森蘭變頻器在1250mm不銹鋼帶連退酸洗線的應(yīng)用

／希望森蘭科技股份有限公司 任光法 杜俊明 羅力／

森蘭變頻器在1250mm不銹鋼帶連退酸洗線的應(yīng)用

／希望森蘭科技股份有限公司 任光法 杜俊明 羅力／

在不銹鋼帶連退酸洗過(guò)程中，對(duì)速度和張力的控制，決定了產(chǎn)品的品質(zhì)；而用戶對(duì)高品質(zhì)、高效率的需求，使系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行成為必然要求。因此具有高性能、高可靠性的核心部件——變頻器，將成為高品質(zhì)不銹鋼產(chǎn)品的重要保證。森蘭變頻以其20余年的技術(shù)積淀，在此領(lǐng)域取得突破，成功應(yīng)用于1250mm不銹鋼生產(chǎn)線，開創(chuàng)了國(guó)產(chǎn)變頻器在工程型復(fù)雜控制系統(tǒng)應(yīng)用的先例，在冶金連續(xù)生產(chǎn)中對(duì)于國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)口具有示范意義。

酸洗；變頻器；矢量控制；轉(zhuǎn)矩控制；主從控制

1 酸洗工藝過(guò)程簡(jiǎn)介

熱軋不銹鋼帶表面覆蓋著一層黑灰色氧化鐵皮，厚度在7.5～15μm，甚至到20μm。為保證成品鋼帶的表面質(zhì)量，減少后續(xù)冷軋等深加工時(shí)磨損和能耗，要去除氧化層，而利用酸與鐵的氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的基本原理，清除表面的油污、銹斑、氧化層、游離鐵等污垢，并進(jìn)行鈍化。處理后的表面變成均勻銀白色，耐腐蝕能力提高15～50倍，此過(guò)程即為不銹鋼帶的酸洗鈍化處理。

不銹鋼帶的連續(xù)酸洗是指在開卷、換卷或收卷、卸卷時(shí)，帶鋼連續(xù)地通過(guò)盛有酸溶液的酸洗槽而不停車；具有產(chǎn)能高、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)；也有投資高，占地面積大的缺點(diǎn)，可為帶鋼冷軋機(jī)提供優(yōu)良的酸洗帶卷產(chǎn)品。連續(xù)酸洗機(jī)組一般分為入口段、工藝段和出口段，各段可單獨(dú)運(yùn)行，也可協(xié)調(diào)運(yùn)行；在確保機(jī)組安全、高效、穩(wěn)定操作運(yùn)行的同時(shí)，能夠充分滿足用戶對(duì)帶鋼連續(xù)酸洗生產(chǎn)較高的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等指標(biāo)要求。

客戶現(xiàn)場(chǎng)即為1250mm不銹鋼帶連退酸洗生產(chǎn)線，工藝流程如圖1所示。由開卷機(jī)到入口活套為入口段，從入口活套到出口活套為工藝段，后續(xù)至收卷機(jī)為出口段。整個(gè)生產(chǎn)工藝流程共有50多臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)，關(guān)鍵工位為開卷機(jī)、牽引矯平機(jī)、張力輥（1#～9#張力輥均為雙電機(jī)構(gòu)成的S輥）、入口活套、出口活套、收卷機(jī)工作在閉環(huán)矢量控制。根據(jù)工藝要求工作在速度控制或者轉(zhuǎn)矩控制模式，其他如上料車、下料車、夾送輥、支撐輥、風(fēng)機(jī)、破鱗機(jī)、拋丸機(jī)等要求不高可選擇VF控制或開環(huán)矢量控制。

圖1 連續(xù)酸洗工藝示意圖

三個(gè)段的速度分別由1#、4#、9#張力輥中的一臺(tái)（主機(jī)）確定，另一臺(tái)或幾臺(tái)（從機(jī)）做轉(zhuǎn)矩跟隨，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均衡分配。整個(gè)系統(tǒng)具有穿帶功能、雙開卷機(jī)切換、靜態(tài)建張、三段協(xié)調(diào)控制等功能，各段通過(guò)速度或轉(zhuǎn)矩控制維持靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的平衡。工藝段的速度對(duì)不銹鋼帶的酸洗品質(zhì)起決定作用，過(guò)快，酸洗深度不夠，可能成品中仍有斑跡存在；過(guò)慢，易發(fā)生過(guò)腐蝕和氫脆現(xiàn)象。而出入口活套依靠活套中的儲(chǔ)料在換卷過(guò)程中起到緩沖作用，保持工藝段速度不變或者微降。

2 組網(wǎng)構(gòu)成及數(shù)據(jù)交互

如圖2所示，整個(gè)連退酸洗控制系統(tǒng)采用Wincc通用監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制技術(shù)和Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合的控制方案，由PLC實(shí)現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)采集功能，由Wincc組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)查詢等功能，完成對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷，提高了生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)高精度、實(shí)時(shí)性好的參數(shù)測(cè)量及控制。中控室根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定酸洗工藝段運(yùn)行速度，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整入口段和出口段速度，協(xié)調(diào)運(yùn)行。

圖2 控制系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

考慮實(shí)際應(yīng)用情況，選擇PLC與變頻器Profibus-DP通訊的數(shù)據(jù)類型為PPO4，即除控制字、速度給定及其應(yīng)答外，讀寫4個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)，其意義見下表。

表 PLC與變頻器間的過(guò)程數(shù)據(jù)

控制字中包含起?？刂?、脈沖封鎖、緊急停車、故障復(fù)位、轉(zhuǎn)矩/速度控制切換等功能；狀態(tài)字中包含上電就緒、運(yùn)行就緒、故障、報(bào)警、當(dāng)前控制方式等反饋信息。過(guò)程字中的“位置1、2”來(lái)源于電機(jī)端的編碼器正交計(jì)數(shù)，用于收、放卷的卷徑計(jì)算，方便實(shí)現(xiàn)高精度的恒張力控制。由通訊給出的“速度給定”和“轉(zhuǎn)矩給定”哪個(gè)有效，取決于系統(tǒng)的需求，當(dāng)為速度控制時(shí)，“速度給定”有效，而“轉(zhuǎn)矩給定”則可以選擇作為速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅；相反，當(dāng)前為轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，“轉(zhuǎn)矩給定”有效，而“速度給定”可以作為速度限幅，防止生產(chǎn)線出現(xiàn)飛車。

3 變頻器的關(guān)鍵功能

SB70系列變頻器我是公司于2006年推出的通用型矢量控制產(chǎn)品，其控制性能、可靠性、接口靈活性等在此次應(yīng)用中得以充分展現(xiàn)。

3.1 變頻器的特點(diǎn)

SB70系列變頻器采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的高精度解耦控制，使電機(jī)具有0.02%的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度，5%的轉(zhuǎn)矩精度，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間在10ms左右，可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。

變頻器所內(nèi)置的高速脈沖輸出PFO和高速脈沖輸入PFI端子及功能，可以完美的適用于系統(tǒng)的主從負(fù)荷分配，具有數(shù)據(jù)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)快（毫秒級(jí)）、無(wú)延遲等特點(diǎn)。

全系列變頻器具有豐富的選配件，如現(xiàn)場(chǎng)選用的是24V電壓等級(jí)的編碼器接口板，兼容多種輸出類型的編碼器，具有帶載能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；高可靠性的DP通訊轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)置森蘭控制功能，便于用戶參數(shù)配置組態(tài)。

3.2 速度與轉(zhuǎn)矩控制的選擇

如前所述，變頻器接收來(lái)自PLC的控制指令和給定值，根據(jù)參數(shù)設(shè)定和控制指令中的“轉(zhuǎn)矩/速度切換”確定當(dāng)前控制模式，如圖3所示。如拋丸機(jī)僅取速度指令，收卷機(jī)則速度和轉(zhuǎn)矩都要用，空卷定位、鋼帶咬合后首圈、滿卷切斷后等均為速度控制。正常收卷時(shí)為轉(zhuǎn)矩控制，轉(zhuǎn)矩給定值來(lái)自鋼帶張力與當(dāng)前卷徑的乘積（傳動(dòng)比及轉(zhuǎn)矩標(biāo)定此處未考慮）；活套除穿帶外，一直工作在轉(zhuǎn)矩控制模式；作為開卷機(jī)，先正向送卷，使鋼帶延伸至牽引矯直機(jī)。焊接后，轉(zhuǎn)為反向速度控制，并加以轉(zhuǎn)矩限幅，在正常運(yùn)行時(shí)，因速度給定和當(dāng)前速度反向，速度調(diào)節(jié)器工作在飽和的轉(zhuǎn)矩限幅狀態(tài)，使開卷處的張力值保持恒定，限幅轉(zhuǎn)矩的計(jì)算與收卷處原理相同；應(yīng)用最多的張力輥，被選作主機(jī)的工作在速度控制模式，其他工作在轉(zhuǎn)矩控制模式，只是轉(zhuǎn)矩的來(lái)源略有區(qū)別。

圖3 轉(zhuǎn)矩/速度切換圖

3.3 主從控制及負(fù)荷分配

對(duì)于入口段、工藝段和出口段中速度控制的3個(gè)主機(jī)全程采用速度控制，而其從機(jī)選擇轉(zhuǎn)矩控制。主機(jī)的PFO端子輸出本機(jī)的“轉(zhuǎn)矩給定”，從機(jī)的PFI端子接收數(shù)據(jù)，作為從機(jī)的“轉(zhuǎn)矩給定”，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配，PFO與PFI采用雙絞線連接，如圖4所示。5#S輥與4#S輥實(shí)際距離很近，仍認(rèn)為是剛性連接，因此5#S輥也作為4#的從機(jī)。

圖4 主從控制負(fù)荷分配圖

因PFO和PFI只能傳輸無(wú)符號(hào)數(shù)據(jù)，利用變頻器自身特有的“算術(shù)單元”進(jìn)行加減運(yùn)算，靈活實(shí)現(xiàn)了主、從機(jī)有符號(hào)數(shù)與無(wú)符號(hào)數(shù)的相互轉(zhuǎn)換。應(yīng)用中，綜合考慮控制精度和要傳遞數(shù)據(jù)的最大最小值，確定是否需要增加一級(jí)“算術(shù)單元”對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放；此項(xiàng)目中，電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于80%的額定轉(zhuǎn)矩，變頻器用于模擬輸入輸出的轉(zhuǎn)矩量是以2.5倍的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩標(biāo)定，因此80%的負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)對(duì)應(yīng)的變頻器的轉(zhuǎn)矩模擬量為32%。

4 現(xiàn)場(chǎng)情況

4.1 編碼器的抗干擾處理

由于連退酸洗生產(chǎn)線設(shè)備眾多，在現(xiàn)場(chǎng)布線時(shí)，很難將功率部分與信號(hào)部分分開，尤其是速度反饋的編碼器信號(hào)線常常與電機(jī)電纜一起，且距離有的超過(guò)100m，不可避免地受到干擾。

現(xiàn)場(chǎng)也出現(xiàn)了開卷機(jī)反饋異常的現(xiàn)象。在靜態(tài)建張時(shí)，轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，不定時(shí)出現(xiàn)掉張現(xiàn)象，再反向繃緊重新建張；運(yùn)行過(guò)程中，也有掉張出現(xiàn)，造成鋼帶抖動(dòng)。造成這種現(xiàn)象的原因是電機(jī)電纜中的高頻共模對(duì)編碼器造成了干擾，會(huì)形成高頻的無(wú)序脈沖，在變頻器識(shí)別時(shí)會(huì)有速度跳變，致使磁場(chǎng)定向不準(zhǔn)，轉(zhuǎn)矩失控?，F(xiàn)場(chǎng)的處理措施，重新處理電機(jī)和變頻器的功率電纜屏蔽兩端接地，編碼器反饋電纜進(jìn)行可靠的單端接地，并增加加強(qiáng)隔離整形的接口轉(zhuǎn)換板；整改后，速度反饋跳變和系統(tǒng)掉張現(xiàn)象消失，達(dá)到令客戶滿意的控制效果。調(diào)試階段現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

4.2 共直流母線設(shè)計(jì)

在項(xiàng)目溝通的前期，有采用統(tǒng)一整流直流供電的方案，且變頻器本身具有共直流母線接口。鑒于合作方系統(tǒng)集成商的考慮，仍然采用傳統(tǒng)的交流配電加制動(dòng)單元的方案。

圖5 調(diào)試階段現(xiàn)場(chǎng)圖片

從實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，后一種方案雖然實(shí)施簡(jiǎn)便，但能耗極大，造成不必要的浪費(fèi)，且輸入諧波高，對(duì)電網(wǎng)污染大。

后續(xù)的設(shè)計(jì)，可以考慮有源前端整流，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，且滿足能量雙向流動(dòng)；或者采用多脈波不控整流配小功率的能量回饋或者制動(dòng)單元即可；這樣既降低的能耗，又降低了諧波污染。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)緊張而有序的調(diào)試，1250mm不銹鋼帶連退酸洗線項(xiàng)目順利投運(yùn)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，整體運(yùn)行平穩(wěn)，得到了業(yè)主的高度贊賞。

此項(xiàng)目為公司積累寶貴的工程型復(fù)雜應(yīng)用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，開創(chuàng)了國(guó)產(chǎn)變頻器在板材連續(xù)生產(chǎn)線應(yīng)用的先例，因其特有的經(jīng)濟(jì)性、自主性、可擴(kuò)展性，在冶金連續(xù)生產(chǎn)中對(duì)于國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)口具有借鑒示范意義。

[1] 希望森蘭科技股份有限公司.SB70系列高性能矢量控制變頻器用戶手冊(cè)[M].

[2] 馬小亮，魏學(xué)森.有機(jī)械聯(lián)系的多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷均衡控制和扭振抑制[J].電氣傳動(dòng)，2007，37（3）：3-6.

[3] 杜濤.宣鋼二棒電氣接地優(yōu)化實(shí)踐[J].電氣傳動(dòng)，2014，44（5）：72-74.