京唐煉鋼2 號連鑄機變頻器控制系統升級改造

韓軍亮，李建英，滕 波

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200）

0 引言

首鋼京唐公司2 號板坯連鑄主要承擔品種鋼生產任務，連鑄機關鍵設備均采用西門子MasterDrive 6SE70 系列變頻器驅動，經多年使用其核心部件已經進入老化階段，變頻器故障率逐年升高，每年變頻器的維護成本高昂，且使用的西門子MasterDrive 系列6SE70 變頻器已停產，備件也將于2020 年停止供貨，目前部分在線變頻器損壞后已無備件可換，只能將電機下電輥子作為自由輥，導致出坯輥道運行坯子能力減弱造成堵坯，扇形段拉矯機驅動力大受影響導致滯坯現象時有發生，嚴重影響連鑄正常生產。升級改造的目的:①進行設備更新換代，保證備件供應，替換下的舊件可用于其他鑄機，實現舊件循環利用，降低成本；②保障設備功能精度，從而滿足品種鋼生產需求，確保公司優質產品指標兌現。

1 2 號連鑄機傳動設備介紹

2 號連鑄機傳動設備由公用部分傳動柜、1 流扇型段和拉矯傳動柜、1 流輥道傳動柜、2 流扇形段和拉矯傳動柜、2流輥道傳動柜等5 部分共計45 面135 臺變頻器組成，電機功率范圍4～90 kW。主要控制功能包括:大包轉臺傳動、中包車行走，結晶器在線調寬、引錠桿車行走、鏈傳動及卷揚、扇形段輥子驅動、切前切下輥道驅動，出坯區中間輥道驅動等。改造內容包含以上全部變頻器共計135 臺，采用西門子最新產品SINAMICS S120 系列變頻器及其成套傳動柜。

2 SINAMICS S120 系統技術方案

2.1 SINAMICS S120 變頻器簡介

西門子MasterDrive 變頻器停產后的替代產品為SINAMICS S120 變頻器，其通風、散熱設計更加合理，運行穩定性增強，在國內已有大量應用。用戶直觀感受是S120 不同于以往一體式變頻器（MM4/6SE70），而是一款分體式產品，即控制單元、功率單元、參數存儲分體式設計。分體式的好處在于:CU不受功率單元發熱的影響，系統更加穩定，在變頻故障情況下故障恢復更快捷；由于參數由CF 卡存儲，更換變頻器、更換控制單元等都不涉及參數的重新設定問題，可保證生產的連續性；各種不同的操作面板、多種語言的顯示功能及靈活的端子模塊滿足不同的需求，模塊化設計使維修維護更加便捷，并節約維護成本。

2.2 SINAMICS S120 變頻器選型

結合現場實際運行情況，新系統的帶載能力參照現有系統功率指標選型。

選定的S120 變頻器采用AC-AC 書本型變頻器，控制單元CU310-2DP，附件包括:①24 V 直流穩壓電源，在系統主電源斷開時仍然提供診斷功能；②存儲卡，更換模塊無需上傳、下載參數；③SMC30，接受增量式編碼器信號；④BOP 操作面板，查詢、修改參數。具有高動態響應能力的矢量控制，多種標準功能和診斷能力等，力矩上升時間大約5 ms，力矩波動小于2%，速度精度0.001%，速度上升時間20 ms。

SINAMICS S120 變頻調速柜具有應對顛覆轉矩的過載能力。如果出現較大的浪涌負荷，在組態時就會將其考慮在內。因此，在具有過載要求的變頻調速柜中，必須將相應的基準負載電流用作所需負荷的基礎。過載的標準是在過載發生前后，變頻調速柜以其基準負載電流運行，負載的持續時間假定300 s。高過載的基準負載電流IH允許150%的過載（60 s）或160%的過載（10 s），如圖1 所示。

圖1 過載曲線

2.3 SINAMICS S120 系統傳動柜布局

根據新變頻器安裝尺寸，并考慮到EMC 電磁兼容性的問題，降低通信故障發生，設計將原來1 套傳動柜安裝4 臺變頻器改為3 臺，每個流增加7 套新傳動柜并配齊柜內設備，分別為中間輥2 套、扇形段水平段加引錠桿車行走3 套、引錠桿卷揚及拖鏈1 套、結晶器調寬1 套，合計7 套柜；兩流共需要新增西門子原廠變頻柜52 套，其他變頻柜利舊。

圖2 動態響應曲線

2.4 SINAMICS S120 系統調試

項目調試采用Starter V4.5 版本，調試主要包括對主回路上的刀熔開關、風機斷路器輔點控制回路進行檢查，并測試與變頻器的連鎖，增加自由功能塊，設置自定義故障參數；對所有變頻器進行電機空載優化測試，帶編碼器監測曲線，調整PID 控制精度在0.5%～1%之間。上述調試完成后，對所有變頻器進行硬件配置，程序修改及DP 通信網線改造，設置變頻器與PLC 接口參數，進行單體遠程控制調試。單體遠程調試全部結束后，所有輥道進行連鎖調試。扇形段部分需要進行事故出坯模式測試。圖2 為變頻器動態響應曲線:設定速度與實際速度跟隨趨勢。

2.5 實施過程中存在的問題及解決方案

（1）S120 經過自檢、預充電等一系列步驟后，大約比6SE70系列變頻器晚5～6 s 的時間。現場可以觀察到輥道啟動慢的現象，這對輥道保持同步有影響。將變頻器進線主接觸器由急停信號和故障信號共同控制，使變頻器的整流回路一直保持工作狀態，跳過預充電過程，實現S120 和6SE70 變頻器的同步。

（2）S120 變頻器轉矩偏大，轉速和其他輥道相比較快。增加變頻器Droop 軟化功能，輸出力矩變大時，人為減小速度給定，起到平衡負載分配的作用。Droop 軟化功能由PLC 發送控制字r2090.12 激活，軟化功能如圖3 所示。

圖3 Droop 功能

（3）結晶器調寬系統實際測位置，由PLC 系統采用變頻器傳輸的編碼器脈沖值計算得出。改造過程中發現計算位置與實際位置不符，通過分析功能圖確定P418 編碼器脈沖分辨率直接影響編碼器的脈沖值，通過調整參數P418 的值，實現結晶器調寬系統的精確定位，正負誤差≤0.5%。

3 經驗總結

通過這次改造將之前容易發生故障的情況采取規避手段。

（1）改變柜內布局減少散熱問題。連鑄機高拉速生產時，變頻器散熱量比較大，如果過于緊湊很不利于變頻器散熱，容易引起變頻器過熱導致故障停機。

（2）消除EMC 電磁兼容性問題。由于變頻器在運行時產生的電磁干擾比較大，變頻器控制方式采用PROFIBUS DP 網絡控制，以往生產中偶發通訊故障，為了降低發生此類事故發生率，本次改造嚴格參考西門子變頻器安裝間距不小于5 cm 的標準，減少柜內變頻器數量，盡量降低電磁干擾。

變頻器升級為S120 后已運行2 年時間，總體設備運行穩定，改善了因備件不足造成的連鑄機功能精度缺失，減少了因傳動問題造成的斷澆、臥坯事故，降低了損失。2 號鑄機替換下來的6SE70 系列變頻器也為其它產線提供了充足的備件，保障了其它鑄機生產的穩定運行，該項目達到了預期目的。