滾切式雙邊剪交流變頻傳動系統(tǒng)設計研究

馮展國

(寶鋼工程技術(shù)集團有限公司，上海 201999)

滾切式雙邊剪交流變頻傳動系統(tǒng)設計研究

馮展國

(寶鋼工程技術(shù)集團有限公司，上海 201999)

通過介紹寶鋼集團八一鋼鐵公司滾切式雙邊剪傳動系統(tǒng)的組成，闡述了SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE70變頻調(diào)速裝置的硬件組態(tài)、參數(shù)設置以及通訊功能的實現(xiàn)。介紹了多電機傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、矢量控制原理，以及利用DriveMonitor軟件對傳動進行配置和調(diào)試的方法。實踐證明，該多電機傳動系統(tǒng)功能強大，控制精度高，響應速度快，具備良好的性能，維護調(diào)試方便，是理想的傳動控制系統(tǒng)。

6SE70；多電機傳動；矢量控制；DriveMonitor；SIMOLINK

0 引 言

某集團2011年裝備了一套滾切式雙邊剪[1-2]，替代原有擺切式雙邊剪[3]，用于中厚板的寬度定尺、碎邊收集等精整處理。從功能上分類，可分為主剪、夾送輥、碎邊導衛(wèi)、碎邊剪、剪刃間隙調(diào)整及更換、激光劃線、磁力對中、液壓站、稀油站等子系統(tǒng)。為了確保鋼板剪切效率和效果，八臺夾送輥和兩臺主剪的控制為機組的核心部分，通過采用德國西門子交流變頻多電機傳動裝置，利用Profibus現(xiàn)場總線和SIMOLINK技術(shù),設計了一套成熟穩(wěn)定高效的傳動控制系統(tǒng)，達到了滿意的驅(qū)動性能。

滾切式雙邊剪代替了擺切式雙邊剪和人工定尺切割焊機對鋼板切邊的模式。某中厚板廠滾切式雙邊剪主剪和夾送輥選用Siemens公司的6SE70型多電機傳動(Multi Drive)整流變頻裝置。6SE70變頻器采用脈寬調(diào)制方式，結(jié)合矢量控制技術(shù)，能夠精確控制普通交流電動機的速度和轉(zhuǎn)矩，并能最大程度發(fā)揮電動機的設計能力。

1 系統(tǒng)組成

1.1 傳動定位

6SE70變頻器按照適用電動機類型不同分為VC(矢量控制)和MC(運動控制)兩種，VC用于標準/緊湊感應電動機、磁阻電動機、部分同步電機，MC用于同步伺服電動機、異步伺服電動機、標準感應電動機。本系統(tǒng)屬于VC，可以覆蓋2.2 kW～6 000 kW功率輸出范圍，按照電壓等級不同，和功率的對應關(guān)系如表1(頻率50 Hz/60 Hz±6%)。通過選取660 VAC～690 VAC電壓等級，相同的功率下可降低電流，減少線損，同時更高電壓等級的電動機體積更小，便于布置。6SE70 VC裝置功率范圍和電壓等級對應關(guān)系如表1所示。

表1 6SE70 VC裝置功率范圍和電壓等級對應關(guān)系

1.2 傳動系統(tǒng)具體構(gòu)成及說明

雙邊剪傳動控制采用多電機傳動,是一種使用公共直流母排的工業(yè)傳動形式。由整流單元、逆變單元、控制單元組成。雙邊剪多電機傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1) 整流/逆變單元

SIMOVERT MASTERDRIVES 整流器有兩種，一種為直流母線電壓不可調(diào)的R/R型，回饋電網(wǎng)時斷電會擊穿整流回饋單元，另外一種是直流母線電壓可調(diào)型(AFE)，可以在100%～200%額定電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，電流曲線為正弦波，無諧波污染，在回饋方式和電源斷電的情況下不會出現(xiàn)逆變顛覆。受限于成本，采用了第1種整流單元，并配備制動單元，通過PLC自動化系統(tǒng)檢測母線電壓，一旦電壓超過設定保護值，即刻切斷電源保護設備。在調(diào)試過程中參數(shù)設定未優(yōu)化，加之夾送輥的加減速及其劇烈快速，在高速剪切時對直流母線沖擊超限屢有發(fā)生。

圖1 雙邊剪多電機傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

6SE70整流/回饋單元均可四象限運行，具有靈活多變的系統(tǒng)配置方案：有三相交流供電的變頻器用于單電動機傳動方式(可實現(xiàn)成組傳動和單機傳動)；也有公共直流母線系統(tǒng)的多逆變器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)能量均衡，更可使能量回饋到電網(wǎng)。

2)傳動控制單元

每個逆變器帶一個傳動控制主板CUVC(實現(xiàn)自動優(yōu)化、多種控制功能、復雜的診斷、限幅控制等)、工藝板(T300/T400，可實現(xiàn)同步、卷曲、定位、多電動機驅(qū)動和其他特殊控制任務)、通訊板，以及可選I/O板(可擴展EB1/EB2)、現(xiàn)場總線通訊板CPB2、編碼器接口模塊SBP/SBM/SBR、SIMOLINK通訊模塊SLB等。PMU控制面板接口使用專用電纜可與OP1S控制盤連接，PMU和

OP1S利用該控制盤可以對逆變器進行調(diào)試、參數(shù)設定、故障復位和實際值顯示等功能。OP1S界面更友好，可存儲8套逆變器參數(shù)，功能更強大。

3) 基于SIMOLINK網(wǎng)的主從控制

如圖2所示,SIMOLINK光纖網(wǎng)用于數(shù)據(jù)傳輸，每個站點的作用如同信號放大器，從傳輸方式上分為“主從”方式和“點到點”方式，“主從”方式需要SIMADYN或SIMATIC S7作為主站管理數(shù)據(jù)報文，我們在雙邊剪系統(tǒng)中采用了“點到點”方式，四臺主剪、入口四臺夾送輥、出口四臺夾送輥分別組成4個SIMOLINK網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)的四個傳動裝置物理上完全對等，可根據(jù)需要在邏輯上定義一個為發(fā)送器，管理控制全部報文數(shù)據(jù)，其余三臺定義為收發(fā)器，做到一主三從，實現(xiàn)四臺電動機的同步運行。本系統(tǒng)中所有整流器、逆變器均配置CPB2通訊卡，通過Profibus-DP通訊電纜連接到SIMATIC S7的Profibus-DP通訊卡(CP443-5EXT)上，傳動調(diào)試工程師站或者PCS7站通過SIMATIC 416-2 DP 處理器進行訪問。

DP網(wǎng)絡站號說明：0：S7-400主機架，配置CPU和通訊卡件；DP mastersystem(4)的8/9/15/17:機組控制需要的ET200M遠程IO站；DP master system(4)的11～14/18～21:為電動機旋轉(zhuǎn)軸配置的絕對值編碼器，把數(shù)據(jù)采集到PLC中用于控制，另外每個電動機還配有增量型編碼器直接接入傳動裝置作為閉環(huán)控制反饋；DP master system(5)的20/21:整流單元；DP master system(5)的8～19：夾送輥和主剪傳動；DP master system(5)的22：剪房移動傳動。

圖2 雙邊剪傳動及自動化硬件配置示意圖

4)矢量控制(VC)原理及其同直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)比較

矢量控制基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)加以分別控制，并同時控制兩個分量的幅值和相位。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。6SE70具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應功能，這樣在電動機正常運轉(zhuǎn)之前根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)整算法中得有關(guān)參數(shù)，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制。對比直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)控制方法，DTC在控制模型上不需要旋轉(zhuǎn)坐標變換，在靜止坐標系上控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈，轉(zhuǎn)矩響應快，但DTC控制變頻器的穩(wěn)態(tài)指標要比VC差。

1.3 主要電動機參數(shù)

主剪電動機采用國內(nèi)某電動機廠生產(chǎn)電動機，額定功率475 kW，額定電壓AC690，額定轉(zhuǎn)速990 r/min，基頻50 Hz，最大轉(zhuǎn)矩為2.5倍額定轉(zhuǎn)矩，工作制S1，防護等級IP54，絕緣等級F級，冷卻方式IC414(帶冷卻風機，強迫風冷)最低使用頻率2.5 Hz，允許2.25倍20 s過載。接線盒位于電動機上部，出口方向2左2右。電動機配編碼器。電動機繞組帶3個Pt100傳感器。

夾送輥電動機采用西門子產(chǎn)品，型號：1LG63136AA61-Z 訂貨代碼：H78 參數(shù)：(6) 400 VD/690 VY，50 Hz；Pe=90 kW；ne=990 r/min；Tn=868 N·m；Ie=160 A/92.75 A；制動轉(zhuǎn)矩2.9 N·m；起動轉(zhuǎn)矩2.7；效率95.3%；功率因數(shù)0.85；IP55；IC411。 接線盒位于電動機側(cè)面，4左4右。電動機帶編碼器-1024 軸套型16 mm，1024脈沖，推挽輸出。

2 使用DriveMonitor軟件對傳動系統(tǒng)進行調(diào)試

在DriveMonitor中輸入電機的基本參數(shù)，使用動態(tài)辨識或者靜態(tài)辨識，對6SE70變頻裝置的參數(shù)進行優(yōu)化，并通過Trace(跟蹤)功能對電動機運行時狀態(tài)進行監(jiān)控，根據(jù)實際需求對參數(shù)進行微調(diào)滿足生產(chǎn)的需要。我們對夾送輥傳動裝置進行微調(diào)后，得到圖3所示曲線，從圖中看出，速度曲線規(guī)則平滑，反應到實際生產(chǎn)效果上也得到印證。電流和轉(zhuǎn)矩為實現(xiàn)速度控制，曲線有著劇烈的波動，這種極端情況下，6SE70變頻裝置運行平穩(wěn)，證明了其可靠性。

圖3 夾送輥運行狀態(tài)記錄曲線

對于雙邊剪夾送輥同步性這一關(guān)鍵性問題，普遍設計采用總線通訊來實現(xiàn)[4～7]，如濟鋼雙邊剪電氣同步采用6RA70直溜裝置間的RS485串行接口進行主從通訊的方式[8]，但是在每分鐘剪切28次，每次剪切1 300毫米長度時，偶會出現(xiàn)鋼板跑偏現(xiàn)象。寶鋼厚板部劉飛等人從傳動控制方面進行了研究，提出一種優(yōu)化措施[9]，寶鋼工程的吳多智對該問題進行了研究，提出了一種初步的機械調(diào)整解決方案[10]。

3 本傳動系統(tǒng)同國內(nèi)同類設備的對比

通過分析研究國內(nèi)滾切式雙邊剪的裝備水平，傳動裝置部分相當一部分采用直流傳動[11]，直流電動機存在需要定期更換電刷的特點，增加了維護量。近年建造的雙邊剪開始采用交流傳動,有條件的還配備了PDA(數(shù)據(jù)采集分析)系統(tǒng)[12]

傳動及自動化控制部分，濟鋼中厚板廠有西門子方案采用兩套S7-400(分別為工藝PLC和傳動PLC)的控制方式[13]，也有羅克韋爾Logix5000系統(tǒng)的控制方式[14]；對于夾送輥速度主令控制，有的采用了FM458專用處理器模塊[15]。

就傳動和控制系統(tǒng)來說，選取并比較國內(nèi)幾臺知名雙邊剪，具體如表2所示。

通過分析可知，本傳動系統(tǒng)采用良好維護性的交流變頻傳動，在擁有媲美直流傳動功能效果的同時減少了維護量，同時通過采用690 VAC的電壓等級，在低壓交流傳動系統(tǒng)中屬于頂級配置，實際使用中體現(xiàn)了優(yōu)良的機械電氣性能，加之八一鋼鐵滾切式雙邊剪采用高效的PLC程序和精簡的硬件，不但保證了自動化控制水平，還維持了較高的可維護性和效費比。使得八一鋼鐵雙邊剪的整體電氣控制水平屬于國內(nèi)頂級水平，為后續(xù)的滾切式雙邊剪工程項目提供了一個極好的樣板。

表2 同國內(nèi)主要滾切式雙邊剪傳動水平對比

4 結(jié)束語

6SE70變頻裝置的矢量控制方法理論成熟，控制效果顯著，且因其高可靠性的設計，實際應用中故障率極低，達到了變頻裝置的性能高峰。作為繼任的S120系列變頻裝置，主要在通訊和軟件接口上做了更新，同時在架構(gòu)上作了優(yōu)化，比如設置獨立的控制單元等，降低了生產(chǎn)成本。但是S120變頻裝置未能在控制理論和控制效果上超越6SE70，但憑借西門子公司的大力推廣政策，目前在新項目中已逐漸取代6SE70變頻裝置。

在本項目中我們在電動機的選擇上作了大膽嘗試，四臺主剪電動機采用了國內(nèi)某電機廠產(chǎn)品，使用中從未出現(xiàn)故障，功能達到要求。對于8臺夾送輥電動機在設計時考慮到較高的響應控制要求，為穩(wěn)妥起見采用了捷克生產(chǎn)的西門子電動機，計劃未來還是要在夾送輥電動機選型方面和國內(nèi)廠家協(xié)作，用國內(nèi)產(chǎn)品替代進口品來降低成本和備件獲得難度。

出于投資限制，本系統(tǒng)采用了共計6組的200 kW的制動單元加制動電阻，未使用能量回饋單元，這種設計對剪機本身功能影響不大，但顯然不符合環(huán)保節(jié)能要求，剪機工作時啟動停止極其頻繁，制動能量有相當一部分白白消耗掉，這也顯示了當時的設計局限性，以后將對這方面進行建模分析，對節(jié)省的電能做出量化估計，為可能的技術(shù)改造提供理論支持。另外傳動設計時未對在考慮變頻裝置距離電動機連接電纜長度在100米左右的情況下，為提高電動機響應速度，未設置出線電抗器和出線濾波器，在調(diào)試和試生產(chǎn)時發(fā)生了兩次電動機(不同的夾送輥電動機)被擊穿燒毀的狀況，雖然在烏魯木齊當?shù)鼐S修廠進行了維修復原，但這對調(diào)試生產(chǎn)卻造成了一定的影響。為了解決這個問題，在不更換電動機和變頻裝置情況下，在逆變器和電動機之間增加了出線電抗器，到目前未出現(xiàn)該類擊穿事故。這也顯示出在電動機絕緣成本和響應速度匹配上要做取舍或統(tǒng)籌考慮。作為進一步研究，未來應對變頻裝置輸出波形對電動機絕緣沖擊程度進行定量研究，確定電動機的絕緣水平，從而合理確定設備成本和性能之間的平衡。

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Design & Development of AC Frequency Conversion Transmission System for Roll-cut & Doubled-edge Trimming Shears

Feng Zhanguo

(Baosteel Engineering & Technology Group Co., Ltd., Shanghai 201999, China)

By introducing the composition of the transmission system for roll-cut double-edge trimming shear in Bayi Iron & Steel Company of Baosteel Group this paper sets forth the hardware configuration, parameter setting and communication features achieved in SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE70 frequency control device. It gives an introduction on the structure of multi-motor drive system, vector control principle and configuration and commissioning method for the drives by use of DriveMonitor software. Practice has proved that the multi-motor drive system is an ideal drive control system featuring powerful functions, high control accuracy, fast response speed, good performance, and easy maintenance & commissioning.

6SE70；multi-motor drive；vector control；DriveMonitor；SIMOLINK

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.003

TM921.51

A

1000-3886(2016)06-0008-03

馮展國(1979-)，男，山東五蓮人，畢業(yè)于北京科技大學，碩士，高級工程師，主要從事工廠電氣、電氣傳動和自動化技術(shù)的應用、研究工作。