自適應動態力矩-速度跟隨切換卷揚調速系統

鄧 輝，楊永立，周文玲，王 威

DENG Hui1, YANG Yong-li1, ZHOU Wen-ling2, WANG Wei1

(1.武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢 430081；2.中冶南方武鋼設計院，武漢 430081)

0 引言

目前國內高爐主卷揚系統驅動經數字化改造后多采用直流調速系統，其系統調速雖運行可靠但仍存在維護工作量大的缺點。在實際生產中直流調速系統常采用靜態力矩-速度切換控制方式，就是在松閘前將電機的額定輸出力矩的30%作為松閘力矩，由于料車要裝礦石和焦炭兩種原料，每次啟動時料車的重量都不一樣，使得控制系統在輕載時會對鋼繩造成沖擊，在重載時會造成料車失控下落。為解決上述實際生產中系統維護工作量大，料車運行不平穩，失控下落等問題，現引入一種交流自適應動態力矩-速度跟隨切換控制系統。下面通過卷揚系統的運行過程，對常用的調速系統和優化以后的調速系統進行分析。

1 卷揚系統運行過程簡介

如圖1描述高爐雙料車上料：一料車在料坑裝料，另一料車在爐頂卸料，電控系統封鎖，抱閘落閘。當料車到達料坑時，發出裝礦或裝焦指令，礦石或焦炭的漏斗閥門打開裝料，稱重漏斗發出料空信號后，延時關閉閥門，料車等待上位機命令。

圖1 高爐上料主卷揚示意圖

上位機PLC發出右車上行命令，系統開放，為防止右車下落，電機需建立初始力矩后才能打開抱閘，松閘后料車按圖2所示速度曲線運行，圖中n為卷揚電機轉速，t為運行時間。

圖2 料車運行速度曲線

2 卷揚調速系統的分析與優化

由于裝滿物料的料車屬于大慣性恒轉矩負載，所以在停車及電控系統關閉時必須使用抱閘裝置。料車運行前先建立松閘力矩，然后打開抱閘，使料車平穩上升，下面對常用的靜態力矩-速度切換控制系統及優化改進后動態力矩-速度跟隨切換系統進行分析。

2.1 靜態力矩-速度切換卷揚調速系統

料車裝好物料后，上位機給系統PLC發開車命令，抱閘未打開，靜態力矩-速度切換控制系統先在力矩單環下運行（速度環不起作用）：系統一般將額定輸出力矩的30%作為力矩調節器ATR的給定，系統內部檢測到輸出力矩到達給定力矩值時發松閘命令；松開抱閘后可保證料車不會下墜，但由于轉矩單環系統對速度的控制性能不夠理想，因而在料車上升階段將系統切換到力矩-速度雙閉環控制系統以實現精確控制電機速度；在切換回雙閉環以后，由于轉速調節器ASR是PI調節器，其輸出是從零開始上升的，而力矩調節器ATR輸入給定是ASR輸出經乘法器給定的，故ATR輸入也是從零開始增加的，上升之前ATR單環已經建立起靜態轉矩T0（額定輸出力矩的30%），即ATR反饋值是T0，因而ATR輸入偏差值為負值，這樣造成ATR退飽和，力矩調節器輸出先下降再上升。ATR輸出下降時，必然導致輸出力矩小于負載力矩，造成輸出轉矩波動，同時速度也會波動，其運行曲線如圖3所示。

圖3 靜態力矩-速度切換調速系統運行曲線

n(T)表示將轉速和轉矩表示在同一個坐標系中，TL表示負載力矩，T0表示松閘力矩，t1表示松閘命令時刻，t2為T0=TL時刻，曲線n表示電機轉速曲線，曲線T表示電機輸出力矩曲線。

2.2 卷揚優化調速系統——自適應動態力矩跟隨切換系統

由靜態力矩-速度切換卷揚系統的分析可知，想要保證系統的可靠性，保證力矩和速度的過渡過程平穩關鍵在于力矩的平穩控制。動態力矩-速度跟隨切換系統能自動根據負載力矩的大小改變松閘力矩初值的大小，即松閘前松閘力矩設定值跟隨負載力矩，并且在切換的過程中會給定速度調節器的輸出一個初值，使得在松閘的過程中力矩和速度平穩上升，不會對鋼繩造成沖擊，其控制思想如下∶

動態力矩-速度跟隨切換系統在松閘前和靜態力矩-速度切換系統一樣先在力矩單閉環下運行，力矩給定值T0即為負載力矩值，系統內部檢測到輸出力矩到達給定力矩值時發松閘命令，抱閘打開，切換到轉速力矩雙閉環下運行，為了避免力矩調節器ATR退飽和造成轉矩波動，在切換的過程中，給速度調節器ASR的輸出一個初值T0（即力矩調節器ATR輸入），大小為力矩給定值，使得力矩調節器ATR的輸出從力矩給定值繼續增加，從而實現輸出力矩的平穩增加，速度的平滑上升。其運行曲線如圖4所示。

圖4 自適應動態力矩-速度跟隨切換系統運行曲線

n(T)表示將轉速和轉矩表示在同一個坐標系中，TL為負載力矩，t1為松閘時刻，曲線n表示電機轉速曲線，曲線T表示電機輸出力矩曲線。由于轉速調節器ASR是PI調節器，切換的過程中給定ASR的輸出一個初值T0，切換后ASR輸出便從T0開始增加（沒有初值便從零開始增加），力矩調節器ATR的輸入也是從T0開始增加，再與力矩反饋值比較，輸入偏差為正，不會造成力矩調節器退飽和，使得ATR的輸出也是從負載力矩值開始增加的，這樣就避免了輸出力矩的波動，使得料車的速度平滑上升無震蕩。

2.3 恒轉矩負載下的理想給定T0

對于自適應動態力矩-速度跟隨切換系統的實現，一是切換時刻，二是理想力矩初值T0的給定；料車的提升可以看成是恒轉矩負載，但每一次料車負載實際上是變化的，料車要按照工藝要求裝礦石或焦炭，而且每次所裝料的重量也不同，因此負載力矩每一次是變化的，初始力矩T0的給定對于料車在切換過程中的平穩運行至關重要。針對上述問題，本文提出一種自適應力矩檢測的方法，由上料工藝可以知道，小車的物料是由稱重漏斗閥門打開加入的，每一次加入物料的重量可以由稱重漏斗得到。小車在導軌上的受力分析圖如圖5所示。

圖5 料車受力分析圖

在圖5中，小車運行前由稱重漏斗測量出物料的重量m1，小車的重量為m2，圖中，導軌和地面的夾角為θ，要使小車在導軌上靜止，則拉小車鋼繩的張力為F，由T=F×D，D為提升轉矩半徑，計算出負載力矩，TL=(m1+m2)g×sinθ×D得出所需的松閘力矩T0(T0稍大于TL)，作為松閘力矩給定以及力矩環向速度環切換時速度調節器的輸出值，從而保證每一次小車運行時都能得到理想的轉矩給定，使系統在切換的過程中力矩平穩增加。

3 自適應動態力矩-速度跟隨切換系統的軟硬件設計

本文采用西門子PLC S7-300和ABB ACS800系列交流變頻調速裝置來實現自適應動態力矩-速度跟隨切換控制系統。該卷揚系統硬件設計為：卷揚機經減速機由兩臺電機傳動，電機功率500kw，電壓660V，減速機速比為18.6，卷筒直徑2米。電機驅動采用ABB ACS800系列變頻器，額定功率900kw，額定電壓660V～690V，兩臺電機同軸由三臺變頻器驅動，正常工作時兩用一備，為保證兩電機出力均衡，兩臺電機驅動采用主從控制方式：其中一臺變頻器為主機，控制系統包含速度環和力矩環；另一臺變頻器為從機，使用力矩跟隨模式，其力矩給定跟隨主機輸出力矩，這樣可保證兩臺電機輸出力矩相同。為保證可靠工作，系統選用第三套變頻器作為備用變頻器，備用變頻器既可以做主機，也可以做從機，通過倒換開關進行選擇，倒換開關切換后，有輔助接點進入SIEMENS S7-300 PLC，自動實現操作的連鎖。

系統啟動設計流程圖如圖6所示，系統PLC接受上位機的運行方向信號、急停信號和速度選擇信號，控制系統的開閘合閘，控制交流變頻器的啟停，給定變頻器的主給定，發送力矩-速度切換指令。

上述系統內部控制算法采用全數字化實現，我們利用ACS800控制器本身具有的編程能力來實現系統的啟動過程，保證實際運行曲線符合工藝要求，其控制框圖如圖7所示。

其控制過程為：每次料車運行前，通過稱重漏斗計算出負載力矩，即初始力矩給定T0，給到參數24.10（速度積分器初始值），上位機PLC發出開車命令，系統PLC收到開車命令后向主變頻器發送方向信號，主變頻器通過參數26.01=3選擇力矩控制模式，力矩調節器輸入給定為2.08，當系統內部檢測到輸出力矩T到達T0時，向系統PLC發松閘命令，系統PLC收到松閘命令打開抱閘并收到松閘應答信號時，向主變頻器發松閘應答信號，主變頻器收到松閘應答信號，電機開始轉動達到零速設定點n0時系統PLC發切換命令，通過26.01=2選擇力矩調節器輸入給定為2.09，主變頻器切換到速度力矩雙閉環下運行，同時投入工藝所需速度給定，從變頻器工作在力矩跟隨模式下，跟隨主變頻器力矩，保證輸出力矩相同，從而實現了智能自適應動態力矩跟隨切換，使得力矩平穩增加，速度平滑上升無震蕩。

圖6 系統控制流程圖

圖7 系統軟件框圖

4 結論

采用西門子PLC S7-300和ABB ACS800系列變頻器實現的交流自適應動態力矩-速度跟隨切換系統，很好的解決了常規系統中維護工作量大、運行不平穩、料車失控下落等問題，保證了力矩的平穩增加，速度的平滑上升。在玉溪新興鋼廠1080m3高爐主卷揚系統中投入使用后，運行平穩可靠，性能優異，故障率低，很好的滿足了高爐系統的工藝要求，取得良好的社會和經濟效益。

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