馮展國

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201999)

滾切式雙邊剪交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

馮展國

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201999)

通過介紹寶鋼集團(tuán)八一鋼鐵公司滾切式雙邊剪傳動(dòng)系統(tǒng)的組成，闡述了SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE70變頻調(diào)速裝置的硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置以及通訊功能的實(shí)現(xiàn)。介紹了多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、矢量控制原理，以及利用DriveMonitor軟件對(duì)傳動(dòng)進(jìn)行配置和調(diào)試的方法。實(shí)踐證明，該多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)功能強(qiáng)大，控制精度高，響應(yīng)速度快，具備良好的性能，維護(hù)調(diào)試方便，是理想的傳動(dòng)控制系統(tǒng)。

6SE70；多電機(jī)傳動(dòng)；矢量控制；DriveMonitor；SIMOLINK

0 引 言

某集團(tuán)2011年裝備了一套滾切式雙邊剪[1-2]，替代原有擺切式雙邊剪[3]，用于中厚板的寬度定尺、碎邊收集等精整處理。從功能上分類，可分為主剪、夾送輥、碎邊導(dǎo)衛(wèi)、碎邊剪、剪刃間隙調(diào)整及更換、激光劃線、磁力對(duì)中、液壓站、稀油站等子系統(tǒng)。為了確保鋼板剪切效率和效果，八臺(tái)夾送輥和兩臺(tái)主剪的控制為機(jī)組的核心部分，通過采用德國西門子交流變頻多電機(jī)傳動(dòng)裝置，利用Profibus現(xiàn)場總線和SIMOLINK技術(shù),設(shè)計(jì)了一套成熟穩(wěn)定高效的傳動(dòng)控制系統(tǒng)，達(dá)到了滿意的驅(qū)動(dòng)性能。

滾切式雙邊剪代替了擺切式雙邊剪和人工定尺切割焊機(jī)對(duì)鋼板切邊的模式。某中厚板廠滾切式雙邊剪主剪和夾送輥選用Siemens公司的6SE70型多電機(jī)傳動(dòng)(Multi Drive)整流變頻裝置。6SE70變頻器采用脈寬調(diào)制方式，結(jié)合矢量控制技術(shù)，能夠精確控制普通交流電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩，并能最大程度發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)能力。

1 系統(tǒng)組成

1.1 傳動(dòng)定位

6SE70變頻器按照適用電動(dòng)機(jī)類型不同分為VC(矢量控制)和MC(運(yùn)動(dòng)控制)兩種，VC用于標(biāo)準(zhǔn)/緊湊感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、磁阻電動(dòng)機(jī)、部分同步電機(jī)，MC用于同步伺服電動(dòng)機(jī)、異步伺服電動(dòng)機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。本系統(tǒng)屬于VC，可以覆蓋2.2 kW～6 000 kW功率輸出范圍，按照電壓等級(jí)不同，和功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1(頻率50 Hz/60 Hz±6%)。通過選取660 VAC～690 VAC電壓等級(jí)，相同的功率下可降低電流，減少線損，同時(shí)更高電壓等級(jí)的電動(dòng)機(jī)體積更小，便于布置。6SE70 VC裝置功率范圍和電壓等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 6SE70 VC裝置功率范圍和電壓等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)具體構(gòu)成及說明

雙邊剪傳動(dòng)控制采用多電機(jī)傳動(dòng),是一種使用公共直流母排的工業(yè)傳動(dòng)形式。由整流單元、逆變單元、控制單元組成。雙邊剪多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1) 整流/逆變單元

SIMOVERT MASTERDRIVES 整流器有兩種，一種為直流母線電壓不可調(diào)的R/R型，回饋電網(wǎng)時(shí)斷電會(huì)擊穿整流回饋單元，另外一種是直流母線電壓可調(diào)型(AFE)，可以在100%～200%額定電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，電流曲線為正弦波，無諧波污染，在回饋方式和電源斷電的情況下不會(huì)出現(xiàn)逆變顛覆。受限于成本，采用了第1種整流單元，并配備制動(dòng)單元，通過PLC自動(dòng)化系統(tǒng)檢測母線電壓，一旦電壓超過設(shè)定保護(hù)值，即刻切斷電源保護(hù)設(shè)備。在調(diào)試過程中參數(shù)設(shè)定未優(yōu)化，加之夾送輥的加減速及其劇烈快速，在高速剪切時(shí)對(duì)直流母線沖擊超限屢有發(fā)生。

圖1 雙邊剪多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

6SE70整流/回饋單元均可四象限運(yùn)行，具有靈活多變的系統(tǒng)配置方案：有三相交流供電的變頻器用于單電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方式(可實(shí)現(xiàn)成組傳動(dòng)和單機(jī)傳動(dòng))；也有公共直流母線系統(tǒng)的多逆變器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能量均衡，更可使能量回饋到電網(wǎng)。

2)傳動(dòng)控制單元

每個(gè)逆變器帶一個(gè)傳動(dòng)控制主板CUVC(實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化、多種控制功能、復(fù)雜的診斷、限幅控制等)、工藝板(T300/T400，可實(shí)現(xiàn)同步、卷曲、定位、多電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和其他特殊控制任務(wù))、通訊板，以及可選I/O板(可擴(kuò)展EB1/EB2)、現(xiàn)場總線通訊板CPB2、編碼器接口模塊SBP/SBM/SBR、SIMOLINK通訊模塊SLB等。PMU控制面板接口使用專用電纜可與OP1S控制盤連接，PMU和

OP1S利用該控制盤可以對(duì)逆變器進(jìn)行調(diào)試、參數(shù)設(shè)定、故障復(fù)位和實(shí)際值顯示等功能。OP1S界面更友好，可存儲(chǔ)8套逆變器參數(shù)，功能更強(qiáng)大。

3) 基于SIMOLINK網(wǎng)的主從控制

如圖2所示,SIMOLINK光纖網(wǎng)用于數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)站點(diǎn)的作用如同信號(hào)放大器，從傳輸方式上分為“主從”方式和“點(diǎn)到點(diǎn)”方式，“主從”方式需要SIMADYN或SIMATIC S7作為主站管理數(shù)據(jù)報(bào)文，我們在雙邊剪系統(tǒng)中采用了“點(diǎn)到點(diǎn)”方式，四臺(tái)主剪、入口四臺(tái)夾送輥、出口四臺(tái)夾送輥分別組成4個(gè)SIMOLINK網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)的四個(gè)傳動(dòng)裝置物理上完全對(duì)等，可根據(jù)需要在邏輯上定義一個(gè)為發(fā)送器，管理控制全部報(bào)文數(shù)據(jù)，其余三臺(tái)定義為收發(fā)器，做到一主三從，實(shí)現(xiàn)四臺(tái)電動(dòng)機(jī)的同步運(yùn)行。本系統(tǒng)中所有整流器、逆變器均配置CPB2通訊卡，通過Profibus-DP通訊電纜連接到SIMATIC S7的Profibus-DP通訊卡(CP443-5EXT)上，傳動(dòng)調(diào)試工程師站或者PCS7站通過SIMATIC 416-2 DP 處理器進(jìn)行訪問。

DP網(wǎng)絡(luò)站號(hào)說明：0：S7-400主機(jī)架，配置CPU和通訊卡件；DP mastersystem(4)的8/9/15/17:機(jī)組控制需要的ET200M遠(yuǎn)程IO站；DP master system(4)的11～14/18～21:為電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸配置的絕對(duì)值編碼器，把數(shù)據(jù)采集到PLC中用于控制，另外每個(gè)電動(dòng)機(jī)還配有增量型編碼器直接接入傳動(dòng)裝置作為閉環(huán)控制反饋；DP master system(5)的20/21:整流單元；DP master system(5)的8～19：夾送輥和主剪傳動(dòng)；DP master system(5)的22：剪房移動(dòng)傳動(dòng)。

圖2 雙邊剪傳動(dòng)及自動(dòng)化硬件配置示意圖

4)矢量控制(VC)原理及其同直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)比較

矢量控制基本原理是通過測量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵(lì)磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)加以分別控制，并同時(shí)控制兩個(gè)分量的幅值和相位。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。6SE70具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測、自動(dòng)辨識(shí)、自適應(yīng)功能，這樣在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào)整算法中得有關(guān)參數(shù)，從而對(duì)普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。對(duì)比直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)控制方法，DTC在控制模型上不需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，在靜止坐標(biāo)系上控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，但DTC控制變頻器的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要比VC差。

1.3 主要電動(dòng)機(jī)參數(shù)

主剪電動(dòng)機(jī)采用國內(nèi)某電動(dòng)機(jī)廠生產(chǎn)電動(dòng)機(jī)，額定功率475 kW，額定電壓AC690，額定轉(zhuǎn)速990 r/min，基頻50 Hz，最大轉(zhuǎn)矩為2.5倍額定轉(zhuǎn)矩，工作制S1，防護(hù)等級(jí)IP54，絕緣等級(jí)F級(jí)，冷卻方式IC414(帶冷卻風(fēng)機(jī)，強(qiáng)迫風(fēng)冷)最低使用頻率2.5 Hz，允許2.25倍20 s過載。接線盒位于電動(dòng)機(jī)上部，出口方向2左2右。電動(dòng)機(jī)配編碼器。電動(dòng)機(jī)繞組帶3個(gè)Pt100傳感器。

夾送輥電動(dòng)機(jī)采用西門子產(chǎn)品，型號(hào)：1LG63136AA61-Z 訂貨代碼：H78 參數(shù)：(6) 400 VD/690 VY，50 Hz；Pe=90 kW；ne=990 r/min；Tn=868 N·m；Ie=160 A/92.75 A；制動(dòng)轉(zhuǎn)矩2.9 N·m；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩2.7；效率95.3%；功率因數(shù)0.85；IP55；IC411。 接線盒位于電動(dòng)機(jī)側(cè)面，4左4右。電動(dòng)機(jī)帶編碼器-1024 軸套型16 mm，1024脈沖，推挽輸出。

2 使用DriveMonitor軟件對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試

在DriveMonitor中輸入電機(jī)的基本參數(shù)，使用動(dòng)態(tài)辨識(shí)或者靜態(tài)辨識(shí)，對(duì)6SE70變頻裝置的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并通過Trace(跟蹤)功能對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)實(shí)際需求對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)滿足生產(chǎn)的需要。我們對(duì)夾送輥傳動(dòng)裝置進(jìn)行微調(diào)后，得到圖3所示曲線，從圖中看出，速度曲線規(guī)則平滑，反應(yīng)到實(shí)際生產(chǎn)效果上也得到印證。電流和轉(zhuǎn)矩為實(shí)現(xiàn)速度控制，曲線有著劇烈的波動(dòng)，這種極端情況下，6SE70變頻裝置運(yùn)行平穩(wěn)，證明了其可靠性。

圖3 夾送輥運(yùn)行狀態(tài)記錄曲線

對(duì)于雙邊剪夾送輥同步性這一關(guān)鍵性問題，普遍設(shè)計(jì)采用總線通訊來實(shí)現(xiàn)[4～7]，如濟(jì)鋼雙邊剪電氣同步采用6RA70直溜裝置間的RS485串行接口進(jìn)行主從通訊的方式[8]，但是在每分鐘剪切28次，每次剪切1 300毫米長度時(shí)，偶會(huì)出現(xiàn)鋼板跑偏現(xiàn)象。寶鋼厚板部劉飛等人從傳動(dòng)控制方面進(jìn)行了研究，提出一種優(yōu)化措施[9]，寶鋼工程的吳多智對(duì)該問題進(jìn)行了研究，提出了一種初步的機(jī)械調(diào)整解決方案[10]。

3 本傳動(dòng)系統(tǒng)同國內(nèi)同類設(shè)備的對(duì)比

通過分析研究國內(nèi)滾切式雙邊剪的裝備水平，傳動(dòng)裝置部分相當(dāng)一部分采用直流傳動(dòng)[11]，直流電動(dòng)機(jī)存在需要定期更換電刷的特點(diǎn)，增加了維護(hù)量。近年建造的雙邊剪開始采用交流傳動(dòng),有條件的還配備了PDA(數(shù)據(jù)采集分析)系統(tǒng)[12]

傳動(dòng)及自動(dòng)化控制部分，濟(jì)鋼中厚板廠有西門子方案采用兩套S7-400(分別為工藝PLC和傳動(dòng)PLC)的控制方式[13]，也有羅克韋爾Logix5000系統(tǒng)的控制方式[14]；對(duì)于夾送輥速度主令控制，有的采用了FM458專用處理器模塊[15]。

就傳動(dòng)和控制系統(tǒng)來說，選取并比較國內(nèi)幾臺(tái)知名雙邊剪，具體如表2所示。

通過分析可知，本傳動(dòng)系統(tǒng)采用良好維護(hù)性的交流變頻傳動(dòng)，在擁有媲美直流傳動(dòng)功能效果的同時(shí)減少了維護(hù)量，同時(shí)通過采用690 VAC的電壓等級(jí)，在低壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)中屬于頂級(jí)配置，實(shí)際使用中體現(xiàn)了優(yōu)良的機(jī)械電氣性能，加之八一鋼鐵滾切式雙邊剪采用高效的PLC程序和精簡的硬件，不但保證了自動(dòng)化控制水平，還維持了較高的可維護(hù)性和效費(fèi)比。使得八一鋼鐵雙邊剪的整體電氣控制水平屬于國內(nèi)頂級(jí)水平，為后續(xù)的滾切式雙邊剪工程項(xiàng)目提供了一個(gè)極好的樣板。

表2 同國內(nèi)主要滾切式雙邊剪傳動(dòng)水平對(duì)比

4 結(jié)束語

6SE70變頻裝置的矢量控制方法理論成熟，控制效果顯著，且因其高可靠性的設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用中故障率極低，達(dá)到了變頻裝置的性能高峰。作為繼任的S120系列變頻裝置，主要在通訊和軟件接口上做了更新，同時(shí)在架構(gòu)上作了優(yōu)化，比如設(shè)置獨(dú)立的控制單元等，降低了生產(chǎn)成本。但是S120變頻裝置未能在控制理論和控制效果上超越6SE70，但憑借西門子公司的大力推廣政策，目前在新項(xiàng)目中已逐漸取代6SE70變頻裝置。

在本項(xiàng)目中我們在電動(dòng)機(jī)的選擇上作了大膽嘗試，四臺(tái)主剪電動(dòng)機(jī)采用了國內(nèi)某電機(jī)廠產(chǎn)品，使用中從未出現(xiàn)故障，功能達(dá)到要求。對(duì)于8臺(tái)夾送輥電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到較高的響應(yīng)控制要求，為穩(wěn)妥起見采用了捷克生產(chǎn)的西門子電動(dòng)機(jī)，計(jì)劃未來還是要在夾送輥電動(dòng)機(jī)選型方面和國內(nèi)廠家協(xié)作，用國內(nèi)產(chǎn)品替代進(jìn)口品來降低成本和備件獲得難度。

出于投資限制，本系統(tǒng)采用了共計(jì)6組的200 kW的制動(dòng)單元加制動(dòng)電阻，未使用能量回饋單元，這種設(shè)計(jì)對(duì)剪機(jī)本身功能影響不大，但顯然不符合環(huán)保節(jié)能要求，剪機(jī)工作時(shí)啟動(dòng)停止極其頻繁，制動(dòng)能量有相當(dāng)一部分白白消耗掉，這也顯示了當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)局限性，以后將對(duì)這方面進(jìn)行建模分析，對(duì)節(jié)省的電能做出量化估計(jì)，為可能的技術(shù)改造提供理論支持。另外傳動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)未對(duì)在考慮變頻裝置距離電動(dòng)機(jī)連接電纜長度在100米左右的情況下，為提高電動(dòng)機(jī)響應(yīng)速度，未設(shè)置出線電抗器和出線濾波器，在調(diào)試和試生產(chǎn)時(shí)發(fā)生了兩次電動(dòng)機(jī)(不同的夾送輥電動(dòng)機(jī))被擊穿燒毀的狀況，雖然在烏魯木齊當(dāng)?shù)鼐S修廠進(jìn)行了維修復(fù)原，但這對(duì)調(diào)試生產(chǎn)卻造成了一定的影響。為了解決這個(gè)問題，在不更換電動(dòng)機(jī)和變頻裝置情況下，在逆變器和電動(dòng)機(jī)之間增加了出線電抗器，到目前未出現(xiàn)該類擊穿事故。這也顯示出在電動(dòng)機(jī)絕緣成本和響應(yīng)速度匹配上要做取舍或統(tǒng)籌考慮。作為進(jìn)一步研究，未來應(yīng)對(duì)變頻裝置輸出波形對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣沖擊程度進(jìn)行定量研究，確定電動(dòng)機(jī)的絕緣水平，從而合理確定設(shè)備成本和性能之間的平衡。

[1] 苗勁蓬.PCS7在滾切式雙邊剪控制系統(tǒng)中的運(yùn)用[J].電子世界, 2012,34(2):23-25.

[2] 馮展國.滾切式雙邊剪的自動(dòng)化控制[J].冶金設(shè)備, 2014,36(5):35-38.

[3] 李偉波.中厚板擺切式雙邊剪控制要點(diǎn)[J].新疆鋼鐵, 2011, 17(2):52-54.

[4] 付智賢,宋志良.基于Profibus-DP的雙邊剪夾送輥控制系統(tǒng)[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化, 2006,12(11):71-74,62.

[5] 李致富,周國榮,魏偉.基于現(xiàn)場總線的分布式雙邊剪夾送輥監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制, 2006, 14(3):333-334,342.

[6] 寧玉珊,陳章泉,羅庚興.雙邊剪夾送輥全數(shù)字直流調(diào)速裝置通訊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].南方金屬, 2007, 28(3):18-21.

[7] 徐冰,王春泉,顏世康.西門子現(xiàn)場總線在中板精整設(shè)備中的應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)與信息, 2008,22(7):28-29.

[8] 孫清泉,孫德宏,郭靖.濟(jì)鋼雙邊剪夾送輥的同步性控制系統(tǒng)與應(yīng)用[J].軋鋼,2002,19(5):46-47.

[9] 劉飛.寬厚板雙邊剪夾送輥同步控制研究及優(yōu)化[J].軋鋼,2012,29(2):52-55.

[10] 吳多智.中厚板滾切式雙邊剪夾送輥的楔形塊調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].冶金設(shè)備,2012,34(6):38-41.

[11] 李曉輝.公共直流母線在雙邊剪系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子世界,2013,35(10)：45.

[12] 孫金柱,孫偉.PLC在雙邊剪控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技資訊, 2009,6(9):82.84.

[13] 孫清泉,劉廣友.PLC在濟(jì)鋼雙邊剪工藝過程控制中的應(yīng)用[J].山東冶金, 2002, 24(4):36-37

[14] 周濤,李曉虎,段文宇,等.Rockwell自動(dòng)化技術(shù)在中厚板雙邊剪控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電工技術(shù),2012,33(5)：48-50

[15] 馬燕鷹,曾遠(yuǎn).西門子FM458在中厚板剪切控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].冶金自動(dòng)化, 2010,35(增2):538-541

Design & Development of AC Frequency Conversion Transmission System for Roll-cut & Doubled-edge Trimming Shears

Feng Zhanguo

(Baosteel Engineering & Technology Group Co., Ltd., Shanghai 201999, China)

By introducing the composition of the transmission system for roll-cut double-edge trimming shear in Bayi Iron & Steel Company of Baosteel Group this paper sets forth the hardware configuration, parameter setting and communication features achieved in SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE70 frequency control device. It gives an introduction on the structure of multi-motor drive system, vector control principle and configuration and commissioning method for the drives by use of DriveMonitor software. Practice has proved that the multi-motor drive system is an ideal drive control system featuring powerful functions, high control accuracy, fast response speed, good performance, and easy maintenance & commissioning.

6SE70；multi-motor drive；vector control；DriveMonitor；SIMOLINK

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.003

TM921.51

A

1000-3886(2016)06-0008-03

馮展國(1979-)，男，山東五蓮人，畢業(yè)于北京科技大學(xué)，碩士，高級(jí)工程師，主要從事工廠電氣、電氣傳動(dòng)和自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用、研究工作。