摘要：本文介紹了交、直流驅(qū)動裝置在中板粗軋壓下系統(tǒng)中的成功應(yīng)用。這兩次應(yīng)用分別以AB交流變頻器和西門子直流數(shù)字裝置為核心，構(gòu)架各自的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。文章對二者的應(yīng)用效果、技術(shù)難點、參數(shù)優(yōu)化進行了對比分析。

關(guān)鍵詞： 交流變頻器 ；直流數(shù)字裝置；性能對比；

The Application and Compare Analyse of The Control System of AC & DC in the System of Depressive on the Thick Rolling Mill

(The Medium Plate Plant of Jinan Iron and Steel Co. Ltd. ,Jinan 250101,China，Chen Jinbiao，Zhou Tao， Duan Wenyu，Li Wei，Li Desong)

Abstract： This article introduced  the successful application of the AC & DC drive device on the depress system of the thick  rolling mill in the middle plate factory .The twice application trussed the net structure according to the AC transducer of the AB and DC numeric device of the SIEMENS as the core. The article compared and analysed the effects of the application and the difficulties of the technology and the optimize of the parameter. 

Keywords: ; AC TRANSDUCER ；DC NUMERIC DEVICE  ; THE COMPARE OF CAPABILITY ;

1． 前言

     當(dāng)前控制領(lǐng)域中，矢量變頻技術(shù)已經(jīng)成熟，并且得到了極為廣泛的應(yīng)用。粗軋壓下控制系統(tǒng)項目中，首先應(yīng)用了AB公司的矢量變頻技術(shù)，軋機壓下電機采用交流電機，冷卻系統(tǒng)為水冷風(fēng)包系統(tǒng)。應(yīng)用中，出現(xiàn)了很多的技術(shù)問題和難點。經(jīng)過不斷學(xué)習(xí)、實踐、摸索，最終徹底解決了壓下電機起動速度慢、運行不穩(wěn)定，操作與傳動兩側(cè)運行負(fù)荷不平衡、燒毀操作側(cè)電機等一系列技術(shù)應(yīng)用中的難題。但是，在隨后的生產(chǎn)實踐中，我們發(fā)現(xiàn)在粗軋壓下頻繁正反轉(zhuǎn)、大力矩、高溫環(huán)境、快速響應(yīng)等要求下長期運行，對電機本體要求很高，仍然存在著非常大的潛在的風(fēng)險和隱患。

     因此，在應(yīng)用AB矢量變頻技術(shù)的一年后，我們將交流系統(tǒng)改為以西門子直流數(shù)字裝置為核心的直流系統(tǒng)。直流調(diào)速技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，靜態(tài)、動態(tài)性能優(yōu)良。通過SIMOLINK主從控制的應(yīng)用，實現(xiàn)了直流系統(tǒng)的優(yōu)勢。滿足了工藝生產(chǎn)的要求，實現(xiàn)了直流電機在粗軋壓下中的長期穩(wěn)定運行。使粗軋壓下系統(tǒng)成為真正意義的“免維護”系統(tǒng)，大大地降低維護成本，節(jié)省了人力。下面就讓探討一下，交、直流系統(tǒng)在粗軋壓下這個環(huán)節(jié)中的應(yīng)用對比與技術(shù)問題。

2． 硬件組成及其對比

2.1粗軋壓下交、直流系統(tǒng)硬件異、同點介紹

2．1．1相同部分：

     均由軋輔傳動系統(tǒng)西門子PLC S7 400、ET200分站、上位機、交流變頻電機YP235L-8 200KW 518rpm 2臺、MTS位移傳感器、DC220V直流裝置及其離合器系統(tǒng)組成。

2．1．2不同部分：

     （1）拖動系統(tǒng)分別使用了AB矢量變頻器和SIEMENS直流6RA70數(shù)字裝置；

     （2）電機冷卻中，交流壓下為水冷風(fēng)包系統(tǒng)，直流電機我們采用了強迫低溫風(fēng)冷風(fēng)機；

     （3）交流系統(tǒng)中沒有電抗器，直流系統(tǒng)增加了進線和出線電抗器；

2．2矢量變頻器的主從控制板

     （1）操作（主動）側(cè)變頻器端子接線說明

      TB10、TB11接線端子說明：

（2）傳動（從動）側(cè)變頻器端子接線說明

      傳動TB10、TB11接線端子說明：

      以上端子設(shè)計，為實現(xiàn)交流變頻系統(tǒng)中，操作側(cè)和傳動側(cè)壓下電機的主從控制奠定硬件基礎(chǔ)工作，同時也為變頻器參數(shù)的設(shè)置提供依據(jù)。

2．3直流壓下電機系統(tǒng)中操作側(cè)和傳動側(cè)主從控制網(wǎng)構(gòu)成

     （1）主從控制網(wǎng)絡(luò)硬件構(gòu)成圖：

     （2）西門子主從控制硬件說明

      為了達到高精度同步性，本次設(shè)計應(yīng)用了西門子全數(shù)字裝置組件SLB板，操作側(cè)、傳動側(cè)各一塊來完成主從控制的通訊任務(wù)，兩個SLB板間通過專用光纖連接。

      操作側(cè)裝置的SLB板發(fā)送口用光纖連接到傳動側(cè)SLB通訊板的接受口，操作側(cè)裝置的SLB板接受口用光纖連接到傳動側(cè)SLB通訊板的發(fā)送口，實際連接正常后SLB板的通訊燈變?yōu)榫G色閃爍。

2．4對比交直流系統(tǒng)硬件構(gòu)成及其功能

     AB矢量變頻技術(shù)應(yīng)用功能的完成最終是通過控制室內(nèi)的ET200與變頻器進行點對點硬件線路連接，及其AB矢量變頻器內(nèi)的參數(shù)設(shè)置來實現(xiàn)；但是，以西門子直流數(shù)字裝置為核心的系統(tǒng)中，所有與數(shù)字裝置、主從控制等功能，均通過DP網(wǎng)絡(luò)、光纖通訊來完成。因此，從硬件構(gòu)成上，直流調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)于交流矢量變頻系統(tǒng)，更加有利于系統(tǒng)控制精度、系統(tǒng)同步、負(fù)荷平衡等功能的實現(xiàn)。

3.系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)介紹及其對比分析

3．1粗軋交、直流變頻網(wǎng)絡(luò)組態(tài)構(gòu)架如下：

網(wǎng)絡(luò)組態(tài)說明：

     其中UR1、UR2以及3號、4號站為粗軋輔傳動系統(tǒng)原來組態(tài)，完成前后輥道、東西機架輥道、機后運輸輥道、東西推床等控制任務(wù)；

      組態(tài)總圖中紅線部分為由交流改直流壓下系統(tǒng)時，新增加的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，10號、11號站為ET200分站，12號、13號為直流壓下西門子全數(shù)字裝置，四個分站均掛于原輔傳動網(wǎng)絡(luò)下，既節(jié)約了硬件資源，也有利于原輔傳動系統(tǒng)信息與現(xiàn)壓下系統(tǒng)信息的共享利用；

     在12號站和13號站之間通過關(guān)纖連接，完成主從控制組態(tài)；

3．2網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架對比分析：

     （1）交流壓下系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成中，在控制室內(nèi)AB矢量變頻器柜內(nèi)的6號站為系統(tǒng)一個分站，通過硬線連接完成對變頻器TB3、TB10、TB11端子的各項控制功能。

     （2）直流壓下系統(tǒng)，對裝置的控制，均通過DP網(wǎng)絡(luò)通訊完成；

     （3）二者間組態(tài)的差異直接影響到控制任務(wù)響應(yīng)的速度差異和時時性的差異，在維護中直接表現(xiàn)為交流系統(tǒng)維護量、故障率要大大高于直流系統(tǒng)；

     （4）直流壓下系統(tǒng)的網(wǎng)路通訊方式，為上位機的豐富開發(fā)奠定了硬件基礎(chǔ)，直接為壓下系統(tǒng)的日常維護提供了重要的模擬量歷史數(shù)據(jù)；

4． 系統(tǒng)設(shè)計特點及其對比：

4．1粗軋壓下矢量變頻技術(shù)應(yīng)用中的技術(shù)難題及其解決方案

4．1．1存在的問題

     （1）.壓下電機啟動時，給定小了，反應(yīng)較慢，電機出現(xiàn)嗡嗡響聲但是起動困難，來回轉(zhuǎn)動；

     （2）.大給定起動時，慣性很大，不易控制，致使操作工無法達到預(yù)期的輥縫值，需要進行多次的反復(fù)調(diào)整，才能達到目標(biāo)輥縫值，嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏。

     （3）操作側(cè)電機與傳動側(cè)電機差異大，且出現(xiàn)多次燒毀傳動側(cè)電機事故。

4．1．2解決方案

     根據(jù)以上問題小結(jié)中的現(xiàn)象分析，我們在參數(shù)中設(shè)置P184=19參數(shù)表示在1336－L9控制板上TB3的第27號端子高電位時，矢量控制系統(tǒng)將啟用FLUX UP功能，該功能的使用將為電機增加一個維持啟動電流，加快啟動速度；運用HIOKI8841多通道示波器，對傳動側(cè)和操作側(cè)變頻器TB10端子的18、19號端子電機電流值的波形進行監(jiān)測：發(fā)現(xiàn)兩側(cè)電機電流的大小差異很大，幅值不一樣，波形也不一樣，通過傳動側(cè)AN IN 2 SCAL 參數(shù)對來自操作側(cè)變頻器的轉(zhuǎn)據(jù)給定值偏值系數(shù)進行修正。

4．1．3.改進后的應(yīng)用效果

     （1）Fast flux up功能的使用，目的就是為了當(dāng)主令回零時，在10秒內(nèi)再次起動時候，有維持電流，增加了起動力矩，達到快速起動效果。

     （2）而且，由于降低了電流限幅，因此轉(zhuǎn)動慣性也小了，夠準(zhǔn)確地停在目標(biāo)輥縫值上。

     （3）將傳動側(cè)變頻器給定值系數(shù)由2修正為3.5后，兩側(cè)電流波形一致了，電機溫度差開始縮小，最后幾乎接近一致。

4．2粗軋壓下6RA70直流裝置技術(shù)應(yīng)用特點

4．2．1上位機特點

     本次軟件設(shè)計尤其注意對上位機界面的合理開發(fā)，力爭做到對粗軋壓下系統(tǒng)進行全方位、科學(xué)、及時連續(xù)的監(jiān)控。為此，在原有粗軋輔傳動系統(tǒng)上位機界面基礎(chǔ)上增加了如下功能：電流、電樞電壓、勵磁電壓、勵磁電流、電機6個溫度測點等的變化曲線對照曲線；操作側(cè)和傳動側(cè)輥縫趨勢界面；操作側(cè)和傳動側(cè)軋制力變化趨勢圖等。

     該界面采集了軋制過程中的輥縫變化、全過程軋制力數(shù)據(jù)，為工藝優(yōu)化軋制過程提供了直接分析數(shù)據(jù)。同時為電氣維護人員在出現(xiàn)事故時，提供了又一重要數(shù)據(jù)分析。

4．2．2本次設(shè)計合理的將軋制力通過DP網(wǎng)采集在程序中增加了連鎖信號，只要軋制力超過1200噸，即封鎖壓下直流全數(shù)字系統(tǒng)。從技術(shù)上完全杜絕了誤操作對壓下電機的潛在威脅，確保了粗軋壓下電機在大負(fù)荷、大電流條件下能夠長期穩(wěn)定運行。

4．2．3本次設(shè)計還考慮到了在出現(xiàn)一臺電機意外事故后，用單電機運行模式進行生產(chǎn)的方式。當(dāng)由于電機本體問題，造成不能夠聯(lián)動運行方式，即可以通過切斷離合器6RA70數(shù)字直流電源裝置使能信號的方式，操作人員切換到單動運行模式，即可繼續(xù)進行生產(chǎn)，不造成長時間停產(chǎn)事故發(fā)生。

4．2．4冷卻系統(tǒng)的合理改造：由小電機現(xiàn)場軋機頂部冷區(qū)方式，改為由地面25kw電機通過冷卻管道進行強迫風(fēng)冷方式，大大改善了電機的冷卻方式，而地面冷卻風(fēng)機的進風(fēng)來自于控制室內(nèi)經(jīng)過空調(diào)冷卻的冷風(fēng)，這樣即使夏季也能確保電機處于低溫冷卻風(fēng)進行散熱。

5． 應(yīng)用效果說明

5．1矢量系統(tǒng)改進后的應(yīng)用效果

     （1）操作側(cè)和傳動側(cè)電機輸出電流波形由差異較大，變?yōu)閹缀跸喈?dāng)。

操作側(cè)和傳動側(cè)波形比較示意圖如下：

      參數(shù)優(yōu)化前的操作側(cè)和傳動側(cè)的電流波形：

     從以上示波器，雙通道測試波形數(shù)據(jù)來看，操作側(cè)壓下電機電流（黃色）要比傳動側(cè)壓下電機電流（綠色）的最大值高于311A左右在這樣的運行電流下進行長期生產(chǎn)，電機的本體溫度自然會產(chǎn)生很大的差異。

參數(shù)優(yōu)化后的操作側(cè)和傳動側(cè)的電流波形：

     從以上示波器，雙通道測試波形數(shù)據(jù)來看，操作側(cè)壓下電機電流（黃色）與傳動側(cè)壓下電機電流（綠色）相比較，幾乎相當(dāng)。跟隨行很好，實現(xiàn)了很好的負(fù)荷平衡效果。

     （2）操作側(cè)變頻電機在10小時運行過程中溫度由70左右，逐步下降到了36度左右，與傳動側(cè)的35度幾乎一樣。

     綜合效果就是操作工既能夠快速起動壓下電機，又能夠準(zhǔn)確地停在目標(biāo)輥縫值上，由改進前的粗軋軋制一塊鋼需要76秒，變?yōu)楦倪M后的54秒，大大加快的生產(chǎn)節(jié)奏。為我廠“三改四”工程的快速達產(chǎn)達效起到了關(guān)鍵的一步。

5．2直流系統(tǒng)應(yīng)用效果

     本次系統(tǒng)設(shè)計的核心是成功的應(yīng)用了西門子SIMOLINK通訊，實現(xiàn)了操作側(cè)和傳動側(cè)電機的主從控制的同步性，實現(xiàn)了優(yōu)良的負(fù)荷平衡效果。

5．  2．１采用SIMOLINK光纖通信方式，完全實現(xiàn)了操作側(cè)和傳動側(cè)控制的同步性，為電機的長期穩(wěn)定運行打下了堅實的基礎(chǔ)。通過多蹤示波器檢測，操作側(cè)與傳動側(cè)系統(tǒng)電流同步性控制誤差僅在90ms以內(nèi)，大大提高了控制精度。

５．２．２電機冷卻系統(tǒng)優(yōu)良，操作側(cè)和傳動側(cè)電機在夏季環(huán)境溫度為40度時，仍保持在70度以下運行的良好效果，從而為電機長期安全運行提供了有利的外部溫度保障。

５．２．3系統(tǒng)設(shè)計最終實現(xiàn)了主從控制的同步性，電機起動的快速性，定位的準(zhǔn)確性，據(jù)統(tǒng)計項目應(yīng)用后每塊鋼開胚時間能夠縮短2秒左右，每班次增產(chǎn)160噸左右，僅此一項每年就可增創(chuàng)效益五百萬元以上。

6． 結(jié)束語

     在粗軋壓下系統(tǒng)二者的成功應(yīng)用中：前者，為大型直流電機的交流化樹立了信心，為進一步推廣矢量變頻技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，積累了很多的技術(shù)應(yīng)用中的實踐經(jīng)驗。該技術(shù)的應(yīng)用，減少了對電機本體的維護量，降低了維護勞動強度，在能夠很好解決電機散熱問題前提下，可以確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行；后者，西門子SIMOLINK光纖通訊技術(shù)成功應(yīng)用于粗軋壓下電機控制系統(tǒng)中，確保了操作與傳動兩側(cè)電機的同步性，實現(xiàn)了負(fù)荷平衡效果。電機冷卻系統(tǒng)的改造，上位機的合理開發(fā)，連鎖信號的科學(xué)應(yīng)用，最終實現(xiàn)了粗軋直流壓下系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行，電機無故障運行的應(yīng)用效果。

     總體來看，二者均能夠滿足工藝生產(chǎn)的要求及其參數(shù)，但是確保二者系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的電機本體質(zhì)量要求和冷卻方式及其效果的要求程度都是不一樣的，矢量變頻系統(tǒng)要明顯高于直流系統(tǒng)構(gòu)架的要求，因此，我們建議在粗軋壓下這個環(huán)節(jié)仍然采用直流電機來拖動。

作者簡介

陳錦標(biāo)，男，30歲，祖籍四川，電氣工程師。2002年7月畢業(yè)于新疆石油學(xué)院機電工程系，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位。現(xiàn)主要從事電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)管理與維護，新技術(shù)應(yīng)用等工作。

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