自適應(yīng)動(dòng)態(tài)力矩-速度跟隨切換卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)

鄧 輝，楊永立，周文玲，王 威

DENG Hui1, YANG Yong-li1, ZHOU Wen-ling2, WANG Wei1

(1.武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081；2.中冶南方武鋼設(shè)計(jì)院，武漢 430081)

0 引言

目前國內(nèi)高爐主卷揚(yáng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)經(jīng)數(shù)字化改造后多采用直流調(diào)速系統(tǒng)，其系統(tǒng)調(diào)速雖運(yùn)行可靠但仍存在維護(hù)工作量大的缺點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中直流調(diào)速系統(tǒng)常采用靜態(tài)力矩-速度切換控制方式，就是在松閘前將電機(jī)的額定輸出力矩的30%作為松閘力矩，由于料車要裝礦石和焦炭兩種原料，每次啟動(dòng)時(shí)料車的重量都不一樣，使得控制系統(tǒng)在輕載時(shí)會(huì)對(duì)鋼繩造成沖擊，在重載時(shí)會(huì)造成料車失控下落。為解決上述實(shí)際生產(chǎn)中系統(tǒng)維護(hù)工作量大，料車運(yùn)行不平穩(wěn)，失控下落等問題，現(xiàn)引入一種交流自適應(yīng)動(dòng)態(tài)力矩-速度跟隨切換控制系統(tǒng)。下面通過卷揚(yáng)系統(tǒng)的運(yùn)行過程，對(duì)常用的調(diào)速系統(tǒng)和優(yōu)化以后的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1 卷揚(yáng)系統(tǒng)運(yùn)行過程簡介

如圖1描述高爐雙料車上料：一料車在料坑裝料，另一料車在爐頂卸料，電控系統(tǒng)封鎖，抱閘落閘。當(dāng)料車到達(dá)料坑時(shí)，發(fā)出裝礦或裝焦指令，礦石或焦炭的漏斗閥門打開裝料，稱重漏斗發(fā)出料空信號(hào)后，延時(shí)關(guān)閉閥門，料車等待上位機(jī)命令。

圖1 高爐上料主卷揚(yáng)示意圖

上位機(jī)PLC發(fā)出右車上行命令，系統(tǒng)開放，為防止右車下落，電機(jī)需建立初始力矩后才能打開抱閘，松閘后料車按圖2所示速度曲線運(yùn)行，圖中n為卷揚(yáng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，t為運(yùn)行時(shí)間。

圖2 料車運(yùn)行速度曲線

2 卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)的分析與優(yōu)化

由于裝滿物料的料車屬于大慣性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，所以在停車及電控系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)必須使用抱閘裝置。料車運(yùn)行前先建立松閘力矩，然后打開抱閘，使料車平穩(wěn)上升，下面對(duì)常用的靜態(tài)力矩-速度切換控制系統(tǒng)及優(yōu)化改進(jìn)后動(dòng)態(tài)力矩-速度跟隨切換系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2.1 靜態(tài)力矩-速度切換卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)

料車裝好物料后，上位機(jī)給系統(tǒng)PLC發(fā)開車命令，抱閘未打開，靜態(tài)力矩-速度切換控制系統(tǒng)先在力矩單環(huán)下運(yùn)行（速度環(huán)不起作用）：系統(tǒng)一般將額定輸出力矩的30%作為力矩調(diào)節(jié)器ATR的給定，系統(tǒng)內(nèi)部檢測(cè)到輸出力矩到達(dá)給定力矩值時(shí)發(fā)松閘命令；松開抱閘后可保證料車不會(huì)下墜，但由于轉(zhuǎn)矩單環(huán)系統(tǒng)對(duì)速度的控制性能不夠理想，因而在料車上升階段將系統(tǒng)切換到力矩-速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)精確控制電機(jī)速度；在切換回雙閉環(huán)以后，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR是PI調(diào)節(jié)器，其輸出是從零開始上升的，而力矩調(diào)節(jié)器ATR輸入給定是ASR輸出經(jīng)乘法器給定的，故ATR輸入也是從零開始增加的，上升之前ATR單環(huán)已經(jīng)建立起靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T0（額定輸出力矩的30%），即ATR反饋值是T0，因而ATR輸入偏差值為負(fù)值，這樣造成ATR退飽和，力矩調(diào)節(jié)器輸出先下降再上升。ATR輸出下降時(shí)，必然導(dǎo)致輸出力矩小于負(fù)載力矩，造成輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，同時(shí)速度也會(huì)波動(dòng)，其運(yùn)行曲線如圖3所示。

圖3 靜態(tài)力矩-速度切換調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行曲線

n(T)表示將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩表示在同一個(gè)坐標(biāo)系中，TL表示負(fù)載力矩，T0表示松閘力矩，t1表示松閘命令時(shí)刻，t2為T0=TL時(shí)刻，曲線n表示電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，曲線T表示電機(jī)輸出力矩曲線。

2.2 卷揚(yáng)優(yōu)化調(diào)速系統(tǒng)——自適應(yīng)動(dòng)態(tài)力矩跟隨切換系統(tǒng)

由靜態(tài)力矩-速度切換卷揚(yáng)系統(tǒng)的分析可知，想要保證系統(tǒng)的可靠性，保證力矩和速度的過渡過程平穩(wěn)關(guān)鍵在于力矩的平穩(wěn)控制。動(dòng)態(tài)力矩-速度跟隨切換系統(tǒng)能自動(dòng)根據(jù)負(fù)載力矩的大小改變松閘力矩初值的大小，即松閘前松閘力矩設(shè)定值跟隨負(fù)載力矩，并且在切換的過程中會(huì)給定速度調(diào)節(jié)器的輸出一個(gè)初值，使得在松閘的過程中力矩和速度平穩(wěn)上升，不會(huì)對(duì)鋼繩造成沖擊，其控制思想如下∶

動(dòng)態(tài)力矩-速度跟隨切換系統(tǒng)在松閘前和靜態(tài)力矩-速度切換系統(tǒng)一樣先在力矩單閉環(huán)下運(yùn)行，力矩給定值T0即為負(fù)載力矩值，系統(tǒng)內(nèi)部檢測(cè)到輸出力矩到達(dá)給定力矩值時(shí)發(fā)松閘命令，抱閘打開，切換到轉(zhuǎn)速力矩雙閉環(huán)下運(yùn)行，為了避免力矩調(diào)節(jié)器ATR退飽和造成轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，在切換的過程中，給速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出一個(gè)初值T0（即力矩調(diào)節(jié)器ATR輸入），大小為力矩給定值，使得力矩調(diào)節(jié)器ATR的輸出從力矩給定值繼續(xù)增加，從而實(shí)現(xiàn)輸出力矩的平穩(wěn)增加，速度的平滑上升。其運(yùn)行曲線如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)動(dòng)態(tài)力矩-速度跟隨切換系統(tǒng)運(yùn)行曲線

n(T)表示將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩表示在同一個(gè)坐標(biāo)系中，TL為負(fù)載力矩，t1為松閘時(shí)刻，曲線n表示電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，曲線T表示電機(jī)輸出力矩曲線。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR是PI調(diào)節(jié)器，切換的過程中給定ASR的輸出一個(gè)初值T0，切換后ASR輸出便從T0開始增加（沒有初值便從零開始增加），力矩調(diào)節(jié)器ATR的輸入也是從T0開始增加，再與力矩反饋值比較，輸入偏差為正，不會(huì)造成力矩調(diào)節(jié)器退飽和，使得ATR的輸出也是從負(fù)載力矩值開始增加的，這樣就避免了輸出力矩的波動(dòng)，使得料車的速度平滑上升無震蕩。

2.3 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的理想給定T0

對(duì)于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)力矩-速度跟隨切換系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，一是切換時(shí)刻，二是理想力矩初值T0的給定；料車的提升可以看成是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，但每一次料車負(fù)載實(shí)際上是變化的，料車要按照工藝要求裝礦石或焦炭，而且每次所裝料的重量也不同，因此負(fù)載力矩每一次是變化的，初始力矩T0的給定對(duì)于料車在切換過程中的平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。針對(duì)上述問題，本文提出一種自適應(yīng)力矩檢測(cè)的方法，由上料工藝可以知道，小車的物料是由稱重漏斗閥門打開加入的，每一次加入物料的重量可以由稱重漏斗得到。小車在導(dǎo)軌上的受力分析圖如圖5所示。

圖5 料車受力分析圖

在圖5中，小車運(yùn)行前由稱重漏斗測(cè)量出物料的重量m1，小車的重量為m2，圖中，導(dǎo)軌和地面的夾角為θ，要使小車在導(dǎo)軌上靜止，則拉小車鋼繩的張力為F，由T=F×D，D為提升轉(zhuǎn)矩半徑，計(jì)算出負(fù)載力矩，TL=(m1+m2)g×sinθ×D得出所需的松閘力矩T0(T0稍大于TL)，作為松閘力矩給定以及力矩環(huán)向速度環(huán)切換時(shí)速度調(diào)節(jié)器的輸出值，從而保證每一次小車運(yùn)行時(shí)都能得到理想的轉(zhuǎn)矩給定，使系統(tǒng)在切換的過程中力矩平穩(wěn)增加。

3 自適應(yīng)動(dòng)態(tài)力矩-速度跟隨切換系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

本文采用西門子PLC S7-300和ABB ACS800系列交流變頻調(diào)速裝置來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)力矩-速度跟隨切換控制系統(tǒng)。該卷揚(yáng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)為：卷揚(yáng)機(jī)經(jīng)減速機(jī)由兩臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)，電機(jī)功率500kw，電壓660V，減速機(jī)速比為18.6，卷筒直徑2米。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用ABB ACS800系列變頻器，額定功率900kw，額定電壓660V～690V，兩臺(tái)電機(jī)同軸由三臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)，正常工作時(shí)兩用一備，為保證兩電機(jī)出力均衡，兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用主從控制方式：其中一臺(tái)變頻器為主機(jī)，控制系統(tǒng)包含速度環(huán)和力矩環(huán)；另一臺(tái)變頻器為從機(jī)，使用力矩跟隨模式，其力矩給定跟隨主機(jī)輸出力矩，這樣可保證兩臺(tái)電機(jī)輸出力矩相同。為保證可靠工作，系統(tǒng)選用第三套變頻器作為備用變頻器，備用變頻器既可以做主機(jī)，也可以做從機(jī)，通過倒換開關(guān)進(jìn)行選擇，倒換開關(guān)切換后，有輔助接點(diǎn)進(jìn)入SIEMENS S7-300 PLC，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)操作的連鎖。

系統(tǒng)啟動(dòng)設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示，系統(tǒng)PLC接受上位機(jī)的運(yùn)行方向信號(hào)、急停信號(hào)和速度選擇信號(hào)，控制系統(tǒng)的開閘合閘，控制交流變頻器的啟停，給定變頻器的主給定，發(fā)送力矩-速度切換指令。

上述系統(tǒng)內(nèi)部控制算法采用全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，我們利用ACS800控制器本身具有的編程能力來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)過程，保證實(shí)際運(yùn)行曲線符合工藝要求，其控制框圖如圖7所示。

其控制過程為：每次料車運(yùn)行前，通過稱重漏斗計(jì)算出負(fù)載力矩，即初始力矩給定T0，給到參數(shù)24.10（速度積分器初始值），上位機(jī)PLC發(fā)出開車命令，系統(tǒng)PLC收到開車命令后向主變頻器發(fā)送方向信號(hào)，主變頻器通過參數(shù)26.01=3選擇力矩控制模式，力矩調(diào)節(jié)器輸入給定為2.08，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部檢測(cè)到輸出力矩T到達(dá)T0時(shí)，向系統(tǒng)PLC發(fā)松閘命令，系統(tǒng)PLC收到松閘命令打開抱閘并收到松閘應(yīng)答信號(hào)時(shí)，向主變頻器發(fā)松閘應(yīng)答信號(hào)，主變頻器收到松閘應(yīng)答信號(hào)，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到零速設(shè)定點(diǎn)n0時(shí)系統(tǒng)PLC發(fā)切換命令，通過26.01=2選擇力矩調(diào)節(jié)器輸入給定為2.09，主變頻器切換到速度力矩雙閉環(huán)下運(yùn)行，同時(shí)投入工藝所需速度給定，從變頻器工作在力矩跟隨模式下，跟隨主變頻器力矩，保證輸出力矩相同，從而實(shí)現(xiàn)了智能自適應(yīng)動(dòng)態(tài)力矩跟隨切換，使得力矩平穩(wěn)增加，速度平滑上升無震蕩。

圖6 系統(tǒng)控制流程圖

圖7 系統(tǒng)軟件框圖

4 結(jié)論

采用西門子PLC S7-300和ABB ACS800系列變頻器實(shí)現(xiàn)的交流自適應(yīng)動(dòng)態(tài)力矩-速度跟隨切換系統(tǒng)，很好的解決了常規(guī)系統(tǒng)中維護(hù)工作量大、運(yùn)行不平穩(wěn)、料車失控下落等問題，保證了力矩的平穩(wěn)增加，速度的平滑上升。在玉溪新興鋼廠1080m3高爐主卷揚(yáng)系統(tǒng)中投入使用后，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，性能優(yōu)異，故障率低，很好的滿足了高爐系統(tǒng)的工藝要求，取得良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

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