彩涂鋼板生產線調速系統設計

呂 燚，李 軍

（1.電子科技大學 中山學院，中山 528402；2.廣東工業大學，廣州 510006）

0 引言

彩涂鋼板作為冷軋鋼板的深加工，其生產依托于冶金工業、化學工業和機械設備制造業，是上述三個行業的協作應用，其中傳動控制技術為整個生產系統控制的基礎。長期以來，直流調速拖動系統因其良好的啟制動性能和調速性能占居主導地位，但是直流電機由于本身結構上存在機械換向器和電刷使其存在結構復雜、維護困難等缺點；而鼠籠式交流感應電動機卻有著結構堅固、易于維護等特點，隨著電力電子技術、微電子技術和控制技術特別是矢量控制技術的發展，交流調速傳動系統在調速性能和價格上己經可與直流調速系統相媲美。本項目選用西門子工程型變頻器6SE70通過Profibus-DP組成多點協調傳動的控制系統，代替以前的直流調速系統，調速性能完全滿足要求，維護費用大大降低。

1 彩色涂層鋼板工藝簡介

彩色涂層鋼板是近50年來在國外發展很快的一種新型金屬材料，是預涂層鋼板(Pre-painted metal)的一種，其以冷軋板、電鍍鋅板或熱鍍鋅板為基板，首先對基板表面進行脫脂，去除帶鋼表面的軋制油脂及塵土污垢，然后在干凈的表面進行化學轉化處理，在鋼板表面形成一層化學轉化層，該轉化層能提高涂料的附著力和防腐蝕性能，然后再在該層上涂敷初涂涂料，并經烘烤后再涂敷專門的精涂涂料，再次烘烤后剪切成板狀或卷狀，其不僅具有色彩靚麗、耐腐蝕性強及具有鋼板原有強度的優點，而且與傳統的“先加工后涂裝”型后層鋼板(Post-painted metal) 相比更具有環保優勢，消除了有機溶劑、脫脂劑、磷化劑等化學藥品對環境的污染。工藝流程簡圖如圖1所示：整條生產線分3段：入口段(開卷段)、工藝段和出口段(收卷段)。入口段主要完成帶鋼的恒張力開卷，并通過入口活套存儲一定量的帶鋼，在入口段換卷時保證工藝段能不間斷生產。工藝段分為清洗、化涂、初涂、精涂及相應的烘烤段，由于工藝段比較長，且各段張力分布不等，因此根據工藝要求安裝了3對S輥，分別為2#,3#、和4#S輥，實現張力的梯度分布。由于帶鋼運動速度較快，高溫烘烤爐距離相對較長，但輥涂后在涂層未干以前帶鋼表面不允許接觸任何輥子，以免破壞表面涂層影響產品質量，因此連續帶鋼在底涂烘烤爐和面涂烘烤爐內為自然懸垂狀態。為進一步加強對最后一次輥涂工序后的帶鋼狀態的控制，在面涂烘烤爐出口處設置超聲波測距儀，實時檢測爐內帶鋼的懸垂度，以直接張力控制方式實現對4#S輥進行張力的進一步控制，2#S輥為間接張力控制，即通過檢測控制流過電機定子的電流大小實現系統張力閉環，3#S輥為速度控制，是工藝段的速度基準。出口段要實現高精度的恒張力收卷，收卷精度直接影響產品質量，出口活套平時不儲存帶鋼，在出口段換卷的時候進行充套，保持工藝段能夠不間斷運行。

圖1 彩涂鋼板生產工藝結構圖

2 彩涂生產線控制系統結構

彩涂鋼板生產工藝要求鋼帶恒張力開卷、收卷，同時工藝段各區段張力恒定不變，正常生產過程中要求入口段、工藝段、出口段線速度恒定，并且對調速系統的速度控制、張力控制精度要求較高。整個系統包括開/收卷電機、入/出口活套、1到5號S輥、還有多臺涂敷、涂料輥，此系統中我們選用了西門子6SE70系列工程型逆變器，每臺電機都配有編碼器，工作于矢量控制方式下。同時都配有CBP2通訊板，通過現場總線協同多電機之間的動作。主控PLC選用西門子CPU421-DP，作為整個控制系統的核心。3個EM325模塊實現系統的遠程IO，提供生產現場手動控制和開關量輸入等功能。

本系統網絡結構如圖2所示，分為兩層網絡：第一層為Profibus現場總線，CPU421-DP自帶有Profibus-DP接口，作為現場總線的主站；逆變器、遠程IO模塊作以及整流回饋單元為系統的從站，由主站控制各逆變器和遠程IO的動作；第二層為工業以太網，主控PLC配有太網通訊模塊CP443，通過集線器連接多臺工控機，上位機通過工業以太網可以對整個生產線的運行情況、工藝參數進行遠程監控。

圖2 控制系統網絡結構圖

3 調速系統的供電及制動方案

考慮到本控制系統傳動點多，而且多數電機需要頻繁啟動、制動，我們采用了公共直流母線的供電及制動方案，三相交流電通過SIMOVERT MASTERDRIVES整流回饋單元得到540V左右的公共直流母線，所有的逆變器都由直流母線統一供電，網側配進線電抗器、自耦變壓器。整流回饋單元本身帶有高性能處理器，具有四象限運行、電網電壓波動補償、有效抑制諧波回饋電網、可設定的系統功率因數等特點，保證了高速驅動的動態響應，是多點驅動系統的理想解決方案。對于本系統選用的供電及制動方案主要有以下優點：

1）生產線的多臺電機的再生能量可以相互利用；當整條生產線的發電功率大于電動功率時，制動產生的再生能量可以通過整流回饋單元饋送到電網中。

2）不論電網質量如何，整流回饋單元都能始終給驅動器提供一個穩定的直流電源，保護驅動器不受電源質量影響。

3）回饋回路配有工作系數為25%，變壓比為1:1.2的自耦變壓器，保證了系統即使工作在發電狀態時，電機在所有轉速下均可達到其最大轉矩，并且在功率因數較低及電網干擾的情況下，可以進行有效隔離。

4）集中整流回饋單元加多臺逆變器的方案相對于全部采用變頻器的方案成本更低，并且具有可以設定的功率因數、高速的驅動動態響應等優點。

4 Profibus-DP網絡配置

PROFIBUS是一種應用十分廣泛的現場總線，邏輯上是令牌結構，目前有3個兼容部分，組成部分即Profibus-DP、 Profibus-PA和Profibus-FMS。其中DP是一種高速低成本通訊，用于設備級控制系統與分散式I/O的通訊。DP采用RS485數據接口，傳輸介質用光纖或雙絞電纜，傳輸波特率從9.6Kbps到12Mbps，傳輸距離可以通過Repeater進行擴展，每個DP網上可以同時配置122個從站。

組建Profibus-DP通信網絡，硬件連接使用Profibus專用通訊電纜和連接器，將所有的逆變器都掛接到總線上，并將總線末端節點連接器上的終端電阻打開，防止總線信號在末端形成反射。軟件上需要在SIMATIC manager軟件中對系統進行組態，即將實際的系統信息通過軟件進行配置，并將配置信息下載到PLC中。PLC上電后便會根據這些配置信息去初始化各個從站。這些配置信息主要包括：所有逆變器的從站類型、通訊地址以及通訊數據包格式等信息。6SE70共有5種數據包格式，即PPO類型，根據控制要求的特點和復雜程度選擇不同的PPO格式。本系統選用了PPO4，包括4個控制字(PKW)和10個狀態字（PZD）。狀態字中主要存儲的是實際值(逆變器送往PLC的數據包) 和設定值（PLC送往逆變器的數據包）。控制字主要用了存儲逆變器的參數信息，主要用于調試過程中實現逆變器參數的讀取、設置及調整，在正常工作狀態可以通過控制字來改變逆變器的工作模式。

組態完畢后便可進行通訊編程，在S7-400 PLC中提供了多種方式用于Profibus通訊，并且都以特定命令的方式給出。本系統中使用的是用于實時通信的系統功能SFC14和SFC15，給定相應的參數然后調用，便可實現對逆變器參數的讀寫，并且實時性較高。通訊方式如下所示：對地址為228的從站中的數據進行讀取，紀錄讀取過程狀態信息，以此判斷讀取是否成功,最后將讀取到的PPO存儲與相應的數據塊中。

5 調速方案選擇

6SE70系列逆變器是全數字化電壓型IGBT工程型逆變器，除了恒U/f控制控制方式外，還支持適量控制，通過內部參數配置可以實現速度控制或是轉矩控制兩種方式。采用矢量控制方式可以將一臺交流異步電機當作直流電機來控制，按照電流內環、速度外環的思路調節點機轉速或轉矩。

彩涂鋼板生產線中調速電機共有三類，分別是是S輥電機、活套電機和開卷收卷電機。在彩涂鋼板生產線正常工作時，入后活套和出口口活套中的鋼帶存量是固定的，1號到5號S輥為速度輥，決定了生產線的運行速度。一個S輥有兩臺電機組成，分別是主動輥電機和從動輥電機。主動輥和從動輥通過鋼帶相連，需要保證轉速相同，因而工作在恒轉速調節方式并且保證給定速度相同。但是，實際運行中并不能保證中兩個電機轉速嚴格同步。為了避免S輥中主從電機出力不均，甚至相互拖動的情況發生，本系統中將主動輥電機的實際轉速與從電機的實際轉速的偏差做PID運算，PID運算輸出疊加到從動輥轉速給定通道，作為微調補償。在相同給定的情況下，實現從動輥轉速跟蹤主動輥并與主動輥負荷均衡，防止了出力不均或相互拖拽情況的發生。

鋼帶開卷和收卷過程中要求張力恒定不變，由于卷徑和開/收卷加速度的變化，轉矩給定值需要隨著卷徑和加速度的不同而調整。鋼帶在入口和出口活套內同樣要保持張力恒定，因而入口與出口活套電機也需輸出轉矩恒定，并且可以隨著活套內鋼帶存量和充放套的加減速過程進行動態補償。這兩類電機采用6SE70變頻器的恒轉矩矢量控制方式，直接給定轉矩設定值。同時，PLC還需要根據各工段的工作狀態計算轉矩給定值的動態微調量，并通過Profibus總線發送給各自的逆變器的。實現開卷、收卷以及入出口活套的恒張力控制。

6 結束語

本彩涂鋼板生產線控制系統試車運行以來，各逆變器運行良好，在調速性能上完全可以與直流調速媲美，控制精度高。而且具有易于維護、故障率低等優點，大大提高了生產效率。事實證明，此方案各方面性能指標都達到了預期目標，運行穩定、可靠。

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