加熱爐抽鋼機聯動過流故障分析

陳禮明，陳祥軍

（1.上海梅山鋼鐵股份有限公司培訓中心，江蘇南京 210039；2.上海梅山鋼鐵股份有限公司熱軋廠，江蘇南京 210039）

0 引言

梅鋼熱軋廠1780 產線共設置3 座加熱爐，每座加熱爐出口設置2 臺抽鋼機，由于2 臺抽鋼機需共同抽出爐內長坯，故抽鋼機采用聯動控制方式。2014年下半年開始，3 座爐子抽鋼機接連發生過流故障，具體表現為抽鋼機在自動抽鋼過程中突然停止或在抽鋼機動作至末尾階段突然停止，傳動柜報過流故障。

1 抽鋼機聯動過流故障分析

1.1 抽鋼機電氣控制系統概述

加熱爐抽鋼機傳動裝置分別為2 臺電機驅動，2 臺電機分別帶減速箱，減速箱之間用鋼性聯軸器通過齒輪耦合。2 臺電機分別通過2 套逆變裝置驅動，逆變器型號ACS800-104-0125-3，2 套逆變裝置采用主從控制，其中主機帶有速度編碼器反饋，從機不帶編碼器。加熱爐抽鋼機的傳動裝置采用ABB 公司的ACS800 MultiDrive 變頻裝置。L1 為西門子S7-400 PLC，其中變頻柜通過Profibus 與PLC 通信[1]，其中變頻柜通過Profibus 與PLC 通信，電機尾部輸出軸接有2 只同軸的編碼器，其中增量編碼器通過普通電纜接入變頻柜，作為變頻柜的速度反饋，另一只絕對值編碼器通過Profibus 接入PLC，作為抽鋼機的實際位置反饋。系統的主要特點：模塊化結構，維護方便；功率范圍、電壓范圍較寬；并聯模塊具有冗余功能。

1.2 抽鋼機聯動過流故障分析

這里使用的是ABB 公司自帶的DriveWindow 來監控傳動的數據波形，它是一款用于ABB工業傳動的調試和維護的PC 機軟件工具，主要功能是監控被控電機的運轉狀況，記錄其各項主要的工作參數和故障顯示功能，適用于ACS600/800 和ACS-6000 系列變頻器。從監控傳動系統的波形來看，主機（1 號抽鋼機）傳動柜的速度反饋與現場電機動作一樣在（+40～-30）r/min 作正弦變化，從機（2 號抽鋼機）的速度反饋與給定速度方向相反，主機、從機的電流都很大，曲線基本重合，主機、從機的轉矩也很大，達到限幅轉矩，曲線完全重合，方向與給定方向一致。通過分析，過流曲線主要有2 種，分別是振蕩過流曲線和堵轉過流曲線。

1.2.1 振蕩過流分析

圖1 所示是捕捉到的傳動振蕩時的一組曲線，其中曲線1 為主機速度給定、曲線2 為主機轉矩給定、曲線3 為主機實際轉矩、曲線4 為主機實際轉速、曲線5 為從機實際轉矩、曲線6 為從機實際轉速。在抽鋼機往回退的時候轉矩發生振蕩，導致速度發生抖動，但最終回退過程完成，沒有發生過流停車。如果振蕩過大，那將導致過流停車。這里以曲線中連續的3 個時間段（60.6 s、60.7 s 和60.8）進行分析，表1 為統計的曲線分時數據對比。

圖1 DriveWindow 中顯示的振蕩過流曲線

表1 曲線分時數據對比

表1 可見隨著轉矩的增大，帶編碼器的主機速度居然減小，此后速度會一直振蕩。電機轉到某個位置時機械阻力加大，導致加速無法正常進行從而產生速度振蕩，速度振蕩必然導致轉矩振蕩，此后進入調整階段；如果起始點的振蕩較小，那么通過傳動的后期調整基本可以在一段時間內糾正此問題，即又回歸穩定；但如果起始點振蕩很大，則后期轉矩調整越來越大，直接導致過流跳車[2]。

綜上所述，振蕩過流故障來源于速度的起始點，如果速度在起始點可以加速，則基本不產生振蕩或小幅度的振蕩，但如果在起始加速過程中速度就產生了振蕩，則過流故障就會發生。

1.2.2 堵轉過流曲線分析

圖2 所示曲線是電機在反轉（抽桿托起鋼往回縮的過程），啟動過程中電機克服了一個很大的阻力f 導致電機轉矩升到最大限幅值，此時電機出現堵轉，但在54.8 s 的時候突阻力突然減小，電機恢復正常。由于2 臺電機為主從控制，主機為速度控制，從機為轉矩控制，主機和從機的轉矩由主機分配。電機在啟動的瞬間，主機以速度控制模式啟動，同時從機由轉矩控制模式啟動，二者同時達到主機的給定速度即一個啟動過程完成。但從曲線上看到，啟動過程中主機和從機轉矩在增大的過程中主機的速度在某一時刻不但沒增加反而下降了。這時主機和從機經過不斷自調整使自身轉矩不斷增大達到最大負的限幅值，但速度依然沒有增加。由牛頓第二定律F-f=ma 可知，因為F 是在不斷增大，也就是轉矩在不斷增加，系統認為此時的轉矩不夠或外界阻力太大（f 太大）[3]。造成以上現象的原因是有一個外力在阻止電機升速，導致主機速度編碼器反饋到的主機實際速度在來回振蕩，振蕩到某一時刻當主機的實際速度接近0 速時也就是完全被外力阻住的時候就不振蕩了，然后就一直保持滿轉矩0速，在54.8s 的時候電機的轉矩突然沖破阻力，此時f減小加速度a 增大，瞬間達到給定速度，轉矩下降恢復至正常，若在滿轉矩0速的時間過長，超過了系統自身的調節范圍，那么出現的現象就是過流跳車。

在上面堵轉的過程中，由波形得到從機的速度值為+20 r/min 左右，但是此時的速度給定為負值（現場情況是抽桿往回縮，也就是需要電機以一個負的速度轉動）。可能的原因是，從機的速度顯示值只是傳動內部通過反電勢計算出來的，而電機在低速運行的時候反電勢的計算值與實際有一定的偏差，同時現場觀察到此時的從機沒有像曲線上表明的在向與給定相反的方向運行。

綜上所述，堵轉故障的發生與外力阻擋和速度反饋值有極大關系，當電機處于堵轉狀態時，其電流將超過系統自身的調節范圍，致使過流跳車的發生。

2 抽鋼機聯動過流故障對策及效果

從以上分析可以得知，引起抽鋼機過流故障主要是由于啟動過程中電流異常振蕩和電機運行時發生堵轉所致。但具體而言，電流異常振蕩和電機堵轉的原因有很多，這其中包括機械方面的原因，如機械的一些狀態發生改變，如潤滑異常、間隙異常等；也包括電氣方面的原因，如電氣傳動的一些參數未及時優化等。因此對于造成故障真正原因的排查需要結合設備實際運行狀態的跟蹤和觀察加以細致和深入的分析。

通過對已發生的過流故障首先使用DriveWindow 來監控傳動的數據波形，對故障的范圍和特征進行鑒別，找出故障的可能因素，進一步對現場設備進行實際檢查和試驗驗證，確認故障原因。此方法已經被總結成相關的先進操作法在梅鋼熱軋廠進行推廣，不僅使類似過流故障的排查解決效率大大提升，而且利用對DriveWindow 數據波形的監控，軋鋼操作人員可以實時干預，從而在很大程度上避免了因過流故障引起的停機。

在上述的故障排除和處理中，已經對于原因不甚合理的設備狀態進行調整，如，為了提高抽鋼機從機實際速度的檢測精度，在從機電機的尾軸安裝了一組與主機一樣的編碼器；又如，通過優化傳動參數，將抽鋼機的運行周期延長，從而在滿足工藝要求的前提下，增加了系統運行穩定性。實踐中證明，這些設備狀態調整有效地減少了過電流事故的發生。

圖2 DriveWindow 中顯示的堵轉過流曲線

3 結束語

通過以上措施，現在已基本杜絕了梅鋼1780 產線抽鋼機聯動系統的過流故障，設備可靠性大大提高，通過對抽鋼機聯動過流故障的分析，查找其原因及解決對策，也為其他設備查找類似問題提供了一個案例。過流故障在日常生產中經常發生，如何分析，這就需要能夠從大系統考慮，結合機電一體，利用現代化檢測手段，系統地查找，有針對性的解決故障。