／希望森蘭科技股份有限公司 任光法 杜俊明 羅力／

森蘭變頻器在1250mm不銹鋼帶連退酸洗線的應用

／希望森蘭科技股份有限公司 任光法 杜俊明 羅力／

在不銹鋼帶連退酸洗過程中，對速度和張力的控制，決定了產品的品質；而用戶對高品質、高效率的需求，使系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行成為必然要求。因此具有高性能、高可靠性的核心部件——變頻器，將成為高品質不銹鋼產品的重要保證。森蘭變頻以其20余年的技術積淀，在此領域取得突破，成功應用于1250mm不銹鋼生產線，開創(chuàng)了國產變頻器在工程型復雜控制系統(tǒng)應用的先例，在冶金連續(xù)生產中對于國產替代進口具有示范意義。

酸洗；變頻器；矢量控制；轉矩控制；主從控制

1 酸洗工藝過程簡介

熱軋不銹鋼帶表面覆蓋著一層黑灰色氧化鐵皮，厚度在7.5～15μm，甚至到20μm。為保證成品鋼帶的表面質量，減少后續(xù)冷軋等深加工時磨損和能耗，要去除氧化層，而利用酸與鐵的氧化物發(fā)生化學反應的基本原理，清除表面的油污、銹斑、氧化層、游離鐵等污垢，并進行鈍化。處理后的表面變成均勻銀白色，耐腐蝕能力提高15～50倍，此過程即為不銹鋼帶的酸洗鈍化處理。

不銹鋼帶的連續(xù)酸洗是指在開卷、換卷或收卷、卸卷時，帶鋼連續(xù)地通過盛有酸溶液的酸洗槽而不停車；具有產能高、生產成本低的優(yōu)點；也有投資高，占地面積大的缺點，可為帶鋼冷軋機提供優(yōu)良的酸洗帶卷產品。連續(xù)酸洗機組一般分為入口段、工藝段和出口段，各段可單獨運行，也可協(xié)調運行；在確保機組安全、高效、穩(wěn)定操作運行的同時，能夠充分滿足用戶對帶鋼連續(xù)酸洗生產較高的經濟、環(huán)保等指標要求。

客戶現(xiàn)場即為1250mm不銹鋼帶連退酸洗生產線，工藝流程如圖1所示。由開卷機到入口活套為入口段，從入口活套到出口活套為工藝段，后續(xù)至收卷機為出口段。整個生產工藝流程共有50多臺電機拖動，關鍵工位為開卷機、牽引矯平機、張力輥（1#～9#張力輥均為雙電機構成的S輥）、入口活套、出口活套、收卷機工作在閉環(huán)矢量控制。根據(jù)工藝要求工作在速度控制或者轉矩控制模式，其他如上料車、下料車、夾送輥、支撐輥、風機、破鱗機、拋丸機等要求不高可選擇VF控制或開環(huán)矢量控制。

圖1 連續(xù)酸洗工藝示意圖

三個段的速度分別由1#、4#、9#張力輥中的一臺（主機）確定，另一臺或幾臺（從機）做轉矩跟隨，實現(xiàn)負荷均衡分配。整個系統(tǒng)具有穿帶功能、雙開卷機切換、靜態(tài)建張、三段協(xié)調控制等功能，各段通過速度或轉矩控制維持靜態(tài)或動態(tài)的平衡。工藝段的速度對不銹鋼帶的酸洗品質起決定作用，過快，酸洗深度不夠，可能成品中仍有斑跡存在；過慢，易發(fā)生過腐蝕和氫脆現(xiàn)象。而出入口活套依靠活套中的儲料在換卷過程中起到緩沖作用，保持工藝段速度不變或者微降。

2 組網構成及數(shù)據(jù)交互

如圖2所示，整個連退酸洗控制系統(tǒng)采用Wincc通用監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制技術和Profibus-DP現(xiàn)場總線相結合的控制方案，由PLC實現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)采集功能，由Wincc組態(tài)軟件實現(xiàn)實時監(jiān)控、顯示設備運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)查詢等功能，完成對設備的遠程監(jiān)控和故障診斷，提高了生產線電氣控制系統(tǒng)的自動化水平，實現(xiàn)高精度、實時性好的參數(shù)測量及控制。中控室根據(jù)經驗設定酸洗工藝段運行速度，系統(tǒng)將自動調整入口段和出口段速度，協(xié)調運行。

圖2 控制系統(tǒng)組網示意圖

考慮實際應用情況，選擇PLC與變頻器Profibus-DP通訊的數(shù)據(jù)類型為PPO4，即除控制字、速度給定及其應答外，讀寫4個過程數(shù)據(jù)，其意義見下表。

表 PLC與變頻器間的過程數(shù)據(jù)

控制字中包含起停控制、脈沖封鎖、緊急停車、故障復位、轉矩/速度控制切換等功能；狀態(tài)字中包含上電就緒、運行就緒、故障、報警、當前控制方式等反饋信息。過程字中的“位置1、2”來源于電機端的編碼器正交計數(shù)，用于收、放卷的卷徑計算，方便實現(xiàn)高精度的恒張力控制。由通訊給出的“速度給定”和“轉矩給定”哪個有效，取決于系統(tǒng)的需求，當為速度控制時，“速度給定”有效，而“轉矩給定”則可以選擇作為速度調節(jié)器的輸出限幅；相反，當前為轉矩控制時，“轉矩給定”有效，而“速度給定”可以作為速度限幅，防止生產線出現(xiàn)飛車。

3 變頻器的關鍵功能

SB70系列變頻器我是公司于2006年推出的通用型矢量控制產品，其控制性能、可靠性、接口靈活性等在此次應用中得以充分展現(xiàn)。

3.1 變頻器的特點

SB70系列變頻器采用轉子磁場定向技術，實現(xiàn)對電機勵磁電流和轉矩電流的高精度解耦控制，使電機具有0.02%的穩(wěn)態(tài)轉速精度，5%的轉矩精度，轉矩響應時間在10ms左右，可與直流調速系統(tǒng)相媲美。

變頻器所內置的高速脈沖輸出PFO和高速脈沖輸入PFI端子及功能，可以完美的適用于系統(tǒng)的主從負荷分配，具有數(shù)據(jù)精度高、抗干擾能力強、響應快（毫秒級）、無延遲等特點。

全系列變頻器具有豐富的選配件，如現(xiàn)場選用的是24V電壓等級的編碼器接口板，兼容多種輸出類型的編碼器，具有帶載能力強、抗干擾能力強的優(yōu)點；高可靠性的DP通訊轉換模塊，內置森蘭控制功能，便于用戶參數(shù)配置組態(tài)。

3.2 速度與轉矩控制的選擇

如前所述，變頻器接收來自PLC的控制指令和給定值，根據(jù)參數(shù)設定和控制指令中的“轉矩/速度切換”確定當前控制模式，如圖3所示。如拋丸機僅取速度指令，收卷機則速度和轉矩都要用，空卷定位、鋼帶咬合后首圈、滿卷切斷后等均為速度控制。正常收卷時為轉矩控制，轉矩給定值來自鋼帶張力與當前卷徑的乘積（傳動比及轉矩標定此處未考慮）；活套除穿帶外，一直工作在轉矩控制模式；作為開卷機，先正向送卷，使鋼帶延伸至牽引矯直機。焊接后，轉為反向速度控制，并加以轉矩限幅，在正常運行時，因速度給定和當前速度反向，速度調節(jié)器工作在飽和的轉矩限幅狀態(tài)，使開卷處的張力值保持恒定，限幅轉矩的計算與收卷處原理相同；應用最多的張力輥，被選作主機的工作在速度控制模式，其他工作在轉矩控制模式，只是轉矩的來源略有區(qū)別。

圖3 轉矩/速度切換圖

3.3 主從控制及負荷分配

對于入口段、工藝段和出口段中速度控制的3個主機全程采用速度控制，而其從機選擇轉矩控制。主機的PFO端子輸出本機的“轉矩給定”，從機的PFI端子接收數(shù)據(jù)，作為從機的“轉矩給定”，實現(xiàn)負荷分配，PFO與PFI采用雙絞線連接，如圖4所示。5#S輥與4#S輥實際距離很近，仍認為是剛性連接，因此5#S輥也作為4#的從機。

圖4 主從控制負荷分配圖

因PFO和PFI只能傳輸無符號數(shù)據(jù)，利用變頻器自身特有的“算術單元”進行加減運算，靈活實現(xiàn)了主、從機有符號數(shù)與無符號數(shù)的相互轉換。應用中，綜合考慮控制精度和要傳遞數(shù)據(jù)的最大最小值，確定是否需要增加一級“算術單元”對數(shù)據(jù)進行縮放；此項目中，電機的負載轉矩小于80%的額定轉矩，變頻器用于模擬輸入輸出的轉矩量是以2.5倍的電機額定轉矩標定，因此80%的負載轉矩時對應的變頻器的轉矩模擬量為32%。

4 現(xiàn)場情況

4.1 編碼器的抗干擾處理

由于連退酸洗生產線設備眾多，在現(xiàn)場布線時，很難將功率部分與信號部分分開，尤其是速度反饋的編碼器信號線常常與電機電纜一起，且距離有的超過100m，不可避免地受到干擾。

現(xiàn)場也出現(xiàn)了開卷機反饋異常的現(xiàn)象。在靜態(tài)建張時，轉矩不穩(wěn)定，不定時出現(xiàn)掉張現(xiàn)象，再反向繃緊重新建張；運行過程中，也有掉張出現(xiàn)，造成鋼帶抖動。造成這種現(xiàn)象的原因是電機電纜中的高頻共模對編碼器造成了干擾，會形成高頻的無序脈沖，在變頻器識別時會有速度跳變，致使磁場定向不準，轉矩失控。現(xiàn)場的處理措施，重新處理電機和變頻器的功率電纜屏蔽兩端接地，編碼器反饋電纜進行可靠的單端接地，并增加加強隔離整形的接口轉換板；整改后，速度反饋跳變和系統(tǒng)掉張現(xiàn)象消失，達到令客戶滿意的控制效果。調試階段現(xiàn)場如圖5所示。

4.2 共直流母線設計

在項目溝通的前期，有采用統(tǒng)一整流直流供電的方案，且變頻器本身具有共直流母線接口。鑒于合作方系統(tǒng)集成商的考慮，仍然采用傳統(tǒng)的交流配電加制動單元的方案。

圖5 調試階段現(xiàn)場圖片

從實際現(xiàn)場來看，后一種方案雖然實施簡便，但能耗極大，造成不必要的浪費，且輸入諧波高，對電網污染大。

后續(xù)的設計，可以考慮有源前端整流，實現(xiàn)單位功率因數(shù)，且滿足能量雙向流動；或者采用多脈波不控整流配小功率的能量回饋或者制動單元即可；這樣既降低的能耗，又降低了諧波污染。

5 結束語

經過緊張而有序的調試，1250mm不銹鋼帶連退酸洗線項目順利投運，各項指標達到設計要求，系統(tǒng)自動化程度高，整體運行平穩(wěn)，得到了業(yè)主的高度贊賞。

此項目為公司積累寶貴的工程型復雜應用的實踐經驗，開創(chuàng)了國產變頻器在板材連續(xù)生產線應用的先例，因其特有的經濟性、自主性、可擴展性，在冶金連續(xù)生產中對于國產替代進口具有借鑒示范意義。

[1] 希望森蘭科技股份有限公司.SB70系列高性能矢量控制變頻器用戶手冊[M].

[2] 馬小亮，魏學森.有機械聯(lián)系的多電機傳動系統(tǒng)的負荷均衡控制和扭振抑制[J].電氣傳動，2007，37（3）：3-6.

[3] 杜濤.宣鋼二棒電氣接地優(yōu)化實踐[J].電氣傳動，2014，44（5）：72-74.