直流調(diào)速技術(shù)在鋼廠中的應(yīng)用

崔耀輝

(中國三安建設(shè)有限公司，陜西 西安 710043)

1 生產(chǎn)工藝概況

生產(chǎn)流程:鋼坯自加熱爐加熱達(dá)到生產(chǎn)溫度后，由鋼坯輸送輥道運(yùn)送至粗軋區(qū)開始線材的軋制，經(jīng)過粗軋、中軋、預(yù)精軋、精軋機(jī)等一系列軋制過程后，通過吐絲機(jī)進(jìn)入風(fēng)冷線，最后在線圈成型區(qū)打捆成卷、稱重出廠。

當(dāng)生產(chǎn)線上出現(xiàn)事故時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)生事故的區(qū)域制動相關(guān)的軋機(jī)，并啟動1#，2#，3#飛剪碎斷軋件，以避免事故繼續(xù)擴(kuò)大。

由于連軋工藝對軋機(jī)主傳動有嚴(yán)格的要求，以確保合格產(chǎn)品的產(chǎn)出率，因此為了動態(tài)的滿足“各機(jī)架間金屬(軋件)秒流量相等”這一基本原則，要及時(shí)快速的不斷調(diào)節(jié)相關(guān)軋機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整軋輥轉(zhuǎn)速，并消除各種外來因素帶來的干擾。這就要求軋機(jī)電機(jī)主傳動的調(diào)速范圍大;調(diào)速精度高、靜態(tài)速降小;動態(tài)速降小、恢復(fù)時(shí)間短。而且軋機(jī)在咬鋼時(shí)會導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速的瞬時(shí)下降，這就要依靠傳動系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)作用使轉(zhuǎn)速及時(shí)恢復(fù)，否則相鄰機(jī)架間金屬秒流速會失去平衡，容易引起事故。

2 直流電氣傳動系統(tǒng)的構(gòu)成

本條高速線材生產(chǎn)線共有26臺軋機(jī)，其中粗軋、中軋、預(yù)精軋等機(jī)架均采用由直流電動機(jī)拖動，共16臺，另有飛剪、碎斷剪、吐絲機(jī)前夾送輥及吐絲機(jī)等6臺設(shè)備也采用了直流電動機(jī)拖動。直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)均采用ABB DCS800系列傳動(以下簡稱 DCS800)，例如粗中軋機(jī)組采用的 DCS800－A01系列單橋式直流傳動，吐絲機(jī)等采用的DCS800－A02系列雙橋式直流傳動。DCS800直流傳動系統(tǒng)由整流變壓器供電，直流電動機(jī)的電樞回路，采用三相全控橋式電路，勵磁回路為獨(dú)立的兩相半控橋電路。

主傳動電機(jī)的負(fù)載能力均設(shè)計(jì)為115%連續(xù)運(yùn)行，在基速以下運(yùn)行時(shí)，175%過載10 s;在最高速運(yùn)行時(shí)，150%過載10 s，周期為 60 s。

2.1 電氣主回路

2.1.1 整流變壓器

晶閘管變流裝置要求的交流供電電壓與電網(wǎng)電壓不一致，同時(shí)為了盡量減少電網(wǎng)與晶閘管整流裝置的相互干擾，因此需要配備整流變壓器，本條高速線材生產(chǎn)線為直流調(diào)速系統(tǒng)共配備了10臺油浸式整流變壓器。

2.1.2 直流調(diào)速裝置

全線直流電機(jī)均由單獨(dú)的全數(shù)字晶閘管整流裝置(ABB公司的DCS800系列整流裝置)供電，其主要由進(jìn)線開關(guān)、進(jìn)線電抗器、整流單元、勵磁單元等組成。調(diào)速方式為速度、電流、轉(zhuǎn)矩3閉環(huán)控制。每臺傳動配備一個單獨(dú)的操作面板CDP312，安裝在傳動柜門上，便于就地操作。來文來自博研論壇 http://bbs.myboyan.com

1)進(jìn)線電抗器:用于電樞(DCS800)和磁場(DCF800)的供電回路。

當(dāng)晶閘管整流模塊運(yùn)行時(shí)，晶閘管換流期間，進(jìn)線電壓會產(chǎn)生瞬時(shí)短路。這種現(xiàn)象會造成主電路的電壓缺口，因此對于連接到主電網(wǎng)上的整流器，需要配置進(jìn)線電抗器。

在沙鋼高線直流傳動系統(tǒng)中，都是一臺整流變壓器為2臺直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)供電的。

2)整流單元(電樞回路):

在DCS800系列產(chǎn)品中，整流單元變流器模塊根據(jù)負(fù)載額定電流的大小，其產(chǎn)品分為以下幾種:

D1－D4型20－1000A，D5型 900－2000A，D6型 1900－3000A，D7型 2050－5200A

在沙鋼高速線材生產(chǎn)線中，粗中軋、吐絲機(jī)、SH1及 SH2飛剪電動機(jī)變流器選擇的是 D5型結(jié)構(gòu)，H15/16預(yù)精軋電動機(jī)變流器模塊選擇的是D6型結(jié)構(gòu)，吐絲機(jī)前夾送輥、SH3及CSH4飛剪電動機(jī)變流器模塊選擇的是D1～4型結(jié)構(gòu)。

3)勵磁單元

沙鋼高速線材生產(chǎn)線直流調(diào)速系統(tǒng)的勵磁單元為DCF503B－0050/DCF504B－0050兩相半控橋勵磁變流器。

這兩種勵磁變流器都是基于相同的控制板SDCSFEX4。該板配置有自同步和電流控制功能。電流測量電路基于額定電機(jī)勵磁電流自動換算。勵磁變流器由電樞變流器的串行通訊來監(jiān)控。

控制單元

控制單元包括以下幾個主要部分:

微處理器 H8用于電流同步控制和故障處理。

t兩個實(shí)際勵磁電流測量通道。

基于標(biāo)準(zhǔn)CAN的通訊協(xié)議的H8控制器。

t半控橋的觸發(fā)驅(qū)動回路

軟件存儲在 flash PROM存儲器中。該軟件包括:

用于勵磁回路電流控制的PI調(diào)節(jié)器故障復(fù)位邏輯

同步和 PLL(鎖相環(huán))功能

電流測量通道的設(shè)置

電樞變流器通過DCS鏈的串行通訊設(shè)置和更新所有控制參數(shù)。通過DCS鏈的串行通訊，周期發(fā)送實(shí)際勵磁電流給定，電流控制和狀態(tài)位。同時(shí)勵磁單元配置了負(fù)載分配電阻用于自動換算額定電機(jī)勵磁電流。

功率部分

功率部分是帶反并聯(lián)續(xù)流二極管的兩相半控橋。

外部勵磁單元 DCF803/DCF804是兩相半控橋。進(jìn)線熔斷器、進(jìn)線電抗器以及變壓器必須安裝在模塊的外部。

在D5電樞變流器內(nèi)，已經(jīng)安裝好內(nèi)部勵磁單元FEX425。該勵磁單元包含進(jìn)線熔斷器與電樞橋的兩相連接。這種內(nèi)部供電連接能被斷開，然后連接到一個獨(dú)立的交流勵磁供電電源上。

吸收回路是為了和電樞橋并聯(lián)運(yùn)行并共享電樞進(jìn)線電抗器而設(shè)計(jì)的。

由于勵磁單元由兩相相電源供電，所以必須使用端子U和W。對于兩相供電，推薦使用能適應(yīng)電壓變化的自耦變壓器。

2.1.3 直流調(diào)速裝置的啟動、停止和急停控制

在DCS800直流調(diào)速裝置中，啟動、停止和急停繼電器邏輯可分為三部分:

1)ON/OFF和START/STOP命令的產(chǎn)生

K20和K21(自鎖繼電器)所代表的命令能由PLC產(chǎn)生，并能通過繼電器，使用電氣隔離或直接通過24V信號，傳輸?shù)阶兞髌鞯目刂贫巫由?。也可不及硬連接信號而通過串口通訊傳輸，在一個混合方案里甚至可以通過選擇多種可能性，利用一個或多個信號來實(shí)現(xiàn)。

2)控制和監(jiān)控命令的產(chǎn)生

控制電樞回路的主接觸器 K1，是由位于 SDCS－PIN－4板或SDCS－POW－4上的干節(jié)點(diǎn)(DO8)控制的。

3)OFF2，OFF3停止功能

除了 ON/OFF和 START/STOP(啟動/停止)命令外，根據(jù)Profibus標(biāo)準(zhǔn)，傳動還需要配置兩個附加的停止功能OFF2和OFF3。OFF3是一個可升級的停止功能(積分停止，最大轉(zhuǎn)矩停車，動態(tài)制動等)來完成停止。該功能應(yīng)該是連接到一個沒有任何延時(shí)的急停(E－STOP)按鈕上的。一旦選擇積分停車，K15定時(shí)繼電器時(shí)間設(shè)置必須長于急停積分時(shí)間(EStopRamp)。對于自由停車，變流器將立即斷開主接觸器。

同時(shí)OFF2開關(guān)則盡可能快速切斷直流電源，并準(zhǔn)備打開主接觸器或?qū)⒅麟娫磁c變流器斷開。對于通常的直流電機(jī)負(fù)載，切斷直流電流的時(shí)間將小雨20 ms。該功能應(yīng)該與所有信號和斷開主接觸器的安全功能相連接。且在變流器再生回饋工作期間，不應(yīng)該斷開主接觸器。此時(shí)正確的動作順序?yàn)?、斷開回饋電流;2、斷開主接觸器。

當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，一旦按下急停按鈕，信號將立即通過數(shù)字輸入DI5傳輸給變流器。一旦選擇積分停車或最大轉(zhuǎn)矩停車，則變流器將降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，然后分?jǐn)嘀鹘佑|器。

如果變流器再K15定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，沒有完成該功能，則變流器必須通過K16發(fā)出命令切斷電流。在K16定時(shí)器的設(shè)定釋放后，主接觸器將斷開。

3 直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試的主控項(xiàng)目

3.1 金屬秒流量控制

在多機(jī)架連軋機(jī)的控制過程中，各機(jī)架的速度分配至關(guān)重要。如果速度分配不準(zhǔn)確，不但影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)還會造成堆鋼這樣的生產(chǎn)事故，輕者產(chǎn)品報(bào)廢，重者損毀設(shè)備甚至危及員工的生命，造成重大損失。為了避免堆鋼等事故的發(fā)生，必須合理分配各機(jī)架速度。通過金屬秒流量控制算法，在各機(jī)架孔型確定之后，根據(jù)所用軋輥直徑計(jì)算工作直徑，并根據(jù)金屬秒流量控制計(jì)算公式。

計(jì)算各機(jī)架的軋輥速度，再考慮減速比折算到電機(jī)控制器控制轉(zhuǎn)速，并根據(jù)工藝生產(chǎn)規(guī)格建立數(shù)據(jù)庫，上傳至監(jiān)控系統(tǒng)中。這樣就可以根據(jù)規(guī)格變化及時(shí)下發(fā)至PLC系統(tǒng)，這樣即可解決控制精度的問題了。

3.2 動態(tài)速降和負(fù)載分配控制

根據(jù)金屬秒流量理論，PLC根據(jù)事先設(shè)置好的工藝參數(shù)，將控制目標(biāo)下發(fā)到各機(jī)架電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，由其對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，理論上就能達(dá)到控制的要求。但是，直流系統(tǒng)的控制精度和信號擾動都影響著控制的質(zhì)量。特別是當(dāng)鋼坯進(jìn)入軋輥的瞬間，電動機(jī)由空載狀態(tài)直接進(jìn)入負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，會產(chǎn)生一定的動態(tài)速降，若不對其加以補(bǔ)償，則會造成堆鋼等故障。為了保證控制的質(zhì)量，通過DCS800系統(tǒng)內(nèi)置的編程功能，可以實(shí)現(xiàn)在檢測到負(fù)載突增的情況時(shí)，由DCS800系統(tǒng)給電機(jī)疊加短時(shí)速度補(bǔ)償，從而保證動態(tài)速降不會給系統(tǒng)帶來影響。同時(shí)由于輥型、設(shè)備磨損、鋼坯形狀等因素的影響，往往理論計(jì)算中得到的電機(jī)速度分配系數(shù)并不準(zhǔn)確。這就需要通過實(shí)時(shí)在線檢測連續(xù)軋制過程中各電動機(jī)的負(fù)載電流，對各機(jī)架電動機(jī)的速度級聯(lián)關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，從而提高系統(tǒng)的控制精度。而且調(diào)整后的級聯(lián)系數(shù)可由上位機(jī)系統(tǒng)采集并更新數(shù)據(jù)庫中的原有數(shù)據(jù)，并反推出相關(guān)級聯(lián)關(guān)系，這就保證了新規(guī)格數(shù)據(jù)執(zhí)行時(shí)的精確性。而且通過反饋數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)的比較，差異較大的機(jī)架會發(fā)出報(bào)警，這就為設(shè)備的保養(yǎng)和維護(hù)提供了有效的預(yù)警信息。

4 結(jié)語

自中國三安公司承接沙鋼集團(tuán)大盤卷項(xiàng)目以來，在經(jīng)歷大盤卷改造項(xiàng)目、沙鋼沙景棒線改造項(xiàng)目、年產(chǎn)60萬 t高線項(xiàng)目后，事實(shí)證明 ABB公司的 DCS800直流調(diào)速系統(tǒng)，依靠其保護(hù)功能完備、故障診斷功能全面、較易快速排除故障等特點(diǎn)，得到了沙鋼業(yè)主方的認(rèn)可與贊揚(yáng)。在做好設(shè)備的定期維護(hù)的同時(shí)，做好現(xiàn)場檢測元件、信號元件、電機(jī)等設(shè)備的按時(shí)點(diǎn)巡檢、保養(yǎng)及維護(hù)，憑借 ABB系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，必將保證生產(chǎn)順利進(jìn)行，為沙鋼帶來更大的利益。

[1]宋會民.高速線材生產(chǎn)線電控自動化技術(shù)構(gòu)成及軋機(jī)主傳動交直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試.西安:西安建筑科技大學(xué).2007.

[2]何小書.高速線材軋機(jī)控制系統(tǒng)控制要點(diǎn)分析.北京:北京二十一世紀(jì)科技發(fā)展有限公司.

[3]李貴菊，劉少鋒，劉華，等.ABB控制系統(tǒng)在高速線材生產(chǎn)線的應(yīng)用.電氣傳動期刊.2007，(37)，1.

[4]ABB，3ABD00018962 DCS800硬件手冊.

[5]袁志學(xué)，楊林浩.高速線材生產(chǎn).北京:冶金工業(yè)出版社.2005.

[6]顧興源，等.秒流量控制的探討.中國控制與決策學(xué)術(shù)年會論文集.1994.

[7]喬德庸，等.高速軋機(jī)線材生產(chǎn).北京:冶金工業(yè)出版社.1995.

[8]中國三安建設(shè)有限公司.直流調(diào)速技術(shù)在鋼廠中的應(yīng)用報(bào)告.