S120在薄帶鑄軋主軋機(jī)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用

董云鵬，季寶偉，隋大偉，徐艷松，馬潔

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

薄帶鑄軋技術(shù)是當(dāng)今鋼鐵工業(yè)最具發(fā)展?jié)摿Φ囊豁?xiàng)冶金前沿新技術(shù)，也是一種短流程、低能耗、低投資、低成本和綠色環(huán)保的新工藝。冶金生產(chǎn)工藝短流程是相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)工藝而言的，在技術(shù)上突出的特點(diǎn)是縮短加工周期和后續(xù)加工環(huán)節(jié)，由金屬熔體直接得到所需的制品。它打破了傳統(tǒng)帶鋼生產(chǎn)工藝模式，直接將鋼水澆筑成薄帶鋼，實(shí)現(xiàn)鑄軋一體化，使鋼鐵生產(chǎn)流程更緊湊連續(xù)、高效環(huán)保。

SINAMICS 是西門子公司推出的全新模塊化的驅(qū)動(dòng)器控制系列，應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)和工廠設(shè)備。其中，SINAMICS S120 以其良好的控制精度和優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中要求苛刻的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。本文以某短流程薄帶鑄軋項(xiàng)目生產(chǎn)線主軋機(jī)為例，來(lái)介紹其控制和應(yīng)用。

1 工藝流程及設(shè)備簡(jiǎn)介

經(jīng)煉鋼后的原料首先進(jìn)入鑄軋區(qū)，在鑄軋區(qū)冷凝結(jié)晶成帶狀經(jīng)運(yùn)送輥道進(jìn)入主軋機(jī)，主軋機(jī)按照成品規(guī)格進(jìn)行軋制，軋制后帶鋼經(jīng)過(guò)冷卻進(jìn)入卷取機(jī)卷取成型，然后打捆運(yùn)送至成品區(qū)。其主要工藝流程和設(shè)備組成如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線工藝布置簡(jiǎn)圖Fig.1 Process layout of production line

1.1 鑄軋區(qū)

鑄軋區(qū)包含主要設(shè)備有：大包回轉(zhuǎn)臺(tái)、中間包及雙輥鑄機(jī)等。

大包回轉(zhuǎn)臺(tái)的主要作用是為實(shí)現(xiàn)多爐連續(xù)生產(chǎn)提供鋼水，當(dāng)一包鋼水澆完時(shí)，通過(guò)快速旋轉(zhuǎn)把另一包鋼水送到中間包上方；中間包的主要作用是在更換大包時(shí)為機(jī)組提供連續(xù)的鋼水。

雙輥鑄機(jī)是由一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)、中間通水冷卻的鑄輥（結(jié)晶輥）和兩側(cè)的側(cè)封板組成，結(jié)晶輥是薄帶鑄軋?zhí)赜械脑O(shè)備，是薄帶鑄軋的核心。鋼水從中間包的水口流出，通過(guò)分配器和布流器，均勻地灑落到由一對(duì)結(jié)晶輥和一對(duì)側(cè)封板組成的熔池里，然后旋轉(zhuǎn)的結(jié)晶輥使鋼水快速凝固成帶，隨后送到軋機(jī)。

1.2 軋機(jī)區(qū)

該區(qū)域主要由1 臺(tái)四輥軋機(jī)、1 套快冷裝置以及飛剪組成。其中四輥軋機(jī)為主軋機(jī)，其機(jī)座由4 個(gè)位于同一垂直平面內(nèi)的水平軋輥組成，軋制是在兩個(gè)工作輥中間進(jìn)行。軋機(jī)配有多功能儀表，配合AGC 系統(tǒng)能使板帶的縱向厚度偏差處于可控狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)厚度自動(dòng)控制?？焖倮鋮s裝置位于主軋機(jī)后，用以實(shí)現(xiàn)帶鋼的快速、均勻冷卻，并進(jìn)行卷取溫度控制。軋制后的帶鋼經(jīng)過(guò)快冷裝置進(jìn)入飛剪，飛剪是連續(xù)帶鋼生產(chǎn)線的常規(guī)設(shè)備，起到頭尾剪切和分卷的作用。

除此以外還有4臺(tái)夾送輥，分別位于軋機(jī)前、后，各1 臺(tái)；飛剪前、后，各1 臺(tái)。其作用一方面為引導(dǎo)帶鋼進(jìn)入軋制線并向后運(yùn)輸，另一方面，更重要的是起到帶鋼糾偏和建張的作用。

1.3 卷取及運(yùn)輸區(qū)

卷取機(jī)是帶鋼生產(chǎn)線重要的輔助設(shè)備，具有生產(chǎn)效率高、卷取速度快而鋼卷密實(shí)等特點(diǎn)[1]。

此區(qū)域主要包含2 臺(tái)地下式卷取機(jī)和1 套鋼卷運(yùn)輸設(shè)備。2 臺(tái)卷取機(jī)交替使用，其主要作用有兩點(diǎn)：控制軋機(jī)出口張力和將帶鋼卷取成卷。運(yùn)輸區(qū)的作用是將打捆完成的鋼卷運(yùn)送至卸卷區(qū)域，以便貯存和運(yùn)輸。

2 主軋機(jī)電氣控制系統(tǒng)

2.1 電機(jī)數(shù)據(jù)

主軋機(jī)電機(jī)為鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)，采用雙繞組接線形式。詳細(xì)電機(jī)數(shù)據(jù)為：功率2 000 kW，轉(zhuǎn)速（基速/高速）500/1 000 r/min，頻率（基速/高速）25.25/50.8 Hz，電壓660 V，電流2×1 052 A，功率因數(shù)（基速/高速）0.86/0.9，6極電機(jī)。

電機(jī)運(yùn)行工況為S9工作制，對(duì)電機(jī)過(guò)載能力要求為：基速以下1.15 倍額定連續(xù)負(fù)載，180 s 過(guò)載1.5 倍額定負(fù)載，60 s 過(guò)載1.75 倍額定負(fù)載，20 s 過(guò)載2 倍額定負(fù)載，2.25 倍額定負(fù)載時(shí)切斷；高速過(guò)載：1.5倍額定負(fù)載運(yùn)行60 s。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的配置

傳動(dòng)系統(tǒng)選用西門子公司SINAMICS S120系列全數(shù)字電壓型逆變器加由整流/回饋單元構(gòu)成公共直流母線供電方式。

該臺(tái)電機(jī)作為軋制生產(chǎn)線主軋機(jī)電機(jī)，有著沖擊型負(fù)荷的特點(diǎn)，其空載運(yùn)行時(shí)電流很小，在其運(yùn)行周期或非周期內(nèi)會(huì)突增負(fù)荷，電機(jī)會(huì)以過(guò)載狀態(tài)運(yùn)行。針對(duì)此負(fù)載類型電機(jī)，在進(jìn)行裝置選型時(shí)，需按重載曲線進(jìn)行選型。

2.2.1 逆變裝置

鑄軋主電機(jī)為雙繞組電機(jī)，為滿足電機(jī)的過(guò)載使用要求，采用兩臺(tái)西門子800 kW 裝機(jī)裝柜型電機(jī)模塊并聯(lián)為每個(gè)繞組提供驅(qū)動(dòng)，即4 臺(tái)裝置兩兩并聯(lián)共同驅(qū)動(dòng)1臺(tái)電機(jī)。電機(jī)模塊額定功率為800 kW，額定電流810 A，以300 s 的負(fù)載循環(huán)時(shí)間作基準(zhǔn)，裝置具有150%過(guò)載60 s 或160%過(guò)載10 s 的能力。在此高過(guò)載工況下，裝置過(guò)載前后的基本負(fù)載電流IH為724 A，會(huì)低于額定電流。電機(jī)模塊并聯(lián)使用需考慮5%的降容[2]。裝置容量的效驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 裝置容量效驗(yàn)Tab.1 Device capacity validation A

西門子SINAMICS S120 系列變頻裝置的并聯(lián)使用，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便等特點(diǎn)，且無(wú)需均流互感器等設(shè)備，有利于節(jié)省成本。

2.2.2 整流回饋裝置

主軋機(jī)的上、下輥電機(jī)采用各自獨(dú)立的公共直流母線形成獨(dú)立的控制系統(tǒng)。每臺(tái)電機(jī)選用2臺(tái)1 400 kW 整流/回饋單元并聯(lián)為逆變器供電，供電部分通過(guò)二極管整流橋進(jìn)行，電能回饋則通過(guò)IGBT 進(jìn)行，再生饋電持續(xù)效率可達(dá)到100%。在一個(gè)電源周期中每個(gè)IGBT 只導(dǎo)通和關(guān)斷一次，在三相橋式整流的自然換流點(diǎn)（導(dǎo)通延遲角α=0°處）開始導(dǎo)通，持續(xù)120°后關(guān)斷，在電網(wǎng)故障或進(jìn)線電壓降低過(guò)多時(shí)，立即關(guān)斷所有IGBT，二極管橋阻止逆變電流通過(guò)，從而避免逆變顛覆的發(fā)生[3]。

該非調(diào)節(jié)型電源模塊在未接地電網(wǎng)（IT 電網(wǎng)）上運(yùn)行時(shí)，應(yīng)拆下抗干擾電容連接片，否則當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，抗干擾電容會(huì)因承受過(guò)電壓而發(fā)生損壞，也容易擴(kuò)大事故范圍。

2.2.3 控制單元配置

控制單元采用CU320-2 DP 以實(shí)現(xiàn)高精度矢量控制。軋機(jī)上、下輥電機(jī)各配有一臺(tái)CU320，定義上輥電機(jī)為1#CU 控制，下輥電機(jī)為2#CU 控制，為了實(shí)現(xiàn)上、下輥控制器之間的高速通訊，每臺(tái)CU320 安裝了一塊CBE20 選件板，借助CBE20接口模塊，CU320-2可以接入PROFINET。

系統(tǒng)單線圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)單線圖Fig.2 System single line diagram

2.3 系統(tǒng)功能

2.3.1 SINAMICS Link通訊

通過(guò)安裝CBE 20選件板，CU320控制器之間可以進(jìn)行SINAMICS Link 通訊，完成控制單元之間的直接數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)發(fā)送及接受節(jié)點(diǎn)包括帶有CU 的驅(qū)動(dòng)單元及連接的驅(qū)動(dòng)對(duì)象，其報(bào)文為16 個(gè)固定的過(guò)程數(shù)據(jù)空間（PZD），每個(gè)PZD 為1個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度。

軋機(jī)上、下輥控制器之間通訊的主要目的有兩點(diǎn)：1）將上輥轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)傳輸給下輥，完成負(fù)荷平衡的功能；2）采集上輥裝置狀態(tài)傳輸給下輥?zhàn)鞴收线B鎖使用。通訊接口設(shè)為Interface 2，Interface 1 用作與上級(jí)自動(dòng)化的DP 通訊使用。SINAMICS Link通訊配置如圖3所示。

圖3 SIMANICS Link通訊Fig.3 SINAMICS Link communication

圖3中，Drive 1為上輥電機(jī)模塊，Drive 2為下輥電機(jī)模塊。Drive 2 通過(guò)PZD 1 接受Drive 1 的轉(zhuǎn)矩實(shí)際值（r80.1）并將其放入通道1（P8870.0）的緩存區(qū)內(nèi)（r8850.0），再通過(guò)參數(shù)P22003 將此緩存區(qū)數(shù)據(jù)連入CFC 程序中參與計(jì)算。Drive 1通過(guò)PZD 1 接受來(lái)自Drive 2 的調(diào)節(jié)系數(shù)（r22009）并將其放入通道一的緩存中（r8850.0），以附加速度給定（P1071）的方式接入速度調(diào)節(jié)器。PZD 5 用作通訊故障的判斷，Drive 2 程序會(huì)不間斷地產(chǎn)生跳變脈沖（r22008），Drive 1 通過(guò)PZD 5 接入通信緩存（r8850.4）并通過(guò)參數(shù)P8851[4]發(fā)送回Drive 2，在Drive 2 中通過(guò)參數(shù)P22007連入CFC 程序，在程序中通過(guò)比較收、發(fā)位狀態(tài)可以判斷通訊是否正常。Drive 1 的故障信號(hào)是通 過(guò)PZD 6 發(fā) 送 至Drive 2 的，Drive 2 通 過(guò) 參 數(shù)P22005 將Drive 1 的故障位采集至CFC 程序中，此故障位會(huì)和Drive 2 故障以及通訊故障等信號(hào)一起成為綜合故障信號(hào)。

2.3.2 負(fù)荷平衡

負(fù)荷平衡功能是由下輥完成，程序通過(guò)SINAMICS Link 通訊采集上輥數(shù)據(jù)完成計(jì)算，再通過(guò)通訊將附加設(shè)定值傳回上輥，通過(guò)微小改變電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡功能。負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)器由兩部分組成，即負(fù)載平衡調(diào)節(jié)器和上、下輥附加速度設(shè)定計(jì)算。

負(fù)載平衡調(diào)節(jié)器的原理是分別取上輥及下輥電機(jī)的轉(zhuǎn)矩實(shí)際值，取絕對(duì)值后計(jì)算偏差，當(dāng)偏差超過(guò)閾值時(shí)，負(fù)載平衡調(diào)節(jié)器輸出產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)速設(shè)定，通過(guò)修改兩個(gè)系統(tǒng)的速度給定平衡兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。負(fù)載平衡調(diào)節(jié)器的設(shè)置為比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，但由于負(fù)載平衡調(diào)節(jié)器不能太快或出現(xiàn)震蕩[4]，故采用KP（比例）小、Tn長(zhǎng)的調(diào)節(jié)器設(shè)置?？刂瓶驁D如圖4 所示。

圖4 負(fù)載平衡調(diào)節(jié)器控制框圖Fig.4 Control block diagram of load balance regulator

附加速度的設(shè)定計(jì)算是取負(fù)載調(diào)節(jié)器的輸出，通過(guò)與“1”的運(yùn)算產(chǎn)生一個(gè)絕對(duì)值小于1的系數(shù)，此系數(shù)與速度給定值的乘積將作為新的給定值進(jìn)入速度給定通道，使負(fù)載大的系統(tǒng)速度降低，減少其實(shí)際負(fù)載。為了避免因?yàn)樗俣炔▌?dòng)過(guò)大而對(duì)軋制造成影響，需將負(fù)載平衡調(diào)節(jié)器的出值限制在0～5%，速度調(diào)節(jié)給定調(diào)節(jié)介于100%～95%之間。附加速度設(shè)定如圖5 所示，負(fù)荷平衡投入后轉(zhuǎn)矩波形如圖6所示。

圖5 附加速度設(shè)定Fig.5 Additional speed setting

圖6 負(fù)荷平衡投入后轉(zhuǎn)矩波形Fig.6 Torque waveforms with load balance

從圖6可以看出，在投入負(fù)荷平衡功能前，由于表面溫差等原因，上、下輥電機(jī)轉(zhuǎn)矩差別較大，在負(fù)荷平衡功能投入后，隨著調(diào)節(jié)器輸出的增大，上、下輥電機(jī)轉(zhuǎn)矩趨于一致，負(fù)荷平衡功能效果明顯。

2.3.3 安全停車功能

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在運(yùn)行期間出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，需要既快速又安全的停車方式。SINAMICS S120 提供了“Safe Torque Off”（STO）功能，可以和設(shè)備一起協(xié)同工作，在故障情況下安全封鎖電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出。在選擇“Safe Stop 1”后驅(qū)動(dòng)將沿著OFF3 斜坡（p1135）制動(dòng)，并在p9652/p9852 中設(shè)置的延遲時(shí)間屆滿后，進(jìn)入“Safe Torque Off”（STO）狀態(tài)，其工作原理示意圖如圖7所示。

圖7 STO功能示意圖Fig.7 STO function diagram

在使用STO 功能時(shí)應(yīng)確保裝置在達(dá)到電流極限時(shí)不會(huì)做出響應(yīng)，以免裝置提前進(jìn)入脈沖封鎖狀態(tài)而失去安全停車功能。

3 結(jié)論

本文以S120 在薄帶鑄軋主軋機(jī)電控系統(tǒng)應(yīng)用為例進(jìn)行分析，充分體現(xiàn)出SINAMICS S120 系列變頻器配置靈活、擴(kuò)展能力豐富的特點(diǎn)。該控制系統(tǒng)自投入以來(lái)一直穩(wěn)定運(yùn)行，極大地降低了設(shè)備維護(hù)成本，提高了企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間，成功完成生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的產(chǎn)量和質(zhì)量的任務(wù)要求，達(dá)到預(yù)期的控制效果。