轉爐變頻傳動系統應用分析

溫海山

【摘 要】唐鋼長材部轉爐傾動傳動系統采用西門子交流變頻器，由一套西門子S7-400PLC作為主站負責外部信號的采集及與變頻器的通信。本文主要介紹了電控系統的基本組成，系統的配置方案，闡述了為實現現場工藝所做的傳動系統的力矩平衡控制，并著重介紹了SIMOLINK在該系統中的應用。

【關鍵詞】主從控制 西門子Sinamics S120變頻器 力矩平衡 SIMOLINK

2014年8月唐鋼長材部轉爐經過安全改造后正式投入生產運行。其轉爐傾動裝置采用四點全懸掛扭力桿平衡型式。系統主要組成：四臺驅動電機和一次、二次減速機，扭力桿平衡裝置等，在每個電動機軸上安裝1個編碼器，在傾動機構耳軸上安裝1個編碼器，用于電機速度和爐體角度的檢測。共4臺一次減速機，各由一臺變頻電機驅動。變頻電機為湘電萊特電氣有限公司制造，電機的主要參數為：額定功率：55kW；電樞電壓：380V；額定轉速：580r/min。

1 工藝要求

轉爐傾動系統由4臺電機驅動，每臺電機與減速機采用齒輪剛性連接。按工藝要求，轉爐爐體可以作360°傾動。正常情況下4臺電機同時運轉，其中1臺作為主電機，另外3臺電機作為從電機驅動轉爐旋轉。同時將一臺電機作為備用主電機，當主電機出現故障時，選備用主電機為主，其余2臺電機從電機，繼續臨時性生產，當有2臺電機出現故障時，系統禁止運行。

2 系統配置

根據近幾年轉爐傾動控制系統的設計和應用情況，我們采用4拖4主從控制方式，即4臺電動機采用4臺變頻器1對1控制，四臺變頻器之間通過控制單元CU320組成一個SIMOLINK網進行主從通信。設置四臺變頻器編號為1#-4#，并將1#變頻器設為主變頻器，2#設為備用主變頻器，其余兩臺為從變頻器。正常工作時選擇1#變頻器為主，其余三臺為從，當1#出現故障時，可切換到2#變頻器為主，將1#變頻器切除，3#、4#變頻器為從，此時允許三臺電動機繼續臨時性工作。當有2臺電機出現故障時，只能將爐體搖至垂直位，不可再次搖爐。轉爐傾動共分正反向各三檔速度，由主令控制器控制擋位信號，速度控制由西門子S120交流變頻器實現。PLC與變頻器之間采用PROFIBUS-DP網通訊，進行數據交換。主站采用速度閉環控制方式，由PLC將給定速度發送至主變頻器，從變頻器采用轉矩控制方式，接收來自主變頻器的轉矩給定值，達到四臺電機輸出力矩的平衡，使傾動系統穩定運行。

3 具體控制設計方案

3.1 傾動系統的轉矩平衡控制

我們在設計方案中采用控制單元和功率單元一對一的控制方式，每臺變頻器的控制單元配置一塊SIMOLINK通訊板，在四個控制單元（CU320）之間組成SIMOLINK網。硬件配置完成后，對四臺變頻器分配站地址及其它參數，此時SIMOLINK網絡就組建完畢，可以正常使用了。在參數配置中將主站變頻器的參數P751.2值設為K165，即主站發出的第二個控制字為轉矩限幅輸出值，而從站變頻器參數P486值設為K7002，即從站給定值來自于主站的第二個控制字。這樣就可以實現從站與主站的轉矩平衡控制。

3.2 主從的選擇

整個傾動系統由四套完全獨立并且相同調速系統組成，采用一主三從的控制方式。按照工藝要求需要有一臺備用主變頻器，當主變頻器或電機出現故障時，可以選擇備用主變頻器為主，其他兩臺變頻器為從；當一臺從變頻器或電機出現故障時，只需將其切除，就可以繼續搖爐。即在正常運行時，1#變頻器為主站。在主站出現故障而跳閘時，2#變頻器選為主站，其它兩個從站跟隨新的主站。具體設置：1#變頻器控制單元設為主站，在2#控制單元內我們設有主從兩組不同參數，其余2臺變頻器設為從站。通過主從控制選擇數字量輸入來進行切換，當主從選擇數字量輸入為1時，控制單元切換到主參數進行控制，PLC程序內通過邏輯功能判斷，將速度信號傳送給2#變頻器。當主從選擇數字量輸入為0時，控制單元切換到從參數進行控制。在正常工作時，我們設定1#變頻器作為主站，將1#變頻器中主從選擇參數P587設置為0，即其始終作為主站。在2#變頻器中，將主從選擇參數P587設為19，即選擇CUVC板的數字量輸入5的信號進行主從選擇。數字量輸入5信號來自于PLC控制的一個外部繼電器。當選擇其為主站時，PLC控制繼電器吸合，CUVC板上的數字量輸入5的信號為高電平，該站被設為主站；當選擇其為從站時，PLC控制繼電器釋放，CUVC板上的數字量輸入5的信號為低電平，此時該站被設為從站。在四臺變頻器或電機都正常工作情況下，1#變頻器為主站，其它三臺變頻器為從站跟隨其運行。當1#變頻器或電機出現故障時，將2#變頻器選為主站，并將1#變頻器切除，3#、4#變頻器為從站，繼續跟隨2#變頻器運行。當3#或4#變頻器出現故障時，在HMI畫面上將其切除即可正常運行。

3.3 制動控制

根據轉爐工藝的特殊要求，傾動控制系統響應速度要快，因此對抱閘的控制成為關鍵，否則就會出現溜車或者無法啟動現象。在冶煉的不同階段要求轉爐要停在任何位置，也就是說要在任何位置都能啟動。由于轉爐自身重力作用及爐體重心偏下，如果抱閘控制不好，就會出現鐵水潑灑等嚴重事故。因此在抱閘控制設計時，我們充分考慮轉爐的運行特性，采用主變頻器直接控制抱閘制動，利用變頻器本身附有的抱閘控制的功能。在主變頻器接收到啟動命令后建立電機電磁轉矩，當達到30%轉矩時（此值應根據實際轉爐運行情況經多次調試后確定），變頻器輸出抱閘打開信號。打開抱閘的電磁轉矩閥值由參數P611設定。為了降低對機械設備的沖擊，變頻器停止運行關閉抱閘時，其關閉信號也不是立即發出，而是通過電機轉速控制，當電機轉速降到額定轉速的8%時（此值也需要反復運行調試后確定），主變頻器才發出關閉抱閘的信號。

4 結語

綜上所述，在唐鋼新改造轉爐的項目中，西門子Sinamics S120系列變頻器驅動轉爐傾動系統非常穩定，系統響應速度快，達到了預期的控制目的，滿足工藝使用要求。

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