西門子S120變頻器在轉(zhuǎn)爐氧槍中的應(yīng)用

牛旭紅

長治市長鋼工程建設(shè)有限公司 山西 長治 046031

引言

氧槍是轉(zhuǎn)爐氧氣頂吹煉鋼工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，在鋼水吹煉過程中，氧槍要隨工藝要求提升或下降，過程中要求速度可調(diào)、定位準(zhǔn)確、傳動(dòng)可靠，變頻調(diào)速是其驅(qū)動(dòng)的理想方式，負(fù)荷屬于重物提升、下放性質(zhì)，對(duì)變頻器性能要求較高，且要求調(diào)試質(zhì)量要能滿足生產(chǎn)工藝需求，西門子S120系列變頻器是一款高性能矢量控制變頻器，且有STARTER調(diào)試軟件與之配套，使得調(diào)試直觀、高效，是理想之選。

1 控制要求分析

控制系統(tǒng)為西門子S7-300PLC，通過Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線來控制氧槍變頻器的啟停、提升、下降及輸出不同的頻率來調(diào)速。負(fù)載為重物提升、下降特性，傳動(dòng)系統(tǒng)必須輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，不能有溜槍現(xiàn)象。有機(jī)械抱閘配合保證準(zhǔn)確定位，且開閘時(shí)電機(jī)應(yīng)建立磁場(chǎng)，輸出一定的轉(zhuǎn)矩保證不溜槍，關(guān)閘時(shí)既要保證定位準(zhǔn)確還要盡可能減小機(jī)械沖擊。具有緊急提槍控制功能，當(dāng)突然停電時(shí)，系統(tǒng)由UPS供電，通過緊急操作，變頻器能夠快速將氧槍提起，避免事故發(fā)生。

2 控制實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件選型

S120變頻器的硬件組成：

CU控制單元：CU310-2DP，6SL3040-1LA00-0AA0；

功率單元：PM340 6SL3210-1SE31-5AA0；

SMC30編碼器模塊：6SL3055-0AA0-5CA2；編碼器為HTL單極，600脈沖/轉(zhuǎn)，24VDC供電。

模塊型功率模塊已集成制動(dòng)模塊，可直接連接制動(dòng)電阻進(jìn)行能耗制動(dòng)，選配合適的制動(dòng)電阻。

2.2 變頻器與PLC通信

S7-300PLC通過PROFIBUS周期性通信方式將控制字和主設(shè)定值發(fā)給變頻器，將變頻器狀態(tài)、速度實(shí)際值、電流輸出值、轉(zhuǎn)矩輸出值讀至PLC做上位機(jī)顯示及控制用，選擇標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文2即可滿足控制要求。

2.3 抱閘控制

正常工作時(shí)，抱閘控制由PLC控制，當(dāng)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁結(jié)束后，電流大于30A，力矩大于24%時(shí)打開抱閘。緊急提槍時(shí)，抱閘輸出端子為X121：7端子，DI/DO8，該輸出鏈接R20031.0（P738），啟用了自由功能塊，當(dāng)勵(lì)磁結(jié)束（vector-2：r56.4），和X121：1端子（cu-s：r722.0）DI0置1時(shí)打開抱閘。

2.4 緊急提槍控制

當(dāng)需要緊急提槍時(shí)，X121：1端子（cu-s：r722.0）DI0置1，驅(qū)動(dòng)單元的參數(shù)P810鏈接cu-s：r722.0，當(dāng)置1時(shí)，選擇CDS1，即正常工作時(shí)用CDS0，緊急情況下用CDS1。P2900=60%的速度給定。

2.5 進(jìn)線接觸器控制

外部進(jìn)線接觸器控制：由X121：8端子，DI/DO9，P739鏈接vector-2：r899.1運(yùn)行就緒時(shí)輸出，進(jìn)線接觸合閘。

3 調(diào)試實(shí)踐

3.1 Starter調(diào)試軟件與S120變頻器在線連接

CU310-2 DP集成有X127以太網(wǎng)網(wǎng)口，可以通過TCP/IP的方式與PG/PC進(jìn)行通信，設(shè)置 PG/PC為TCP/IP，點(diǎn)擊STARTER工具欄中的來搜索在線節(jié)點(diǎn)，在搜索到的在線節(jié)點(diǎn)上點(diǎn)擊右鍵，點(diǎn)擊“Edit Ethernet Node”為該驅(qū)動(dòng)重新分配一個(gè)與PG/PC 同網(wǎng)段IP地址，點(diǎn)擊“Accept”即可在線連接驅(qū)動(dòng)。

3.2 建立項(xiàng)目及硬件組態(tài)按上述第2步已建立了PG/PC與S120的在線連接，自動(dòng)讀取驅(qū)動(dòng)裝置。在正確插入驅(qū)動(dòng)裝置后，應(yīng)該在線項(xiàng)目：①選中Drive_unit_01，點(diǎn)擊在線，在線后裝置前端的符號(hào)變成綠顏色。②同樣選中Drive_unit_01，點(diǎn)擊恢復(fù)工廠設(shè)定。③雙擊 “ Automatic Configuration” ，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出自動(dòng)組態(tài)界面。④點(diǎn)擊“Start automatic configuration”進(jìn)行自動(dòng)組態(tài)。

對(duì)于不集成DRIVE-CLIQ 接口的電機(jī)，電機(jī)數(shù)據(jù)與編碼器數(shù)據(jù)都為空，因此必須手動(dòng)設(shè)定，離線進(jìn)行配置。離線配置完成后，編譯保存。在線后發(fā)現(xiàn)Drive_unit_01 前面的符號(hào)半紅半綠，表示離線項(xiàng)目與在線實(shí)際項(xiàng)目不符，需要將離線項(xiàng)目下裝到裝置中。具體步驟[1]：①在線；②驅(qū)動(dòng)狀態(tài)；③下裝；④同時(shí)拷貝到ROM 區(qū)。如下圖：

圖1 項(xiàng)目下載步驟圖

通過以上操作完成了對(duì)驅(qū)動(dòng)的基本配置，可以通過驅(qū)動(dòng)中的控制面板轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，以保證電機(jī)與編碼器實(shí)際轉(zhuǎn)向與設(shè)計(jì)相一致。

3.3 電機(jī)優(yōu)化

3.3.1 上電前檢查。上電前一定要仔細(xì)檢查設(shè)備接線是否正確，各電壓等級(jí)供電回路是否存在短路，電壓幅值是否正常；測(cè)試電機(jī)相間和相對(duì)地的絕緣，以及電纜對(duì)地絕緣。完成上電前檢查后，在線連接已經(jīng)配置好的項(xiàng)目，若無故障和報(bào)警則可進(jìn)行模擬運(yùn)行測(cè)試。打開CU310-2DP中Input/output 接口界面，在隔離的數(shù)字量輸入中使用 Simulation仿真功能。將Digital input 0作為逆變裝置的啟動(dòng)命令源，連接到驅(qū)動(dòng)裝置的P0840參數(shù)，手動(dòng)起動(dòng)逆變裝置。通過固定給定值通道P2900調(diào)節(jié)速度給定，測(cè)試變頻器輸出電壓。

3.3.2 電機(jī)辨識(shí)。p1910=1 ，電機(jī)辨識(shí)的條件：電機(jī)冷態(tài)，脫開機(jī)械負(fù)載。電機(jī)辨識(shí)是指電機(jī)在相對(duì)靜止的情況下，用p1910=1進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量[2]。主要是完成對(duì)異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路的測(cè)量. IGBT的通態(tài)壓降. IGBT的死區(qū)時(shí)間。電機(jī)辨識(shí)修改以下參數(shù)：p0350：定子電阻；p0354：轉(zhuǎn)子電阻；p0356：定子漏感；p0358：轉(zhuǎn)子漏感；p0360：主電感；p1825：IGBT的通態(tài)電壓；p1828…p1830：IGBT的死區(qū)時(shí)間。設(shè)置p1910=1，CU報(bào)警A07991提示已激活電機(jī)辨識(shí)；然后啟動(dòng)變頻器，自動(dòng)執(zhí)行電機(jī)辨識(shí)，電機(jī)辨識(shí)過程完成后，p1910 自動(dòng)恢復(fù)為0。r0047可顯示測(cè)量電流狀態(tài)。

3.3.3 旋轉(zhuǎn)測(cè)量。旋轉(zhuǎn)測(cè)量P1960=2（1=無編碼器/2=帶編碼器），旋轉(zhuǎn)測(cè)量的條件：電機(jī)冷態(tài)，抱閘打開，脫開機(jī)械負(fù)載。對(duì)于帶編碼器應(yīng)用，先通過VF方式啟動(dòng)電機(jī)，查看編碼器反饋速度R61與設(shè)定速度的方向、大小是否一致。旋轉(zhuǎn)測(cè)量主要用于對(duì)異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流. 磁化曲線以及電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量。執(zhí)行旋轉(zhuǎn)測(cè)量時(shí)電機(jī)空載轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)可以測(cè)得更加準(zhǔn)確的額定勵(lì)磁電流和磁化曲線數(shù)據(jù)。

3.3.4 旋轉(zhuǎn)控制器優(yōu)化。P1960=4（3=無編碼器/4=帶編碼器），控制器優(yōu)化的條件：電機(jī)冷態(tài)，抱閘沒有閉合。連接機(jī)械負(fù)載（需確保電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中機(jī)械系統(tǒng)無危險(xiǎn)）[3]。對(duì)于帶編碼器應(yīng)用，先通過VF方式啟動(dòng)電機(jī)，查看編碼器反饋速度R61與設(shè)定速度的方向、大小是否一致。電機(jī)連接可以自由旋轉(zhuǎn)的有效負(fù)載后，需要用 p1960=3（不帶編碼器）或 p1960=4（帶編碼器）來激活速度控制器優(yōu)化，該過程可以測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并優(yōu)化速度控制器。

執(zhí)行完優(yōu)化后，需要執(zhí)行Copy RAM to Rom對(duì)參數(shù)進(jìn)行永久保存，并執(zhí)行一次上載。確保CF卡，RAM和離線項(xiàng)目數(shù)據(jù)保持一致。

3.4 變頻器與PLC通信。在STEPT7中組態(tài)從站S120設(shè)置DP地址與Starter中的地址相同，在S7-300/400硬件配置時(shí)根據(jù)需要配置報(bào)文結(jié)構(gòu)，配置結(jié)束后進(jìn)行編譯保存，之后打開Starter，核對(duì)報(bào)文結(jié)構(gòu)是否一致，報(bào)文結(jié)構(gòu)與STEP7K中一致時(shí)顯示“√”，S7-300/400PLC通過PROFIBUS周期性通信方式將控制字和主設(shè)定值發(fā)給變頻器。

3.5 抱閘控制。正常工作時(shí)，抱閘控制由PLC控制，當(dāng)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁結(jié)束后，電流大于30A，力矩大于24%時(shí)打開抱閘[4]。緊急提槍時(shí)，抱閘輸出端子為X121：7端子，DI/DO8，該輸出鏈接R20031.0（P738），啟用了自由功能塊，當(dāng)勵(lì)磁結(jié)束（vector-2：r56.4），和X121：1端子（cu-s：r722.0）DI0置1時(shí)打開抱閘?？刂七壿嬋缦聢D：

圖2 抱閘控制邏輯圖

3.6 緊急提槍控制。當(dāng)需要緊急提槍時(shí)，X121：1端子（cu-s：r722.0）DI0置1，驅(qū)動(dòng)單元的參數(shù)P810鏈接cu-s：r722.0，當(dāng)置1時(shí)，選擇CDS1，即正常工作時(shí)用CDS0，緊急情況下用

CDS1。P2900=60%的速度給定。如下圖：

圖3 緊急提槍控制邏輯圖

4 結(jié)束語

通過正確選型、線路連接、參數(shù)設(shè)置及調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了S120變頻器對(duì)轉(zhuǎn)爐氧槍的驅(qū)動(dòng)，達(dá)到了定位準(zhǔn)確、控制可靠的目的。