李穎斌

摘 要：本文介紹了唐鋼1700熱軋卷取機(jī)傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制方案，通過對西門子SinamicsS120整流單元與變頻裝置的介紹，系統(tǒng)地闡述S120變頻器的特性，及主從控制在本系統(tǒng)中的應(yīng)用。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)試對速度環(huán)進(jìn)行優(yōu)化，確保傳動系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：S120變頻器；卷取機(jī)；主從控制；矢量控制；速度調(diào)節(jié)優(yōu)化

中圖分類號：TG333.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）08-0080-01

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，市場對熱軋帶鋼產(chǎn)品的需求不斷增大，2007年唐鋼股份有限公司新建了1700熱軋生產(chǎn)線，在熱軋生產(chǎn)工藝中卷取機(jī)的自動化控制性能發(fā)揮著重要的作用。本文就其傳動系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合西門子SINAMICS S120變頻器特性，簡單介紹了卷取機(jī)的控制結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)的控制方案，通過變頻裝置的主從控制實現(xiàn)兩臺電機(jī)同軸驅(qū)動的同步控制，整個系統(tǒng)在投入運(yùn)行以來，工作穩(wěn)定滿足了熱軋線工藝生產(chǎn)需要。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

唐鋼1700熱軋生產(chǎn)線控制器采用的是西門子TDC控制系統(tǒng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機(jī)及二級服務(wù)器通訊，以Profibus-DP通訊與傳動控制系統(tǒng)及過程控制站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，該生產(chǎn)線有兩臺卷取機(jī)，在正常生產(chǎn)作業(yè)時交叉作業(yè)，即一臺卷取機(jī)卷取作業(yè)，另一臺卷取機(jī)等待作業(yè)，因此應(yīng)用西門子S120系列變頻裝置時，整流控制單元可按一臺卷取機(jī)的電機(jī)容量進(jìn)行選型，整流器選用的是帶能量反饋的SLM系列整流單元，每臺卷取機(jī)由兩臺電機(jī)來驅(qū)動，每臺電機(jī)分別由一個S120系列逆變器控制，由于兩臺電機(jī)是同軸驅(qū)動，屬于剛性連接，在兩臺變頻器的同步控制上采用的是以CBE20模塊作為通訊板，基于Profinet通訊的主從控制方式，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的快速性及同步性。其控制結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

3 S120變頻器的特點(diǎn)

SinamicsS120變頻裝置是西門子公司推出的全新的集v＼f控制、矢量控制及伺服控制于一體的驅(qū)動控制系統(tǒng)：（1）系統(tǒng)基本模塊包括：整流模塊，電機(jī)模塊，控制單元，I/O模塊，編碼器模塊等，這些模塊可根據(jù)要求分別選配、安裝，緊湊的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，大量節(jié)省了電氣室空間。各模塊之間通過DRIVE-CLiQ總線通信，由一個或多個控制單元實現(xiàn)系統(tǒng)控制。（2）采用全新的IGB整流回饋裝置通過二極管橋回饋，同時以100%的持續(xù)反饋功率進(jìn)行穩(wěn)定的電網(wǎng)再生反饋，在實現(xiàn)四象限運(yùn)行的基礎(chǔ)上，成功避免換流故障。（3）應(yīng)用Drive-CLiQ傳動接口，保證了S120傳動系統(tǒng)內(nèi)部控制單元與功率單元間通信的快速性與可靠性。（4）傳動裝置設(shè)計均基于一個開發(fā)平臺，將硬件與軟件組態(tài)以及設(shè)計、調(diào)試等工作采用專用工具軟件到統(tǒng)一的工作平臺上，系統(tǒng)集成工作全面標(biāo)準(zhǔn)化。在本生產(chǎn)線的卷曲機(jī)采用S120系列變頻裝置，提高了傳動的穩(wěn)定性滿足了系統(tǒng)的工藝要求。

4 主從控制方案

4.1 主從控制概述

在變頻器的應(yīng)用中，由于工藝要求或變頻器容量限制，會采用一個傳動設(shè)備由兩個或多個電機(jī)驅(qū)動共同配合工作的主從控制方式，根據(jù)主從控制應(yīng)用方案，通常采用以下兩種控制方案來實現(xiàn)：（1）直接轉(zhuǎn)矩分配，當(dāng)電機(jī)之間是硬鏈接方式時，需將主機(jī)設(shè)定在速度模式從機(jī)設(shè)定在轉(zhuǎn)矩模式，將主機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值作為從機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定值，使從機(jī)轉(zhuǎn)矩始終與主機(jī)一致，這樣保證系統(tǒng)運(yùn)行時，從機(jī)轉(zhuǎn)矩始終與主機(jī)一致，同時因為機(jī)械結(jié)構(gòu)的原因從機(jī)速度始終與主機(jī)相同，這樣就完成了轉(zhuǎn)矩的分配，該方式的特點(diǎn)是，從機(jī)轉(zhuǎn)矩始終跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)按照主機(jī)的速度運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比較快。（2）速度偏差與轉(zhuǎn)矩限幅，當(dāng)電機(jī)之間采用軟連接時，電機(jī)之間需要有相同的運(yùn)行速度，同時保證電機(jī)力矩的平均分配，還要防止連接斷裂時的保護(hù)。在速度偏差與轉(zhuǎn)矩限幅方式時，主機(jī)從機(jī)都工作在速度模式，主從機(jī)速度設(shè)定值相同，然后從機(jī)在此基礎(chǔ)上附加5%-10%左右的的速度偏差，將主機(jī)的轉(zhuǎn)矩值連接到從機(jī)的轉(zhuǎn)矩限幅上，在啟動后，由于速度偏差的的存在，連接的材料迅速拉緊，從機(jī)的速度環(huán)飽和，輸出的轉(zhuǎn)矩受轉(zhuǎn)矩限幅限制，從而保證從機(jī)的轉(zhuǎn)矩跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)矩，主從電機(jī)工作在各自的速度環(huán)模式下，不會發(fā)生飛車現(xiàn)象。

4.2 S120變頻器主從控制及本系統(tǒng)中的控制應(yīng)用

CU320作為控制單元的變頻器主要有五種主從控制方式：（1）采用PROFIBUS DP，此時可以借助PROFIBUS DP的SLAVETOSLAVE通訊，實現(xiàn)兩個S120設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換；（2）通過TM31端子模塊互相連接，使用DI＼DO和AI＼AO完成數(shù)據(jù)交換。模擬量信號最好使用電流信號，采用雙絞屏蔽電纜，盡量減少干擾；（3）通過在CU320擴(kuò)展插槽增加CBE20通訊板，使用裝置間通訊Sinamics Link網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置及通訊；（4）通過在CU320擴(kuò)展插槽增加TB30端子板，使用I＼O端子來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，但TB30模擬量信號只支持電壓型信號，需注意可能發(fā)生的干擾問題；（5）在一個CU320單元連接多個驅(qū)動軸的情況下，直接利用軸間變量的互聯(lián)，來實現(xiàn)主從控制的數(shù)據(jù)交換，該種方式當(dāng)CU出現(xiàn)故障時，兩臺設(shè)備都將無法運(yùn)行。

在本生產(chǎn)線的卷取機(jī)控制中考慮到變頻器容量，每臺卷取機(jī)由兩臺性能相同的電機(jī)同軸驅(qū)動控制，電機(jī)在連接形式上屬于剛性連接，因此采用了直接轉(zhuǎn)矩分配的主從控制方式，主機(jī)從機(jī)通過CBE20模塊連接，建立主從通訊，主機(jī)采用速度控制模式，通過DP通訊接受PLC控制字，再通過主從通訊將主機(jī)的轉(zhuǎn)矩實際值作為轉(zhuǎn)矩給定值發(fā)送給從機(jī)，這樣保證系統(tǒng)運(yùn)行時從機(jī)速度始終與主機(jī)同步，轉(zhuǎn)矩始終跟隨主機(jī)，達(dá)到了轉(zhuǎn)矩負(fù)荷的平均分配。

5 變頻調(diào)試及速度環(huán)優(yōu)化

在該系統(tǒng)中變頻控制采用的是帶編碼器的閉環(huán)矢量控制，首先對主、從電機(jī)進(jìn)行靜態(tài)辨識，在該過程中變頻器將計算出電機(jī)的定子冷態(tài)阻抗、轉(zhuǎn)子冷態(tài)阻抗、定子漏抗、轉(zhuǎn)子漏抗、主電感參數(shù)；然后再通過變頻器對電機(jī)進(jìn)行動態(tài)辨識，以計算出磁化曲線的的磁通和勵磁電流，自動進(jìn)行速度環(huán)優(yōu)化，計算系統(tǒng)傳動慣量與電機(jī)傳動慣量的比例，在動態(tài)測量時電機(jī)要解開減速機(jī)接手解除負(fù)載，然后通過starter調(diào)試軟件對變頻器常規(guī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，然后再對電機(jī)速度環(huán)調(diào)節(jié)器及轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行手動微調(diào)對系統(tǒng)優(yōu)化，以滿足系統(tǒng)對高性能傳動的要求。

6 結(jié)語

SINAMICS S120變頻器在熱軋卷取機(jī)的控制中，應(yīng)用starter調(diào)試軟件與TDC控制系統(tǒng)相結(jié)合的方式便于現(xiàn)場調(diào)試，采用整流器、逆變器組合控制方式既穩(wěn)定了母線電壓又利用饋電功能節(jié)省了電能，該卷取機(jī)在投入使用后運(yùn)行穩(wěn)定、事故率低，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，相對于傳統(tǒng)變頻器具有明顯的優(yōu)勢。