转炉变频传动系统应用分析

温海山

【摘 要】唐钢长材部转炉倾动传动系统采用西门子交流变频器，由一套西门子S7-400PLC作为主站负责外部信号的采集及与变频器的通信。本文主要介绍了电控系统的基本组成，系统的配置方案，阐述了为实现现场工艺所做的传动系统的力矩平衡控制，并着重介绍了SIMOLINK在该系统中的应用。

【关键词】主从控制 西门子Sinamics S120变频器 力矩平衡 SIMOLINK

2014年8月唐钢长材部转炉经过安全改造后正式投入生产运行。其转炉倾动装置采用四点全悬挂扭力杆平衡型式。系统主要组成：四台驱动电机和一次、二次减速机，扭力杆平衡装置等，在每个电动机轴上安装1个编码器，在倾动机构耳轴上安装1个编码器，用于电机速度和炉体角度的检测。共4台一次减速机，各由一台变频电机驱动。变频电机为湘电莱特电气有限公司制造，电机的主要参数为：额定功率：55kW；电枢电压：380V；额定转速：580r/min。

1 工艺要求

转炉倾动系统由4台电机驱动，每台电机与减速机采用齿轮刚性连接。按工艺要求，转炉炉体可以作360°倾动。正常情况下4台电机同时运转，其中1台作为主电机，另外3台电机作为从电机驱动转炉旋转。同时将一台电机作为备用主电机，当主电机出现故障时，选备用主电机为主，其余2台电机从电机，继续临时性生产，当有2台电机出现故障时，系统禁止运行。

2 系统配置

根据近几年转炉倾动控制系统的设计和应用情况，我们采用4拖4主从控制方式，即4台电动机采用4台变频器1对1控制，四台变频器之间通过控制单元CU320组成一个SIMOLINK网进行主从通信。设置四台变频器编号为1#-4#，并将1#变频器设为主变频器，2#设为备用主变频器，其余两台为从变频器。正常工作时选择1#变频器为主，其余三台为从，当1#出现故障时，可切换到2#变频器为主，将1#变频器切除，3#、4#变频器为从，此时允许三台电动机继续临时性工作。当有2台电机出现故障时，只能将炉体摇至垂直位，不可再次摇炉。转炉倾动共分正反向各三档速度，由主令控制器控制挡位信号，速度控制由西门子S120交流变频器实现。PLC与变频器之间采用PROFIBUS-DP网通讯，进行数据交换。主站采用速度闭环控制方式，由PLC将给定速度发送至主变频器，从变频器采用转矩控制方式，接收来自主变频器的转矩给定值，达到四台电机输出力矩的平衡，使倾动系统稳定运行。

3 具体控制设计方案

3.1 倾动系统的转矩平衡控制

我们在设计方案中采用控制单元和功率单元一对一的控制方式，每台变频器的控制单元配置一块SIMOLINK通讯板，在四个控制单元（CU320）之间组成SIMOLINK网。硬件配置完成后，对四台变频器分配站地址及其它参数，此时SIMOLINK网络就组建完毕，可以正常使用了。在参数配置中将主站变频器的参数P751.2值设为K165，即主站发出的第二个控制字为转矩限幅输出值，而从站变频器参数P486值设为K7002，即从站给定值来自于主站的第二个控制字。这样就可以实现从站与主站的转矩平衡控制。

3.2 主从的选择

整个倾动系统由四套完全独立并且相同调速系统组成，采用一主三从的控制方式。按照工艺要求需要有一台备用主变频器，当主变频器或电机出现故障时，可以选择备用主变频器为主，其他两台变频器为从；当一台从变频器或电机出现故障时，只需将其切除，就可以继续摇炉。即在正常运行时，1#变频器为主站。在主站出现故障而跳闸时，2#变频器选为主站，其它两个从站跟随新的主站。具体设置：1#变频器控制单元设为主站，在2#控制单元内我们设有主从两组不同参数，其余2台变频器设为从站。通过主从控制选择数字量输入来进行切换，当主从选择数字量输入为1时，控制单元切换到主参数进行控制，PLC程序内通过逻辑功能判断，将速度信号传送给2#变频器。当主从选择数字量输入为0时，控制单元切换到从参数进行控制。在正常工作时，我们设定1#变频器作为主站，将1#变频器中主从选择参数P587设置为0，即其始终作为主站。在2#变频器中，将主从选择参数P587设为19，即选择CUVC板的数字量输入5的信号进行主从选择。数字量输入5信号来自于PLC控制的一个外部继电器。当选择其为主站时，PLC控制继电器吸合，CUVC板上的数字量输入5的信号为高电平，该站被设为主站；当选择其为从站时，PLC控制继电器释放，CUVC板上的数字量输入5的信号为低电平，此时该站被设为从站。在四台变频器或电机都正常工作情况下，1#变频器为主站，其它三台变频器为从站跟随其运行。当1#变频器或电机出现故障时，将2#变频器选为主站，并将1#变频器切除，3#、4#变频器为从站，继续跟随2#变频器运行。当3#或4#变频器出现故障时，在HMI画面上将其切除即可正常运行。

3.3 制动控制

根据转炉工艺的特殊要求，倾动控制系统响应速度要快，因此对抱闸的控制成为关键，否则就会出现溜车或者无法启动现象。在冶炼的不同阶段要求转炉要停在任何位置，也就是说要在任何位置都能启动。由于转炉自身重力作用及炉体重心偏下，如果抱闸控制不好，就会出现铁水泼洒等严重事故。因此在抱闸控制设计时，我们充分考虑转炉的运行特性，采用主变频器直接控制抱闸制动，利用变频器本身附有的抱闸控制的功能。在主变频器接收到启动命令后建立电机电磁转矩，当达到30%转矩时（此值应根据实际转炉运行情况经多次调试后确定），变频器输出抱闸打开信号。打开抱闸的电磁转矩阀值由参数P611设定。为了降低对机械设备的冲击，变频器停止运行关闭抱闸时，其关闭信号也不是立即发出，而是通过电机转速控制，当电机转速降到额定转速的8%时（此值也需要反复运行调试后确定），主变频器才发出关闭抱闸的信号。

4 结语

综上所述，在唐钢新改造转炉的项目中，西门子Sinamics S120系列变频器驱动转炉倾动系统非常稳定，系统响应速度快，达到了预期的控制目的，满足工艺使用要求。

参考文献：

[1] 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统[M].机械工业出版社，2005.

[2] 吴秋生.交流传动的应用与展望[J].自动化博览，2004（2）：12-15.

[3] 吕汀，石红梅.变频技术原理与应用[M].机械工业出版社，2014.