110 t轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)改造優(yōu)化

楊永強,張建龍,楊小兵

(酒鋼集團宏興股份公司不銹鋼分公司,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

酒鋼不銹鋼煉鋼轉(zhuǎn)爐懸掛于拖圈驅(qū)動側(cè)耳軸上,雙電機驅(qū)動,采用一拖一變頻控制方式。設(shè)計有一個內(nèi)部的電流調(diào)節(jié)環(huán)和外部的速度調(diào)節(jié)器。在正常情況下兩臺電機的操作僅有一個速度調(diào)節(jié)是主調(diào)節(jié),第二個為從屬。兩驅(qū)動之一被選擇為默認的主調(diào)節(jié)器,一旦出現(xiàn)故障另一驅(qū)動調(diào)節(jié)器將變成主調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)爐傾動的變頻控制采用的是速度閉環(huán)控制,通過變頻器內(nèi)部速度計算值與實際速度編碼器檢測值比較來控制轉(zhuǎn)爐傾動(見圖1)。轉(zhuǎn)爐傾動變頻器和主PLC采用PROFIBUS-DP通信方式,PLC可以從變頻器上讀取狀態(tài)字以及所需要的數(shù)據(jù),同時還可以寫入控制字到變頻器中。正常冶煉主要采用雙變頻雙電機運行,任一臺故障時,單電機驅(qū)動亦能滿足生產(chǎn)需要[1-9]。

圖1 閉環(huán)調(diào)節(jié)控制示意圖

1 轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)基本情況及運行過程中存在的問題

1.1 傾動系統(tǒng)硬件方面存在的問題

110 t轉(zhuǎn)爐傾動采用兩臺西門子 6SE70系列變頻器一拖一控制兩臺200 kW電機驅(qū)動,應(yīng)用主從控制方式保證負荷平衡。經(jīng)多年使用其核心部件已經(jīng)進入嚴重老化階段,系統(tǒng)抗干擾能力降低,變頻器故障率逐年升高,維護成本高昂。

1.2 傾動系統(tǒng)原設(shè)計存在的缺陷

雙驅(qū)動主從控制存在相互拖拽現(xiàn)象,從而導(dǎo)致兩臺電機轉(zhuǎn)矩不平衡,啟停瞬間電流峰值能夠達到750 A左右,運行中電流偏大不平穩(wěn)。單電機驅(qū)動傾動較雙電機電流反而偏小。傾動電機與減速機之間鼓形齒式聯(lián)軸器頻繁打齒。原設(shè)計傾動電機抱閘采用PLC控制,在75°～80°傾動轉(zhuǎn)爐時,抱閘打開、關(guān)閉瞬間,轉(zhuǎn)爐本體存在明顯抬頭晃動現(xiàn)象。6SE70變頻器未裝SLB板卡,未實現(xiàn)通信主從數(shù)據(jù)傳輸,裝置之間模擬量信號通道傳輸數(shù)據(jù)未形成交互,因此原系統(tǒng)主從控制方法不適用轉(zhuǎn)爐剛性系統(tǒng)主從傳動應(yīng)用,存在很大的設(shè)計缺陷。

為確保設(shè)備可靠運行、降低維護成本、提升設(shè)備控制精度,轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)改造優(yōu)化基于西門子S120系列變頻器構(gòu)建,改變控制方式升級優(yōu)化,實現(xiàn)雙變頻雙電機驅(qū)動轉(zhuǎn)爐平穩(wěn)運行。

2 轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)改造優(yōu)化策略

110 t轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)改造優(yōu)化基于安全性、穩(wěn)定性、可靠性、精確性的要求,依據(jù)原設(shè)計6SE70整流加逆變硬件結(jié)構(gòu),本次改造優(yōu)化采用S120變頻器整流加逆變形式。

轉(zhuǎn)爐傾動兩臺電機與減速機構(gòu)為同軸齒輪嚙合剛性連接,首先兩臺傾動電機之間要進行均勻的負荷分配,使其同步帶載轉(zhuǎn)矩保持一致,確保兩臺傾動電機同步運行、同步停止,從而平穩(wěn)運行。針對兩臺變頻器獨立控制的傾動電機,其變頻裝置的同步輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)保持一致,滿足系統(tǒng)負荷平衡要求。其次對轉(zhuǎn)爐傾動主從控制原理、系統(tǒng)控制邏輯進行了適宜性設(shè)計,功能涉及轉(zhuǎn)爐傾動兩臺電機任意主從切換控制,事故模式下單電機單獨運行。

2.1 轉(zhuǎn)爐傾動主從控制設(shè)計

轉(zhuǎn)爐傾動電機的控制方式為閉環(huán)矢量控制,為達到兩臺傾動電機轉(zhuǎn)矩輸出同步的要求,采取一主帶一從控制方法,即其中一臺電機變頻器為主機,另一臺電機變頻器為從機,運行時接收主機轉(zhuǎn)矩控制,見圖2。主機采用編碼器反饋的速度閉環(huán)控制,使變頻器對電機實際轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩實時調(diào)節(jié)以保證系統(tǒng)的控制精度及穩(wěn)定性。通過變頻器間的通信完成數(shù)據(jù)快速交換,使從機接收主機的設(shè)定轉(zhuǎn)矩,同步跟隨主機的轉(zhuǎn)矩輸出,從而達到兩臺電機的出力保持平衡。

圖2 主從控制示意圖

從機接收主機轉(zhuǎn)矩控制需通過SINAMICS Link通信將主機的主從狀態(tài)、轉(zhuǎn)矩設(shè)定、抱閘打開等信號分別發(fā)送至從機,完成主從系統(tǒng)控制。SINAMICS Link通信是西門子專有的具備等時同步功能的通信網(wǎng)絡(luò),它能實現(xiàn)兩臺控制單元間的直接數(shù)據(jù)交換,將數(shù)據(jù)交換延時限制在1ms以內(nèi)。兩臺變頻器CU120控制單元通過選件板CBE20使用DRIVE-CLIQ電纜串聯(lián)組成SINAMICS Link網(wǎng)用以完成裝置之間數(shù)據(jù)的快速交換。

考慮轉(zhuǎn)爐傾動的工藝特殊性,最大程度保障轉(zhuǎn)爐傾動運行平穩(wěn)、安全可靠要求,針對可能出現(xiàn)某一變頻器及電機故障情況,設(shè)計采用主從任意切換方式控制。當1#變頻器或電機出現(xiàn)故障時,切換2#變頻器為主;當2#變頻器或電機出現(xiàn)故障時,切換1#變頻器為主,同一時間只能有一臺變頻器為主機,另一臺為從機,若兩臺設(shè)備均存在故障,則PLC控制轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)停機。借助DCC(drive control chart)自由使用的控制塊、算法塊以及邏輯塊對設(shè)備功能進行圖形化配置和擴展,完成轉(zhuǎn)爐傾動兩臺電機任意主從控制功能。轉(zhuǎn)爐傾動的主/從控制指令通過WINCC畫面電機選擇信號控制。通過WINCC畫面選擇按鈕的先后順序,確定哪臺電機為主,哪臺為從。選擇一臺電機時則該電機被設(shè)為主機;兩臺電機投用時,先選擇的電機為主機,后選擇的電機為從機[10-15]。

2.2 抱閘打開、閉合控制

傾動抱閘控制以SINAMICS S120變頻器擴展抱閘控制技術(shù)為基礎(chǔ),對抱閘控制采用一種全新穩(wěn)定可靠方式完成轉(zhuǎn)爐抱閘的安全控制。在變頻器速度設(shè)定使能、抱閘未打開、操作運行期間,通過對系統(tǒng)預(yù)設(shè),先建立一個開抱閘命令信號,此時速度設(shè)定暫時為0速,待抱閘動作時間到達后,抱閘實際有效打開,設(shè)定速度使能,同時變頻器直接輸出一定的可控附加轉(zhuǎn)矩,保證抱閘打開一瞬間,轉(zhuǎn)爐不點頭不晃動,使電機在抱閘打開同時變頻器已經(jīng)輸出了足夠的轉(zhuǎn)矩克服負載重力,從而穩(wěn)定運行。圖3所示為轉(zhuǎn)爐實際抱閘打開的數(shù)據(jù)曲線,實際驗證了本次項目升級改造方案的正確性和可行性。

圖3 電機抱閘打開數(shù)據(jù)曲線

從生產(chǎn)方面考慮,轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)平穩(wěn)、準確及快速停車制動是生產(chǎn)的基本要求。若能完全依靠電氣制動將設(shè)備速度降為零(靜止狀態(tài)),再通過機械抱閘制動是最理想的。尤其是轉(zhuǎn)爐傾動在出鋼角度范圍頻繁點動出鋼操作時,希望在發(fā)出停止指令后轉(zhuǎn)爐能在最短的時間內(nèi)靜止,盡可能地減少爐渣隨鋼水倒入鋼水包。在停止運行時,希望使電機能在最短的時間內(nèi)靜止,除了盡量減少變頻器停車斜坡時間外,采取電氣加機械抱閘相結(jié)合制動方法快速平穩(wěn)制動停車。如圖4及圖5所示,當設(shè)定轉(zhuǎn)速為0后,先由變頻器控制電機快速制動,待電機實際轉(zhuǎn)速降至低速時,發(fā)出抱閘關(guān)閉命令,完成系統(tǒng)平穩(wěn)、快速停車制動。

圖4 電機抱閘關(guān)閉數(shù)據(jù)曲線

圖5 傾動電機點動出鋼數(shù)據(jù)曲線

3 轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)改造優(yōu)化后運行效果

新系統(tǒng)實現(xiàn)任意切換主機從機,當兩臺電機投入主從并確定后,僅有一臺為主機,另一臺為從機,其中主機為雙閉環(huán)控制,工作在速度環(huán)、電流環(huán),從機為速調(diào)轉(zhuǎn)矩積分控制,跟隨主機速度環(huán)工作在轉(zhuǎn)矩控制模式。下面以單電機為例從六個方面說明轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)改造優(yōu)化后運行實際效果。

3.1 單電機速度精度

圖6以50%速度單電機運行情況,波形如下,速度偏差為y軸,由曲線可知實際速度偏差為±0.2%,電機速度調(diào)節(jié)精度完全能夠滿足生產(chǎn)需求。

圖6 50%速度運行記錄曲線

3.2 單電機速度響應(yīng)

在無任何轉(zhuǎn)矩預(yù)控的情況下,在主斜坡函數(shù)發(fā)生器后面加上2%的速度階躍信號,x軸方向速度階躍開始到實際值到達設(shè)定的時間,速度響應(yīng)時間小于60 ms,圖7為單電機速度響應(yīng)曲線。

圖7 單電機速度響應(yīng)曲線

3.3 單電機電流環(huán)響應(yīng)速度

定義5%的附加轉(zhuǎn)矩,觀察電流環(huán)響應(yīng)速度,階躍產(chǎn)生到實際電流到達設(shè)定的時間,電流環(huán)響應(yīng)時間小于10 ms。圖8為單電機電流環(huán)響應(yīng)速度測試曲線。

圖8 單電機電流環(huán)響應(yīng)速度測試曲線

3.4 單電機為主帶載速度精度

圖9為50%速度電機帶載運行記錄曲線,速度偏差為y軸,波形如下。由曲線可知實際速度偏差為±0.4%。

圖9 50%速度電機帶載運行記錄曲線

3.5 單電機為主帶載轉(zhuǎn)矩精度

圖10為50%速度電機帶載運行轉(zhuǎn)矩記錄曲線,轉(zhuǎn)矩偏差為y軸,波形如下,由曲線可知實際轉(zhuǎn)矩精度為±3%。

圖10 50%速度電機帶載運行轉(zhuǎn)矩記錄曲線

3.6 帶載抱閘實際控制效果

圖11為生產(chǎn)時轉(zhuǎn)爐傾動啟動實際速度曲線。由曲線可知轉(zhuǎn)爐帶載啟動抱閘打開后,速度超調(diào)為0.56%。

圖11 轉(zhuǎn)爐傾動啟動實際速度曲線

圖12為生產(chǎn)時轉(zhuǎn)爐傾動停止實際速度曲線,由曲線可知轉(zhuǎn)爐停止時,實際轉(zhuǎn)速降至50 rad/min發(fā)出抱閘關(guān)閉命令,實際轉(zhuǎn)速降至0速后轉(zhuǎn)速超調(diào)為0.4%。

圖12 轉(zhuǎn)爐傾動停止實際速度曲線

根據(jù)實際要求轉(zhuǎn)爐傾動速度超調(diào)一般不超過±2%,上述為轉(zhuǎn)爐在啟動和停止時的轉(zhuǎn)速變化情況,由實際數(shù)據(jù)可知起停運行平穩(wěn)可靠,進一步證明傾動系統(tǒng)抱閘改造優(yōu)化設(shè)計的正確性和可行性。

新系統(tǒng)逆變柜之間采用西門子專有等時同步功能通訊網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)抗干擾能力強,能在1.5 ms內(nèi)高效穩(wěn)定完成數(shù)據(jù)同步傳輸,保障新傳動系統(tǒng)的主從負荷平衡控制。解決了原設(shè)計雙驅(qū)動主從控制相互拖拽、兩臺電機轉(zhuǎn)矩不平衡、電流過大運行不平穩(wěn)、聯(lián)軸器打齒的問題。原傾動系統(tǒng)抱閘改為變頻器控制,PLC僅參與氧槍吹煉前轉(zhuǎn)爐機械傳動機構(gòu)機械鎖定時的抱閘打開關(guān)閉控制,解決了轉(zhuǎn)爐傾動抱閘打開、關(guān)閉時轉(zhuǎn)爐點頭晃動問題。

4 結(jié) 語

本文主要介紹基于S120變頻器升級改造的轉(zhuǎn)爐傾動控制驅(qū)動系統(tǒng),實踐表明改造優(yōu)化后的轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了真正意義上的主從控制,動態(tài)響應(yīng)速度快,系統(tǒng)安全性更高,能夠滿足轉(zhuǎn)爐冶煉工藝對于安全性、穩(wěn)定性、可靠性、高效性、精確性控制的要求,對于轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)的設(shè)計及推廣應(yīng)用具有實際性指導(dǎo)意義。