)圖

2 熱焦罐車走行電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成及主從功能控制原理

2.1 熱焦罐車走行電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成

熱焦罐車走行電氣控制系統(tǒng)有4 臺(tái)走行電動(dòng)機(jī)，分別使用西門子6SE7031-0HF60-Z 矢量控制變頻器進(jìn)行一拖一的控制。每臺(tái)電動(dòng)機(jī)均配置速度編碼器進(jìn)行反饋，通過(guò)PLC 及Pro-DP 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通訊，利用抱閘進(jìn)行制動(dòng)。通過(guò)變頻器控制不僅使走行電動(dòng)機(jī)在低頻狀態(tài)擁有足夠的啟動(dòng)力矩，而且還使力矩電流達(dá)到了平衡。系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

圖3 PLC 與Profibus、SIMOLINK 總線組成的主從控制系統(tǒng)

2.2 變頻器主從控制原理

熱焦罐車的走行變頻器和電動(dòng)機(jī)為一拖一控制，變頻器之間為主從控制，其中設(shè)置1#變頻器為主變頻器，2#、3#、4#變頻器為從變頻器。熱焦罐車使用S7-400 PLC，通過(guò)Pro-DP 總線實(shí)現(xiàn)對(duì)1#變頻器的控制，利用SIMOLINK 總線實(shí)現(xiàn)1#變頻器對(duì)2#、3#、4#變頻器的控制。各變頻器通過(guò)SIMOLINK 光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)互輸，每臺(tái)變頻器既為發(fā)送器同時(shí)也為接收器。通過(guò)SLB 板，各變頻器實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系數(shù)及其他數(shù)據(jù)的接收功能，之后再將這些數(shù)據(jù)傳送到其他變頻器中實(shí)現(xiàn)其發(fā)送功能，所以變頻器可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩電流給定值的直接傳送。但在熱焦罐車走行系統(tǒng)中，僅設(shè)置1#主變頻器擁有發(fā)送能力，而另外3 臺(tái)從變頻器只具有接收能力。S7-400 通過(guò)Pro-DP 總線對(duì)1#變頻器速度進(jìn)行定義后，1#變頻器接收到該值后會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)給定值并傳送至2#-4#變頻器中，這個(gè)給定值一般含有位置信息、速度值和加速度時(shí)間等。

3 生產(chǎn)過(guò)程中西門子6SE70 變頻器的故障及處理

西門子6SE70 系列變頻器雖然使用了目前最為先進(jìn)的制造工藝和最為可靠的電子器件，其可靠性十分有保證；但是使用環(huán)境不當(dāng)或極端條件時(shí)同樣會(huì)使變頻器損壞。為了更好的發(fā)揮變頻器的性能，保證連續(xù)生產(chǎn)的穩(wěn)定順行；就需要熟知變頻器的結(jié)構(gòu)，了解變頻器的工作原理和參數(shù)設(shè)置等，同時(shí)需要掌握一些常見(jiàn)報(bào)警、故障的含義及一般故障的維修方法。下面就將我單位經(jīng)常遇見(jiàn)的故障現(xiàn)象進(jìn)行舉例說(shuō)明。

3.1 PLC 與2#變頻器的通訊故障導(dǎo)致PLC 停機(jī)

2019 年8 月29 日14：00，2#熱焦罐車PLC 開(kāi)始頻繁停機(jī)。更換PLC 的CPU 模塊后，問(wèn)題仍不能解決。后檢查發(fā)現(xiàn)PLC 與2#變頻器的存在通訊故障。為確保生產(chǎn)，將2#變頻輸入輸出通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行屏蔽處理，消除了PLC 頻繁停機(jī)現(xiàn)象，用1#、3#、4#變頻器繼續(xù)生產(chǎn)，等待檢修進(jìn)行處理，同時(shí)派專業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控。

到檢修時(shí)間后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行檢查未見(jiàn)異常，但恢復(fù)2#變頻器運(yùn)行后，通訊故障仍然存在，遂將2#變頻器CBP 板與1#變頻器CBP 進(jìn)行對(duì)調(diào)，發(fā)現(xiàn)1#變頻器與PLC 通訊出現(xiàn)故障，于是判定此次故障是因CBP 板導(dǎo)致的。

將2#變頻器的CBP 板更換后投入使用，在運(yùn)行過(guò)程中2#變頻器又報(bào)F053 編碼器故障。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)編碼器進(jìn)行檢查，未見(jiàn)接線和固定異常，于是判斷編碼器與變頻器連接電纜可能存在干擾，鋪設(shè)臨時(shí)電纜進(jìn)行處理，故障現(xiàn)象得到緩解，之后調(diào)整濾波時(shí)間參數(shù)，延長(zhǎng)濾波時(shí)間，故障得到解決。

這次故障久其原因比較復(fù)雜，但事后總結(jié)，設(shè)備布線的規(guī)范安裝至關(guān)重要，因?yàn)楦蓴_引起的設(shè)備故障也需考慮。

3.2 1#裝煤車變頻器報(bào)F015 故障

2018 年12 月26 日15：10 時(shí)，通知1#煤車3#螺旋無(wú)法下料。技術(shù)人員到場(chǎng)后，對(duì)3#變頻器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)PMU 面板報(bào)F015 電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)失步故障；查看此變頻器電流曲線，發(fā)現(xiàn)裝煤過(guò)程中電流值突然增大，遂判斷此次故障極有可能是因?yàn)檠b煤孔堵料造成的。對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)位后，變頻器恢復(fù)正常。對(duì)下煤套筒和螺旋給料裝置進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)螺旋給料裝置內(nèi)有1 m 左右鋼筋卡阻，將鋼筋取出后，對(duì)下煤套筒中余煤進(jìn)行清理。再次啟動(dòng)該變頻器，下煤情況正常。這是由于生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)物料篩檢不嚴(yán)而導(dǎo)致的一次設(shè)備故障，通過(guò)此次故障，對(duì)備煤上煤到煤塔下煤的各環(huán)節(jié)均加強(qiáng)了雜物清理，此后未再因類似問(wèn)題而影響生產(chǎn)。

3.3 2#電機(jī)車走行變頻器、轉(zhuǎn)罐變頻器頻繁報(bào)故障F082

2017 年11 月19 日白天，2#電機(jī)車在98#炭化室接焦過(guò)程中，轉(zhuǎn)罐變頻器突然停止，變頻器PUM面板報(bào)故障F082，待故障確認(rèn)接焦完畢，在向CDQ送焦的走行過(guò)程中，1#、2#變頻器又突然停止，變頻器PUM 面板亦報(bào)故障F082。進(jìn)行故障復(fù)位后，可正常行車，待送焦完畢又去接焦的走行過(guò)程中，1#~2#走行變頻器F082 故障頻發(fā)，再不能進(jìn)行正常出爐作業(yè)。此前曾出現(xiàn)過(guò)走行變頻器報(bào)故障F082 的情況，但在復(fù)位后恢復(fù)正常。

經(jīng)過(guò)處理分析發(fā)現(xiàn)，造成這次電機(jī)車不能走行的主要原因是DP 線的總線連接器與變頻器接口連接松動(dòng)，屏蔽接地不好，從而使變頻器失去作業(yè)。接口松動(dòng)是因?yàn)槠綍r(shí)電機(jī)車走行震動(dòng)大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致的。

電機(jī)車走行電機(jī)和轉(zhuǎn)罐電機(jī)均采用變頻器控制，變頻器通過(guò)PROFIBUS-DP 總線與PLC 通訊。從網(wǎng)絡(luò)連接的形式可以看出，如果變頻器插口和總線連接器接線松動(dòng)，將會(huì)使得變頻器無(wú)法收到PLC傳送的報(bào)文數(shù)據(jù)，超過(guò)變頻器設(shè)置的故障報(bào)文時(shí)間，變頻器就會(huì)故障報(bào)警而停機(jī)，從而使變頻器停止作業(yè)，無(wú)法走行；如果在轉(zhuǎn)罐接焦過(guò)程中，出現(xiàn)DP 總線數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)丟失，也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)罐變頻器故障停機(jī)。

3.4 由于制動(dòng)電阻質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致變頻器內(nèi)部元件損壞

2018 年3 月24 日16：27 時(shí)，2#熱焦罐車4#走行變頻器在停車無(wú)運(yùn)行時(shí)燒壞。檢查外部電路絕緣良好，進(jìn)線電壓正常。為保證生產(chǎn)遂把4#變頻器屏蔽，使用另外3 臺(tái)變頻器運(yùn)行，走行速度降為60%。

待檢修時(shí)間進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)4#走行變頻器內(nèi)部電源板、整流板、整流觸發(fā)板、預(yù)充電板和預(yù)充電電阻均燒壞；檢查制動(dòng)單元，未見(jiàn)異常；檢查4#制動(dòng)電阻，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部電阻絲燒斷。為了不影響生產(chǎn)，對(duì)上述損壞部件立即更換。50 min 左右恢復(fù)以上電路板。復(fù)查所有設(shè)備正常，恢復(fù)4#走行變頻器運(yùn)行；提速80%正常后，又提速至100%運(yùn)行。

事故后，對(duì)4#制動(dòng)電阻解體檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部電阻絲燒斷短接在表面防護(hù)罩上，造成了內(nèi)部電路板的燒壞。分析此次事故是由于制動(dòng)電阻質(zhì)量問(wèn)題造成的。因此，為避免類似事故發(fā)生，對(duì)2#熱焦罐車走行及焦罐旋轉(zhuǎn)變頻器的全部制動(dòng)電阻進(jìn)行更換。

4 結(jié)論

通過(guò)在焦?fàn)t車輛的走行電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)等多個(gè)控制單元使用變頻器，使設(shè)備運(yùn)行性能更加優(yōu)化，操作和控制系統(tǒng)更為簡(jiǎn)化，不僅提高了全套設(shè)備的可靠性及生產(chǎn)效率，而且增加了設(shè)備的使用壽命，同時(shí)為全面實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t工藝作業(yè)自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。變頻器在焦?fàn)t設(shè)備上的投用節(jié)約了大量電能。