西門子Sinamics S120系列變頻器在煉鋼轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)上的使用探討和總結(jié)

成都市金自天正智能控制有限公司 陳 華

一、引言

Sinamics S120系列是西門子近年來主推的更新一代變頻器，在集成了前代6RA70及6SE70系列變頻器優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，更更新了調(diào)試軟件starter的軟件畫面，讓調(diào)試人員更直觀調(diào)試，并查找故障問題。同時(shí)，相對(duì)于其它變頻器系列，S120更在內(nèi)部集成了DCC（驅(qū)動(dòng)控制圖表）功能，可使用CFC編程語言來實(shí)現(xiàn)邏輯、運(yùn)算以及簡(jiǎn)單的工藝等功能，讓變頻器的使用更靈活。

廣西貴港鋼鐵廠在其新建煉鋼轉(zhuǎn)爐工程中采用了Sinamics S120系列變頻器對(duì)其轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)、氧槍等重要設(shè)備進(jìn)行控制。本文就本次項(xiàng)目中Sinamics S120用在轉(zhuǎn)爐的情況做一定的闡述和總結(jié)。

二、工藝要求

轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)采用4臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)爐，與連接軸采用齒輪剛性連接。根據(jù)工藝，轉(zhuǎn)爐本體應(yīng)可以作360°傾動(dòng)。在正常情況下4臺(tái)電機(jī)同時(shí)動(dòng)作，由1臺(tái)作為主電機(jī)另外3臺(tái)作為從電機(jī)給與轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩旋轉(zhuǎn)。4臺(tái)電機(jī)可以設(shè)置為任意一臺(tái)作為主電機(jī)，當(dāng)4臺(tái)電機(jī)其中一臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，余下3臺(tái)電機(jī)可以臨時(shí)性的繼續(xù)生產(chǎn)，當(dāng)4臺(tái)電機(jī)故障超過2臺(tái)時(shí)，系統(tǒng)停止。

三、系統(tǒng)配置

本傾動(dòng)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)配置選用4臺(tái)西門子Sinamics S120功率單元，分別驅(qū)動(dòng)4臺(tái)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)電機(jī)。每個(gè)功率單元使用一個(gè)CU320-2 D P 控制單元來單獨(dú)控制。同時(shí)，每個(gè)CU320-2DP控制單元在配置一塊CBE20通訊板，使用Profinet協(xié)議在4臺(tái)控制單元間進(jìn)行通訊，通過它們之間的數(shù)據(jù)交換來實(shí)現(xiàn)主從控制功能。主電機(jī)采用速度閉環(huán)控制，從電機(jī)取主電機(jī)的力矩輸出作為自己的力矩輸出，跟隨主電機(jī)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)主從控制功能。

四、具體控制設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制方案如圖1所示：

圖1

1.主從控制方案介紹

自動(dòng)化PLC通過Profibus協(xié)議分別鏈接各個(gè)控制單元，作為自動(dòng)化控制通道，讀取各臺(tái)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并給主電機(jī)控制單元發(fā)送如運(yùn)行、速度等控制信號(hào)，控制傾動(dòng)主電機(jī)用速度閉環(huán)控制方式運(yùn)行。而各臺(tái)控制單元之間使用SINAMICS Link協(xié)議進(jìn)行鏈接通訊，作為主電機(jī)的控制單元將自身接收到的PLC控制命令通過SINAMICS Link發(fā)送給其余三臺(tái)從電機(jī)的控制單元，作為從電機(jī)的控制命令，同時(shí)也把經(jīng)過處理的實(shí)際力矩輸出一并發(fā)送給其余三臺(tái)從電機(jī)的控制單元，作為從電機(jī)的力矩給定，而從電機(jī)則使用力矩控制方式進(jìn)行控制。每臺(tái)電機(jī)的控制參數(shù)設(shè)置都有主從兩種控制方式備選，并使用一個(gè)數(shù)字量輸入作為主從切換，當(dāng)此輸入為1時(shí)，本電機(jī)作為主電機(jī)，使用主電機(jī)的控制參數(shù)，其余3臺(tái)電機(jī)主從切換的數(shù)字量輸入則為0，使用從電機(jī)的控制參數(shù)。要選擇4臺(tái)傾動(dòng)電機(jī)的主從關(guān)系，只需要更改主從切換這個(gè)數(shù)字量輸入的狀態(tài)就可以了。此時(shí)PLC可以按實(shí)際情況進(jìn)行邏輯判斷，切換4臺(tái)中的主從關(guān)系即可。

2.主從通訊連接的設(shè)置

為了將4臺(tái)傾動(dòng)電機(jī)連為一起，我們需要使用sinamics Link通訊協(xié)議，通過CBE20來實(shí)現(xiàn)4個(gè)控制單元CU320-2DP之間的數(shù)據(jù)交換。發(fā)送及接收數(shù)據(jù)常用的節(jié)點(diǎn)包括帶有CU的驅(qū)動(dòng)單元及連接的驅(qū)動(dòng)對(duì)象（DOs）。SINAMICS Link的報(bào)文為16個(gè)固定的過程數(shù)據(jù)空間（PZD），每個(gè)PZD為一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度。不需要的部分填零。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)16個(gè)PZD的報(bào)文。一個(gè)驅(qū)動(dòng)對(duì)象從每個(gè)連接的其它DO處最多可以接收16個(gè)PZD?？山邮栈虬l(fā)送單字和雙字。雙字需要2個(gè)連續(xù)的PZDs。

傳送時(shí)間：當(dāng)使用SINAMICS Link（對(duì)于一個(gè)控制周期，最大0.5ms；總線周期2.0ms）時(shí)，傳送時(shí)間可以為3.0ms。

此時(shí)每臺(tái)CU320-2DP有兩路通訊，一路為IF1 Profibus-DP通訊，用于與自動(dòng)化上位機(jī)進(jìn)行通訊。一路為IF2 Profinet通訊，用于4臺(tái)變頻器控制單元之間的通訊。在設(shè)置主從通訊時(shí)，要給4臺(tái)傾動(dòng)控制單元分別設(shè)置1號(hào)～4號(hào)4個(gè)裝置的站地址。同時(shí)，每臺(tái)傾動(dòng)控制單元都將各自的控制字、轉(zhuǎn)矩給定發(fā)送到自己Profinet通訊的發(fā)送區(qū)等待其余3臺(tái)傾動(dòng)控制單元讀取，同時(shí)，將另外3臺(tái)控制單元的控制字和轉(zhuǎn)矩給定數(shù)據(jù)讀到自己的接收字緩存區(qū)待用。

3.具體主從邏輯判斷設(shè)置

在各個(gè)傾動(dòng)控制單元內(nèi)我們?cè)O(shè)有主從兩組不同參數(shù)，通過主從控制選擇數(shù)字量輸入來進(jìn)行切換，當(dāng)主從選擇數(shù)字量輸入為1時(shí)，控制單元切換到主參數(shù)進(jìn)行控制，即選擇PLC傳送過來的控制信號(hào)作為控制命令。當(dāng)主從選擇數(shù)字量輸入為0時(shí)，控制單元切換到主參數(shù)進(jìn)行控制，即通過內(nèi)部使用DCC編程后的邏輯判斷來自動(dòng)選擇取哪一臺(tái)為主的電機(jī)控制信號(hào)作為自身的控制命令。

DCC（drive control chart）是在Sinamics系列變頻器可使用的可編程環(huán)境，可通過圖形化的可編程語言（CFC）來編程滿足驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)功能。DCC包含很多邏輯編程的基本功能，如：算術(shù)、閉環(huán)控制、字符轉(zhuǎn)換、邏輯、系統(tǒng)、工藝指令等。在本次傾動(dòng)項(xiàng)目上我們主要選擇使用其邏輯里的選擇功能塊。當(dāng)電機(jī)為從狀態(tài)時(shí)，我們通過邏輯程序編程實(shí)現(xiàn)對(duì)主電機(jī)控制源的有效選擇，具體編程如圖2、圖3所示：

圖2

圖3

在以上程序中，我們選用NSW功能塊（量選擇器，見圖2）來選擇應(yīng)該接收到的力矩給定，用BSW功能塊（位選擇器，見圖3）來選擇應(yīng)該接收到的控制給定，用另外三臺(tái)傾動(dòng)控制單元的主從選擇傳送過來的位信號(hào)，三個(gè)疊加選擇后來判斷應(yīng)選擇的力矩給定和控制給定來源。因4臺(tái)控制單元有且僅有一臺(tái)的控制位為主狀態(tài)，故最終選擇只能選到唯一的主控制給定，不會(huì)出現(xiàn)多臺(tái)主的沖突而導(dǎo)致輸入值混亂。

五、結(jié)論

綜上所述，在煉鋼轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)中，選用西門子Sinamics S120系列變頻器來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)是沒有問題的，可以完全替代以前使用6SE70等其它方案。并且在廣西貴鋼新建轉(zhuǎn)爐的這個(gè)項(xiàng)目中，運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期的控制需求，滿足工藝。