基于西門子6RA7013控制器的棒材冷床動(dòng)臺(tái)調(diào)速裝置

陳元招

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，福建 龍巖 364021)

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)和自動(dòng)化設(shè)備的不斷發(fā)展，棒材生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，生產(chǎn)周期的縮短要求配套的輔助設(shè)備不斷完善和改進(jìn)。棒材生產(chǎn)一般要經(jīng)過(guò)加熱、軋制、輸送、剪切、冷卻及收集包裝等工藝流程，冷床動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)在整個(gè)工藝流程起著重要的作用。為了快速準(zhǔn)確傳動(dòng)，冷床動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)有交流電機(jī)傳動(dòng)和直流電機(jī)傳動(dòng)。交流傳動(dòng)大多用在年產(chǎn)量30萬(wàn)t左右的冷床控制系統(tǒng)，這種傳動(dòng)設(shè)備投入較低，皮帶傳動(dòng)安全可靠，能快速、準(zhǔn)確傳動(dòng)，但是傳動(dòng)比固定，無(wú)法按軋制節(jié)奏改變動(dòng)作周期，需定期對(duì)皮帶進(jìn)行張緊。而直流傳動(dòng)適用于50萬(wàn)t左右的冷床動(dòng)臺(tái)傳動(dòng)，不僅執(zhí)行元件少、傳動(dòng)準(zhǔn)確、速度可調(diào)，而且在調(diào)試完成后制動(dòng)器的出力會(huì)得到改善，摩擦片生產(chǎn)消耗量少。步進(jìn)式冷床適應(yīng)生產(chǎn)線的連軋化、較高軋制速度和切分軋制的要求，因此在棒材連軋生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。

國(guó)外某鋼廠新建一條年產(chǎn)量50萬(wàn)t，產(chǎn)品規(guī)格φ16～100 mm的棒材生產(chǎn)線，本文結(jié)合該生產(chǎn)線對(duì)棒材冷床動(dòng)臺(tái)調(diào)速裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究［1］，介紹冷床動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)構(gòu)成及大功率全數(shù)字直流調(diào)速裝置，并進(jìn)行了參數(shù)設(shè)置和調(diào)試。

圖1 PLC外圍接口控制電路

1 冷床工藝流程

冷床是冶金軋鋼行業(yè)對(duì)軋制產(chǎn)品有效進(jìn)行冷卻的工作臺(tái)面。冷床主要由輸入輥道、冷床本體、齊頭裝置及輸出輥道組成。冷床本體是棒材冷卻的主要區(qū)域，主要由矯直板、定臺(tái)面、動(dòng)臺(tái)面及對(duì)齊輥道組成。動(dòng)臺(tái)面上部主要由固定梁、活動(dòng)梁和齒條等組成，其冷床床面由步進(jìn)齒條和固定齒條組成，步進(jìn)齒條相對(duì)固定齒條平面平行運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)裝置設(shè)在床體下面，冷床不工作時(shí)，固定齒條的齒面高于步進(jìn)齒條齒面。步進(jìn)齒條由1組偏心輪帶動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)，制動(dòng)時(shí)偏心輪停在起始位置，當(dāng)系統(tǒng)接到啟動(dòng)指令后，冷床電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)偏心輪從起始位置→加速運(yùn)動(dòng)→勻速運(yùn)動(dòng)→制動(dòng)減速運(yùn)動(dòng)→回到起始位置，是一個(gè)“啟-?！辈竭M(jìn)梁型冷床?；顒?dòng)梁向前移動(dòng)1步，是通過(guò)步進(jìn)齒條的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。每1步結(jié)束，活動(dòng)梁把棒材在1個(gè)帶有與活動(dòng)梁相同齒條的固定梁上，輸出輥道傳輸1根棒材，步進(jìn)齒條循環(huán)1次，不斷地重復(fù)上述動(dòng)作，棒材就會(huì)在冷床臺(tái)面上逐個(gè)齒距地向前移動(dòng)，使棒材在冷床步進(jìn)過(guò)程中達(dá)到了工件冷卻效果。

2 冷床動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)構(gòu)成

在傳送過(guò)程中，棒材從冷床輸入輥道落入穩(wěn)定矯直板第一齒槽內(nèi)，動(dòng)臺(tái)面按設(shè)定的工作周期將棒材沿直徑方向一步步送到靜臺(tái)面上。動(dòng)臺(tái)面的傳動(dòng)有交流電機(jī)和直流電機(jī)傳動(dòng)，為了保證傳動(dòng)準(zhǔn)確、速度可調(diào)及節(jié)約成本，防止堆鋼，動(dòng)臺(tái)面采用直流電機(jī)傳動(dòng)。

冷床動(dòng)臺(tái)電機(jī)由PLC實(shí)現(xiàn)邏輯控制，PLC硬件采用西門子S7-200系列產(chǎn)品，冷床動(dòng)臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)采用西門子6RA7013控制器、功率單元及勵(lì)磁單元構(gòu)成大功率全數(shù)字直流調(diào)速裝置，通過(guò)人機(jī)界面(HMI)設(shè)定冷床參數(shù)，完成冷床動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)功能要求。

2.1 PLC控制單元

冷床動(dòng)臺(tái)電機(jī)采用PLC控制，由接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行位置檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)冷床動(dòng)臺(tái)電機(jī)的啟停控制和速度給定功能，PLC外圍接口電路如圖1所示。軋件工藝參數(shù)設(shè)定和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的操作信號(hào)從HMI傳送給PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，輸出冷床定位和冷床點(diǎn)動(dòng)信號(hào)控制冷床直流傳動(dòng)系統(tǒng)，而輸出的給定信號(hào)、裝置合閘及使能合閘信號(hào)控制6RA7013控制器外圍接口的中間繼電器，6RA7013控制器根據(jù)給定、裝置合閘、使能合閘及反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)冷床動(dòng)臺(tái)電機(jī)的啟停、運(yùn)行控制和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視等功能。

PLC程序如圖2所示。當(dāng)裝置合閘開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)到接通后，再把運(yùn)行開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)到接通位置，按下啟動(dòng)按鈕，冷床動(dòng)臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)，進(jìn)行冷床定位，當(dāng)冷床運(yùn)動(dòng)到低位接近開(kāi)關(guān)時(shí)，冷床動(dòng)臺(tái)電機(jī)停止，冷床回到起始位置。

圖2 PLC程序梯形圖

圖3 6RA7013控制器外圍接口電路

2.2 大功率全數(shù)字直流調(diào)速裝置

2.2.1 西門子6RA7013控制器

西門子6RA7013控制器是一個(gè)以電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)為外環(huán)的雙閉環(huán)邏輯無(wú)環(huán)流調(diào)速控制系統(tǒng)［2］。該控制器內(nèi)置高性能微處理器，實(shí)現(xiàn)電樞和勵(lì)磁回路所有從速度設(shè)定到觸發(fā)脈沖的調(diào)節(jié)，以及監(jiān)控、通訊、故障處理等各種輔助功能。而整個(gè)控制軟件以功能塊程序的方式存儲(chǔ)在閃存中，通過(guò)操作控制面板的參數(shù)設(shè)置，可以方便地將軟件功能塊“連接”起來(lái)實(shí)現(xiàn)各種驅(qū)動(dòng)控制和邏輯控制等功能，可自動(dòng)測(cè)取、優(yōu)化參數(shù)實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化功能。由于采用全數(shù)字控制，運(yùn)行可靠，抗干擾能力強(qiáng)，具有故障自診斷和處理功能。通過(guò)CBP2通訊板與PLC之間可快速完成過(guò)程數(shù)據(jù)傳輸與運(yùn)算。6RA7013控制器外圍帶有開(kāi)關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入輸出、編碼器接口、電機(jī)溫度監(jiān)控接口、通訊接口、操作面板編程接口，還可附加多種擴(kuò)展板和附加板。6RA7013控制器外圍接口電路如圖3所示。

2.2.2 功率單元

根據(jù)步進(jìn)式冷床控制特點(diǎn)，要求冷床動(dòng)臺(tái)電機(jī)頻繁啟動(dòng)/停止，因此功率單元電路采用2組晶閘管裝置反并聯(lián)電路，工作在四象限電樞可逆運(yùn)行的邏輯無(wú)環(huán)流狀態(tài)［3］。功率單元電路如圖4所示。6RA7013控制器根據(jù)給定值和反饋值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算，輸出滿足控制要求的正、反2組觸發(fā)脈沖。當(dāng)1組晶閘管工作時(shí)，用邏輯電路封鎖另1組晶閘管的觸發(fā)脈沖，使它完全處于阻斷狀態(tài)，確保2組晶閘管不同時(shí)工作。為了抑制交流側(cè)浪涌電壓，則在進(jìn)線側(cè)串聯(lián)電抗器，并在直流側(cè)設(shè)置了保護(hù)電路，抑制晶閘管尖峰過(guò)電壓。

2.2.3 勵(lì)磁單元

由于勵(lì)磁單元功率較小，選用晶閘管模塊和二極管模塊構(gòu)成的單相橋式半控整流電路，可實(shí)現(xiàn)停機(jī)、滿磁、自動(dòng)弱磁等功能。勵(lì)磁單元電路如圖5所示，按直流電機(jī)勵(lì)磁額定電壓和電流值進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，6RA7013控制器根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算，輸出的觸發(fā)脈沖(G1、G2)控制晶閘管模塊，得到直流電機(jī)所需的勵(lì)磁電壓;同時(shí)還將實(shí)際勵(lì)磁電流信號(hào)反饋到6RA7013控制器，構(gòu)成閉環(huán)電流控制系統(tǒng)，通過(guò)參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁優(yōu)化控制。

圖4 功率單元電路

圖5 勵(lì)磁單元電路

3 調(diào)試及參數(shù)設(shè)置

3.1 開(kāi)機(jī)試運(yùn)行

檢查電路連接是否正確，對(duì)6RA7013控制器的微處理器內(nèi)在軟件進(jìn)行刷新，使調(diào)試參數(shù)與功率單元相對(duì)應(yīng)，再進(jìn)行開(kāi)機(jī)前參數(shù)設(shè)置(詳見(jiàn)《西門子6RA70系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置使用說(shuō)明書(shū)》)。電機(jī)試運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

參數(shù)設(shè)置完成后，進(jìn)行“裝置合閘”，用萬(wàn)用表測(cè)量后計(jì)算勵(lì)磁電流是否正常。如果計(jì)算值偏低，則增大參數(shù)P102值;反之減小，直到勵(lì)磁電流略小于額定勵(lì)磁電流。當(dāng)勵(lì)磁電流正常后，再進(jìn)行“使能合閘”。合閘后，電位器緩慢增加，觀察輸出電壓表有電壓輸出時(shí)，若電樞電流變化很快或有異常，則馬上按下急停按鈕;若輸出電壓正常且電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，則再增大電位器給定，完成電機(jī)試運(yùn)行。

表1 電機(jī)試運(yùn)行參數(shù)

3.2 參數(shù)優(yōu)化設(shè)置

冷床動(dòng)臺(tái)電機(jī)試運(yùn)行后，電樞兩端電壓波形可能出現(xiàn)缺相或幅值不同，為了得到更好的實(shí)際運(yùn)行效果，需進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)置，即電流環(huán)優(yōu)化、速度環(huán)優(yōu)化和弱磁優(yōu)化，這些參數(shù)優(yōu)化可以進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化和手動(dòng)優(yōu)化設(shè)置。

參數(shù)優(yōu)化時(shí)可以先分別設(shè)置P051為25、26、27進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，也就是根據(jù)外部硬件在調(diào)速器內(nèi)部軟件自動(dòng)換算獲取優(yōu)化參數(shù)。當(dāng)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)置不能完成時(shí)，可以輸入經(jīng)驗(yàn)參考值人為手動(dòng)優(yōu)化設(shè)置。若要達(dá)到對(duì)電機(jī)電樞和勵(lì)磁的預(yù)控制，則可按表2輸入不同參數(shù)的參考經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行電流環(huán)優(yōu)化;若要達(dá)到對(duì)電機(jī)的運(yùn)行速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到改善，則按表3輸入不同參數(shù)的參考經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行速度環(huán)優(yōu)化;最后判斷是否是弱磁電機(jī)或電機(jī)額定轉(zhuǎn)速是否滿足工藝要求，再確認(rèn)是否需要進(jìn)行弱磁優(yōu)化，若需要，則拆開(kāi)聯(lián)動(dòng)，按表4輸入不同參數(shù)的參考經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行弱磁優(yōu)化，使直流調(diào)速器達(dá)到最優(yōu)的控制效果。

在參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中，打開(kāi)“急?！薄把b置合閘”“使能合閘”開(kāi)關(guān)，若發(fā)現(xiàn)電樞電流持續(xù)加大等異常情況，則馬上按下“急?！卑粹o。

表2 電流環(huán)優(yōu)化設(shè)置參數(shù)

表3 速度環(huán)優(yōu)化設(shè)置參數(shù)

表4 弱磁優(yōu)化設(shè)置參數(shù)

3.3 電樞試驗(yàn)

參數(shù)優(yōu)化完成后，先檢查三相全控橋式整流電路的接線，用萬(wàn)用表測(cè)量電樞電阻及電樞回路對(duì)地絕緣，將交流側(cè)電壓反饋選到調(diào)試擋，然后設(shè)置電樞參數(shù)。

參數(shù)設(shè)置說(shuō)明見(jiàn)表5，把“裝置合閘”旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)合上，再合上“使能合閘”開(kāi)關(guān)，逐步減小P150的值，觀察電流表、電壓表是否有電流、電壓產(chǎn)生。當(dāng)正組停機(jī)后，只要設(shè)置P402為－5，P171為0，P172為－100，重復(fù)以上步驟試驗(yàn)反組。通過(guò)P402給定值實(shí)現(xiàn)正反組的切換情況及電樞兩端輸出波形。

表5 參數(shù)設(shè)置

4 應(yīng)用效果

國(guó)外某鋼廠棒材生產(chǎn)線冷床動(dòng)臺(tái)調(diào)速柜，其電機(jī)功率132 kW，電樞額定電壓400 V，額定電流800 A，勵(lì)磁額定電壓180 V，額定電流18 A。因此，刷機(jī)時(shí)根據(jù)電流互感器變比，把電樞電流改為1 kA，電樞電壓改為400 V，勵(lì)磁電流改為30 A，參數(shù)設(shè)置按照動(dòng)臺(tái)電機(jī)參數(shù)設(shè)定，保證一定的過(guò)載能力。

由PLC與6RA7013控制器相結(jié)合構(gòu)成的大功率全數(shù)字直流調(diào)速裝置，利用接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)位置反饋，提高了冷床位置控制精度，降低了堆鋼故障率。同時(shí)，PLC通過(guò)編程方式實(shí)現(xiàn)了冷床動(dòng)臺(tái)電機(jī)的快速啟動(dòng)、準(zhǔn)確停止及頻繁啟/制動(dòng)，采用四象限運(yùn)行控制方式，方便將制動(dòng)時(shí)的再生能量回饋給電網(wǎng)，具有諧波含量低、功率因數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，并且大大提高了生產(chǎn)自動(dòng)化程度，增強(qiáng)了生產(chǎn)能力。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)輸入的給定值，能夠驅(qū)動(dòng)冷床運(yùn)行的直流電機(jī)在冷床上準(zhǔn)確定位，以實(shí)現(xiàn)對(duì)冷床準(zhǔn)確控制。由于直流電機(jī)調(diào)速性能好、轉(zhuǎn)矩控制簡(jiǎn)單可靠、過(guò)載能力強(qiáng)，加上配套的西門子6RA70系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置和PLC控制器，能夠保證制動(dòng)命令及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)出及控制冷床精確停在起始位置，故其以優(yōu)越的性能在步進(jìn)式冷床控制方面得到了廣泛應(yīng)用。

［1］王玉娟，孫潔．基于6RA70的棒材冷床控制方案的研究［J］．甘肅冶金，2012，34(3):114 －115．

［2］鄒繼濤，李煒，陳韜．西門子6RA70直流調(diào)速裝置在軋機(jī)中的應(yīng)用［J］．鋼鐵研究，2011，39(6):42 －45．

［3］田石鐘，張奕黃，朱坤．基于6RA70控制的四象限直流調(diào)速系統(tǒng)［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2009，25(19):6 －7．