摘要：本文介紹了SINAMICS S120變頻器以矢量控制方式在安豐150T轉(zhuǎn)爐上的應(yīng)用，探討了包括系統(tǒng)配置，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，以及控制思路等基本問(wèn)題，并且簡(jiǎn)單的介紹了西門(mén)子Starter軟件可視化調(diào)試的優(yōu)勢(shì)。

      關(guān)鍵字：變頻器 轉(zhuǎn)爐 矢量控制 可視化調(diào)試 VC Starter

      SINAMICS S120 converter in Converter drive Research and Application

      LiuZheng

      (Shandong Steel Group laigang automatized department

laiwu Shandong 271104 )

      Abstract: This paper introduces the SINAMICS S120 converter with vector control mode in AnFeng of 150T converter application, discussed includes system configuration, network planning, as well as the control of such basic questions, and a simple introduction of the Siemens Starter software visualization debugging advantages.

      Keyword: Converter Vector Control VC Visualization and debugging  Starter

　　1.前言

　　秦皇島安豐鋼鐵有限公司第三煉鋼廠新建2#150噸轉(zhuǎn)爐煉鋼工程，其低壓電氣、現(xiàn)場(chǎng)儀表、電氣傳動(dòng)及PLC三電一體控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)施工及調(diào)試由萊鋼電子公司所承擔(dān)，并于2011年9月1日順利投產(chǎn)。

　　該工程中所涉及的變頻器均采用西門(mén)子SINAMICS系列，特別是轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)，更是選用了帶有源回饋功能的SINAMICSS120變頻器，集v/f控制、矢量控制、伺服控制為一體的多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有模塊化的設(shè)計(jì)。各模塊間通過(guò)高速驅(qū)動(dòng)通訊接口drive-cliq相互連接，可以實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換，滿足了工藝對(duì)電氣傳動(dòng)設(shè)備的要求。

　　2.S120與PLC通訊方式

　　本項(xiàng)目中PLC系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-400系列，通過(guò)ProfibusDP擴(kuò)展ET200M，同時(shí)通過(guò)ProfibusDP與SINAMICSS120變頻器通訊，控制變頻器啟停，并監(jiān)視變頻器運(yùn)行狀態(tài)。在針對(duì)變頻器調(diào)試的過(guò)程中，可以選用CP5512，CP5513或者CP5613等配件與上位機(jī)直接通訊。本項(xiàng)目中選用的CU320-2附帶有一個(gè)LAN口，可使用網(wǎng)線與變頻器直接連接。項(xiàng)目的基本組態(tài)如圖1所示：

      3.S120變頻器的特性

      之所以選擇S120變頻器作為轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制設(shè)備，一方面是考慮到S120優(yōu)秀的性能，還一方面考慮到轉(zhuǎn)爐工藝的特性。根據(jù)轉(zhuǎn)爐的工藝要求，轉(zhuǎn)爐爐體需能進(jìn)行土360°的傾動(dòng)。一般情況轉(zhuǎn)爐處于平衡力矩工作狀態(tài)，也就是說(shuō)爐體本身重量集中在爐體下部，也就是鋼水所在的位置。這樣就可以確保轉(zhuǎn)爐事故狀態(tài)下，爐體能實(shí)現(xiàn)自復(fù)位功能。傾動(dòng)機(jī)構(gòu)可以平衡慣性勢(shì)能負(fù)載。在正常生產(chǎn)的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)至幾個(gè)固定的位置時(shí)（兌鐵位、吹煉位、出鋼位等），要求轉(zhuǎn)爐處于靜止的狀態(tài)，爐體由靜→動(dòng)以及由動(dòng)→靜時(shí)，要求爐身過(guò)渡平穩(wěn)，無(wú)明顯的沖擊現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，被控對(duì)象具有一定的動(dòng)態(tài)，靜態(tài)指標(biāo)要求。

      SINAMICS S120的核心控制單元CU320（V2.2版本）可以控制4個(gè)矢量軸或者是6個(gè)伺服軸。S120擁有出色的矢量控制能力，所謂的矢量控制就是通過(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量通過(guò)3/2坐標(biāo)變換分解為勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱(chēng)這種控制方式稱(chēng)為矢量控制方式。簡(jiǎn)單的說(shuō)，矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，分別設(shè)計(jì)出針對(duì)于兩者的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的高性能調(diào)速。利用矢量控制，可以將一臺(tái)三相異步電機(jī)等效為直流電機(jī)來(lái)控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)態(tài)性能。如圖為矢量控制的原理圖，ω為轉(zhuǎn)速實(shí)際值，ω*為轉(zhuǎn)速指令值；ψ_rd為定轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)換值， ψ_rd*為定轉(zhuǎn)子磁鏈估算值；i_sq為定轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)換值，i_sq^*是與之相對(duì)應(yīng)的計(jì)算值。

      4.可視化調(diào)試的過(guò)程

      S120有非常豐富的控制方式和控制模式，為我們實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的各種工藝需求提供了強(qiáng)有力的支持。S120提供了三種控制方式，分別為：扭矩控制、速度控制、位置控制。并且提供了三種控制模式：伺服控制，矢量控制，V/F控制。在本項(xiàng)目中，我們選用了矢量控制模式（P0107）。我們將傾動(dòng)系統(tǒng)四臺(tái)變頻設(shè)置為主從控制方式，主機(jī)采用速度環(huán)控制，從機(jī)采用力矩環(huán)控制。在空爐時(shí)，四變頻器拖四電機(jī)主從控制效果良好。然后分批增加配重，同時(shí)調(diào)試變頻參數(shù)。我們通過(guò)DP通訊把變頻器的實(shí)際力矩和實(shí)際速度讀入到PLC，由PLC系統(tǒng)判斷后再生成抱閘信號(hào)。由于轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)屬于重載設(shè)備，且傾動(dòng)過(guò)程中，實(shí)際轉(zhuǎn)矩的大小和方向始終在變化，需要對(duì)變頻器的PI參數(shù)、斜坡時(shí)間和抱閘等參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試。前期，在大配重的情況下，爐體運(yùn)行時(shí)有明顯的抖動(dòng)現(xiàn)象，后來(lái)經(jīng)過(guò)我們多次嘗試，在變頻參數(shù)中增加了變比例調(diào)節(jié)，最終解決了爐體抖動(dòng)的難題，使轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。

      在調(diào)試過(guò)程中，我們使用了Starter軟件來(lái)對(duì)S120參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。Starter軟件是西門(mén)子SCOUT平臺(tái)的重要組成部分，可以通過(guò)DriveES與Step7進(jìn)行無(wú)縫連接，將項(xiàng)目中的傳動(dòng)設(shè)備集成到自控系統(tǒng)中。通過(guò)Starter工具調(diào)試SINAMICS S120變頻器，可以用網(wǎng)線直接將PC連接到CU320-2自帶的LAN口，使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊，快速方便。在Starter中設(shè)置DP地址后，會(huì)自動(dòng)顯示DP撥碼的位置，此外，通訊報(bào)文應(yīng)使用相同的設(shè)置才能正常連接，使用“Transfer to HWconfig”功能可以將在Starter中配置好的報(bào)文設(shè)置直接傳送到PLC的組態(tài)中。利用Starter工具圖形化界面的特點(diǎn)，可以對(duì)變頻器參數(shù)進(jìn)行在線修改，并隨時(shí)觀察調(diào)試效果和變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，給我們調(diào)試工作帶來(lái)了極大的方便，明顯縮短了調(diào)試時(shí)間，有力保障了工程的進(jìn)度。

      5.實(shí)際效果總結(jié)

      SINAMICS S120變頻器用于轉(zhuǎn)爐煉鋼項(xiàng)目，使用Starter調(diào)試工具與PLC相結(jié)合的方式進(jìn)行調(diào)試，縮短了工程建設(shè)周期，又改善了調(diào)試效果。由于SINAMICS S120采用ALM和AIM的組合，可自動(dòng)調(diào)節(jié)直流母線電壓，有效避免了直流母線電壓過(guò)高引起的故障停機(jī)，而且ALM和AIM的組合帶有電能回饋功能，使轉(zhuǎn)爐的制動(dòng)時(shí)間明顯減小，既節(jié)能又提高了傾動(dòng)機(jī)構(gòu)的利用率，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，相對(duì)于傳統(tǒng)變頻器優(yōu)勢(shì)明顯。

       參考文獻(xiàn)：

1. 西門(mén)子自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)集團(tuán)客戶(hù)支持部 《傳動(dòng)裝置調(diào)試Starter》2009
2. SINAMICS S120 調(diào)試手冊(cè)  2010
3. SINAMICS S120 參數(shù)手冊(cè) 2010
4. 馮垛生編著《無(wú)速度傳感器矢量控制原理與實(shí)踐》機(jī)械工業(yè)出版社 2001

      作者簡(jiǎn)介：劉征（1983-10）男，山東省濟(jì)南人，2007年畢業(yè)于德州學(xué)院計(jì)算機(jī)及應(yīng)用專(zhuān)業(yè)?，F(xiàn)為萊鋼自動(dòng)化部助理工程師，從事自動(dòng)化控制專(zhuān)業(yè)。

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