西門子S120 變頻器在立式板坯連鑄機托輥系統(tǒng)上的應用

劉志杰

（山西云時代太鋼信息自動化技術有限公司，山西 太原 030003）

太鋼不銹鋼立式板坯連鑄機始建于20 世紀80年代中期，分別于1999 年和2004 年對相關設備和控制系統(tǒng)進行了改造升級，托輥傳動系統(tǒng)一直沿用2004 年改造時的西門子6SE70 變頻調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前穩(wěn)定性明顯降低，故障率明顯增高，并且由于西門子6SE70 系列產(chǎn)品的停產(chǎn)，備件缺貨嚴重，費用也比較昂貴。通過對托輥舊傳動系統(tǒng)6SE70 升級為西門全新一代變頻傳動技術S120 的應用，使連鑄機生產(chǎn)水平邁上一個新的臺階。

1 連鑄工藝流程簡介

立式板坯連鑄機主要由大包及大包車、中包及中包車、結晶器及振動裝置、引錠裝置、二冷段噴淋系統(tǒng)、38 號39 號40 號拉矯托輥系統(tǒng)、一次火焰切割機、卷揚系統(tǒng)、二次火焰切割機、噴號機器人等組成。

加熱成液體的合格鋼水裝在大包中，由大包車拉運至中包車上方，并把鋼水倒入中包中，中包中的鋼水經(jīng)管道進入結晶器。結晶器是連鑄機的核心部件，結晶器通過振動裝置的振動及一次冷卻使鋼水形成板型外殼，經(jīng)引錠裝置、拉矯托輥牽引并由二冷段噴淋水完成冷卻形成凝固板型。一次火焰切割機將板坯按定尺設定切割為板坯塊，接坯小車接住板坯后，通過卷揚斜出坯系統(tǒng)將切割后的板坯輸送至傳輸輥道，然后送至二次火焰切割機，根據(jù)訂單需求必要時進行二次切割。最后經(jīng)噴號機器人噴號后由天車吊裝入庫，完成全流程連鑄坯生產(chǎn)過程[1]。立式板坯連鑄機生產(chǎn)過程流程如圖1。

圖1 立式板坯連鑄機生產(chǎn)過程流程圖

2 托輥傳動系統(tǒng)設計

針對38 號39 號40 號托輥傳動系統(tǒng)舊設備備件停產(chǎn)，系統(tǒng)運行時間長導致電氣線路老化，故障率高，維護資料不全導致維護困難等問題，此次傳動改造包括以上系統(tǒng)柜內(nèi)主要電氣設備進行重新選型設計，通訊電纜、動力電纜、控制電纜分別敷設防止電磁干擾，控制系統(tǒng)分別獨立設計，各個系統(tǒng)控制參數(shù)完全優(yōu)化，托輥和卷揚整流單元和逆變單元關鍵參數(shù)通過Profibus-DP 總線由PLC 進行控制和監(jiān)控，控制方式采用帶編碼器的閉環(huán)矢量控制方式，托輥轉速根據(jù)拉坯速度計算之后通過通訊給定，斜出坯速度控制和轉矩控制根據(jù)工藝邏輯自動切換，強大的、 圖形化的調(diào)試軟件STARTER 和高級面板AOP30 便于調(diào)試和故障排查，熱試車前電機分別進行靜態(tài)和動態(tài)識別，有效提高設備動態(tài)性能和控制精度。托輥系統(tǒng)由托輥整流單元，托輥逆變器、輸入電抗器、輸出電抗器、熱繼電器等設備組成。托輥整流單元輸出直流電壓，通過直流母線下帶3 臺書本型逆變器，每個書本型逆變器拖動兩臺異步電機。除40 號電機帶1 個編碼器外，其余都帶兩個編碼器，其中一個將速度值給變頻器，另一個給PLC 系統(tǒng)計算坯長。

控制方式采用閉環(huán)矢量編碼器控制方式，通過PROFIBUS-DP 網(wǎng)的遠程通信，由P2 操作臺給出托輥速度給定，通過PLC 處理送入39 號托輥逆變器，根據(jù)39 號的電機編碼器反饋到PLC 信號值，經(jīng)PLC 處理后，將39 號電機速度反饋值作為38 號、40號電機的速度給定值，形成38 號、39 號、40 號托輥的轉速同步。其中整流單元合分閘、整流裝置“運行”“故障”指示、電壓、電流指示通過整流端子設定。逆變單元編碼器、急停、運行指示、故障指示、電流、電壓通過TM31 端子設定；啟停、故障復位、電動、正轉、反轉、固定速度給定控制，變頻器狀態(tài)反饋，速度反饋通過PROFIBUS-DP 控制字和狀態(tài)字設定。系統(tǒng)結構原理簡圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)結構原理簡圖

3 板坯數(shù)據(jù)動態(tài)跟蹤

板坯數(shù)據(jù)動態(tài)跟蹤主要包括引錠數(shù)據(jù)跟蹤和拉坯數(shù)據(jù)跟蹤兩部分。

3.1 引錠數(shù)據(jù)跟蹤

引錠數(shù)據(jù)跟蹤主要指人工啟動送引錠命令后，引錠桿從開始位，走至結晶器下方，然后進入結晶器中；開始拉坯后，引錠桿自動脫錠后返回引錠存放位的數(shù)據(jù)跟蹤處理。

引錠頭部位置的計算公式：

式中：P為引錠頭部位置；P0為起始位置；R為托輥半徑；K為托輥減速比；N為編碼器脈沖數(shù)/周；n為編碼器計數(shù)值。

引錠數(shù)據(jù)跟蹤是二冷水跟蹤及板坯長度跟蹤的基礎。

3.2 拉坯數(shù)據(jù)跟蹤

拉坯數(shù)據(jù)跟蹤主要包括二冷水動態(tài)跟蹤、板坯頭部跟蹤、坯尾跟蹤。

拉坯長度的計算公式：

式中：L為拉坯長度；D為結晶器中液位高度；R為托輥半徑；N為編碼器脈沖數(shù)/周；K39，K40分別為39號，40 號減速比；n39，n40分別為39 號，40 號編碼器計數(shù)值。

動態(tài)二冷水模型建立和一次切割啟動命令都依賴板坯頭部位置，因此，拉坯跟蹤數(shù)據(jù)的準確提供對于降低能源損耗及提高板坯質(zhì)量有著重要的意義[1]。

4 調(diào)試內(nèi)容

1）舊系統(tǒng)拆除、新設備安裝、校接線。

2）現(xiàn)場安裝完畢，根據(jù)原理圖檢查所有接線是否正確牢固，測試所有外部接線正確無誤。

3）托輥整流/回饋單元的調(diào)試。檢查控制托輥整流/回饋單元柜內(nèi)部按照原理圖接線，無接地短路異常；柜內(nèi)元器件安裝位置順序正確齊全，試驗動作正常可靠。合上逆變柜內(nèi)每相開關，三套逆變器接入直流母線，逆變器進行上電自診斷。利用AOP30 面板進行預調(diào)試，檢查基本參數(shù)是否正常。根據(jù)電機參數(shù)和工藝要求設置參數(shù)，利用STARTER 軟件進行參數(shù)調(diào)試。檢查相關開關量和模擬量輸入輸出是否正常。

4）托輥逆變單元的調(diào)試。檢查控制托托輥系統(tǒng)單元柜內(nèi)元器件安裝是否正確齊全，動作是否正常可靠，根據(jù)原理圖進行柜內(nèi)接線的校驗和確認。根據(jù)原理圖檢查所有外部設備與柜子之間的連接手否正確，檢查無接地，無短路現(xiàn)象存在，搖電機絕緣符合要求。用STARTER 軟件對變頻器進行電機靜態(tài)識別和速度閉環(huán)優(yōu)化，啟動變頻器，輸入?yún)?shù)并進行優(yōu)化，觀察電機運轉情況是否達到要求（要求脫開機械設備）。接上機械設備，根據(jù)電機實際電流調(diào)整顯示電流表，觀察輸出繼電器動作是否正常并作出調(diào)整。與PLC 進行聯(lián)動試車，測試由PLC 來的控制信號和變頻器傳回的PLC 信號是否滿足要求。

5）托輥系統(tǒng)聯(lián)動試車。根據(jù)聯(lián)動試車出現(xiàn)的問題相應調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，滿足生產(chǎn)工藝要求。認真記錄試車中出現(xiàn)的問題，仔細分析，及其調(diào)整系統(tǒng)的不足之處，滿足現(xiàn)場實際需求。

6）帶負荷試車。

7）試生產(chǎn)。整理整流單元、38 號39 號40 號逆變單元參數(shù)表，以39 號為例見表1。

表1 關鍵參數(shù)表

5 主要創(chuàng)新點

1）將原有西門子傳動系統(tǒng)6SE70 升級為新一代變頻S120，時間緊，風險高，技術難度大；圖紙和網(wǎng)絡重新設計。

2）每個托輥系統(tǒng)都是一拖二控制，控制精度和同步性調(diào)試難度大。

3）編碼器閉環(huán)矢量控制和抱閘控制方式結合工藝需要進行適應性優(yōu)化。

6 結語

托輥系統(tǒng)是整個連鑄工序的核心工序之一。托輥速度不同步直接導致拉坯過程斷澆、停澆和其他嚴重事故發(fā)生。本次改造將自主將6SE70 升級為新一代S120 極大地提高了傳動設備動態(tài)性能和控制精度，提高了連鑄板坯生產(chǎn)效率和表面質(zhì)量。