工业自动化专业职称论文酒钢翼钢轧钢冷床移钢小车控制系统变频改
发布时间：2014-07-17 15:31:58更新时间：2014-07-17 15:33:17
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在棒材轧线生产中，冷床设备运行的稳定性及高效性直接影响着整条生产线的运行效率及成材质量，而酒钢集团山西翼城钢铁公司轧钢分厂冷床移钢小车原电控系统采用四台交流智能无触点控制四台电机，同步性差，故障高，为提高该设备的稳定性，特对移钢小车电控系统进行变频改造。本文简述了冷床移钢小车电控系统变频改造。
摘要：本文简要介绍了酒钢翼钢轧钢分厂冷床移钢小车电控系统变频改造。介绍了变频改造系统中电机的选型、变频器的选型、控制功能及调试分析
关键词：工业自动化专业职称论文,变频器,冷床,西门子
1 控制工艺
翼钢轧钢分厂步进式冷床主要分为三部分：冷床下料系统、冷床本体和冷床上料系统。棒材自连轧机轧制后，由倍尺剪剪切信号或热金属检测器检测到未钢信号后，经过一定的延时时间后触发裙板拨料块动作，将输入辊道上的棒材翻至冷床上完成冷床下料流程。棒材落至冷床上后，冷床动齿条开始动作，将棒材由第一齿条移至第二齿条，由此不停步进经过冷床对齐辊道进行对齐，最后将棒材运至移钢链上。移钢链上的棒材收集到规定支数后将棒材快速运至移钢小车上，移钢小车经过上升、前进、下降的动作流程将棒材运至输出辊道上，移钢小车再后退，棒材由输出辊道运至下一工艺环节。
2 自动控制系统改造方案
改造后的自动控制系统采用西门子S7—400PLC控制，上位机监控系统采用西门子WINCC。冷床移钢小车采用西门子6SE70控制。上位机与PLC之间采用工业以太网通讯，变频器与PLC之间用Profibus—DP通讯，Profibus网络及Wincc如图1、图2所示：
图1
图2
3 变频调速系统的设计
3.1 电机的选型
由于本调速系统的设计是采用交流变频传动方式更新现有的直流传动方式，直流电机全部更新为交流电机。原直流电机容量为11kW，在轧钢一线设计当中已考虑电机余量，因此此次设计电机额定功率任为11KW交流电动机，以满足负荷转矩的要求。我们采用佳木斯电机厂YGP160L2-4型号的三相交流异步电机，其额定功率为11kw，额定电流为20A。
3.2 变频器的选型
冷床移钢链最重承载螺纹钢重量达30吨，属于大惯量系统，而且冷床移钢链的频繁启制动。因此要求电机以最大允许加速度加速和减速。对于这种大转动惯量冲击型负载，在起动和制动的过程中，瞬间转矩可能达到额定转矩的两倍以上，在这种情况下充分发挥电动机转矩的过载能力是非常有必要的。而交频器的电流过载能力通常比电动机的转矩过载能力低，因此，按照常规配备变频器容量时转矩过载能力不能充分发挥作用。因此对于对减速时间有要求的大惯量系统，在选择`变频器容量时，需要以电机转矩过载能力为依据进行选择。计算公式如下：
式中Ievf是变频器额定电流;Ied是电动机额定电流;λd是电动机转矩过载倍数，λvf是变频器电流短时过载倍数，K3是电流/转矩系数。
由于在本次设计中，系统的驱动类型采用的是群拖方式，即一台变频器拖动4台电机，所以需要对变频器的额定电流的计算公式稍加改变，具体形式如下
YGP160L2-4交流电动机的转矩过载倍数为2.5;变频器电流λvf过载倍数为150%时，最大瞬间过载倍数为200%，短时过载倍数可按照1.6～1.7选取，在本设计中变频器电流短时过载倍数λvf选取为1.7;由于磁通衰减和转子功率因数降低，最大转矩时的电流过载倍数要大于转矩过载倍数，因此电流/转矩系数应该是大于1的，可以选择为1.1～1.15，本次设计选取电流/转矩系数K3为1.1。YGP160L2-4型交流电动机的额定电流Ied=20A。将以上各值代入式(4，2)可得Ievf≥485A
在变频器厂家的选择上，我们对美国的AB公司、日本的安川，德国的西门子及瑞士的ABB公司等进行了比较。由于翼钢轧钢分厂其他交流变频传动系统采用的均为西门子变频器，考虑到整个冷床移钢链系统的兼容性，我们选择西门子6SE70系列变频器
3.3 控制方式的选择
现在从调速范围、调速精度、转矩控制、极低速运行适用性等几个方面对各种变频控制方式进行对比。通用变频器异步电机u/f控制、异步电机无传感器矢量变频控制、异步电机带传感器矢量变频控制，三种变频调速方式的性能比较如下表所示。
冷床移钢链电机调速系统的特点如下：
1)在运行过程中要求4台电机转速要大体保持一致，而且能够同步启动和停止。
2)负载对象为螺纹钢，最重达30吨，要求有较大的启动力矩。
3)冷床移钢链操作间隔时间短，对起动和制动时间有要求，需要有良好的起、制动性能。
综合考虑了冷床移钢链电机传动系统的以上特点，在对U/f控制方式和矢量变频控制方式的各种性能进行综合考虑和比较后，在系统设计中我们选择采用U/f变频控制方式，具体原因如下：
(1)为了使多台电机同步运行，系统采取了群拖方式。但矢量控制方式不适用于群拖方式。
(2)采用了转矩补偿的U/f变频控制方式，低速下转矩输出能力得到了很大的提高，稳态速度精度可达到0.5%，足以满足冷床移钢链电机调速系统的要求。
3.4 变频器的调试
变频器上电后经过一定时间的自检程序PMU面板显示009时,将电机与减速箱之间联轴器脱开,使电机在空转下用操作面板驱动交流电机看是否在0 ~50Hz范围内平滑升降速然后做参数复位到工厂设置
P053=6允许参数读取
P060=2选择固定设置菜单
P366=0标准设置
P970=0参数复位
选择简单应用的参数设置用参数模块进行参数设置调用其内部功能图模块Setpoint Source MOP and terminal strip(P368=3) 其步骤如下
P060=3菜单选择简单应用的参数选择
P071=380输入装置进线电压单位V
P095 = 10输入类型异步IEC(国际标准)
P100=1v/f开环控制若为3则为不带测速机的矢量控制
P101=380输入电机额定电压单位V
P102=80A输入电机额定电流单位A
P104=0.87输入电机功率因数
P107 = 50输入电机额定频率单位Hz
P108=568输入电机额定转速单位r/min
P109=4输入电机极对数
P383=0选择有无过热保护
P368=3选择设定和命令源端子排上的MOP 和数字量输入
P370=1起动简单应用的参数设置根据选定的参数模块组合变化参数
P060=0返回用户菜单该步骤做完后经过约十几秒钟变频器自动生成功能图M O Pand terminal strip (P368=3)中所示的参数
4 结束语
SIEMENS 6SE70变频器以其调速的平稳、快速及功能的自由性、多样性在越来越多的自动控制领域得到了广泛的应用。在本自动控制系统中，6SE70保证了自动控制的实现。本系统自投运以来，运行稳定可靠，完全满足了现场生产的需要。
参考文献:
【1】陈伯时电力拖动自动控制系统北京：机械工业出版社1991
【2】韩安荣通用变频器及其应用北京：机械工业出版社2002
【3】西门予6SE70矢量控制使用大全德国：西门子公司2005
摘要：本文简要介绍了酒钢翼钢轧钢分厂冷床移钢小车电控系统变频改造。介绍了变频改造系统中电机的选型、变频器的选型、控制功能及调试分析
关键词：工业自动化专业职称论文,变频器,冷床,西门子
1 控制工艺
翼钢轧钢分厂步进式冷床主要分为三部分：冷床下料系统、冷床本体和冷床上料系统。棒材自连轧机轧制后，由倍尺剪剪切信号或热金属检测器检测到未钢信号后，经过一定的延时时间后触发裙板拨料块动作，将输入辊道上的棒材翻至冷床上完成冷床下料流程。棒材落至冷床上后，冷床动齿条开始动作，将棒材由第一齿条移至第二齿条，由此不停步进经过冷床对齐辊道进行对齐，最后将棒材运至移钢链上。移钢链上的棒材收集到规定支数后将棒材快速运至移钢小车上，移钢小车经过上升、前进、下降的动作流程将棒材运至输出辊道上，移钢小车再后退，棒材由输出辊道运至下一工艺环节。
2 自动控制系统改造方案
改造后的自动控制系统采用西门子S7—400PLC控制，上位机监控系统采用西门子WINCC。冷床移钢小车采用西门子6SE70控制。上位机与PLC之间采用工业以太网通讯，变频器与PLC之间用Profibus—DP通讯，Profibus网络及Wincc如图1、图2所示：
图1
图2
3 变频调速系统的设计
3.1 电机的选型
由于本调速系统的设计是采用交流变频传动方式更新现有的直流传动方式，直流电机全部更新为交流电机。原直流电机容量为11kW，在轧钢一线设计当中已考虑电机余量，因此此次设计电机额定功率任为11KW交流电动机，以满足负荷转矩的要求。我们采用佳木斯电机厂YGP160L2-4型号的三相交流异步电机，其额定功率为11kw，额定电流为20A。
3.2 变频器的选型
冷床移钢链最重承载螺纹钢重量达30吨，属于大惯量系统，而且冷床移钢链的频繁启制动。因此要求电机以最大允许加速度加速和减速。对于这种大转动惯量冲击型负载，在起动和制动的过程中，瞬间转矩可能达到额定转矩的两倍以上，在这种情况下充分发挥电动机转矩的过载能力是非常有必要的。而交频器的电流过载能力通常比电动机的转矩过载能力低，因此，按照常规配备变频器容量时转矩过载能力不能充分发挥作用。因此对于对减速时间有要求的大惯量系统，在选择`变频器容量时，需要以电机转矩过载能力为依据进行选择。计算公式如下：
式中Ievf是变频器额定电流;Ied是电动机额定电流;λd是电动机转矩过载倍数，λvf是变频器电流短时过载倍数，K3是电流/转矩系数。
由于在本次设计中，系统的驱动类型采用的是群拖方式，即一台变频器拖动4台电机，所以需要对变频器的额定电流的计算公式稍加改变，具体形式如下
YGP160L2-4交流电动机的转矩过载倍数为2.5;变频器电流λvf过载倍数为150%时，最大瞬间过载倍数为200%，短时过载倍数可按照1.6～1.7选取，在本设计中变频器电流短时过载倍数λvf选取为1.7;由于磁通衰减和转子功率因数降低，最大转矩时的电流过载倍数要大于转矩过载倍数，因此电流/转矩系数应该是大于1的，可以选择为1.1～1.15，本次设计选取电流/转矩系数K3为1.1。YGP160L2-4型交流电动机的额定电流Ied=20A。将以上各值代入式(4，2)可得Ievf≥485A
在变频器厂家的选择上，我们对美国的AB公司、日本的安川，德国的西门子及瑞士的ABB公司等进行了比较。由于翼钢轧钢分厂其他交流变频传动系统采用的均为西门子变频器，考虑到整个冷床移钢链系统的兼容性，我们选择西门子6SE70系列变频器
3.3 控制方式的选择
现在从调速范围、调速精度、转矩控制、极低速运行适用性等几个方面对各种变频控制方式进行对比。通用变频器异步电机u/f控制、异步电机无传感器矢量变频控制、异步电机带传感器矢量变频控制，三种变频调速方式的性能比较如下表所示。
| 异步电机U/f控制 | 异步电机无传感器矢量变频控制 | 异步电机带传感器矢量变频控制 | |
| 调速范围 | 10:1（20：1） | 20:1（50:1） | 1000:1 |
| 调速精度 | 0.5~20%（与负载变化有关） | 0.50% | 模拟控制0.1%数字控制0.01% |
| 转矩控制 | 不适用 | 适用 | 适用 |
| 极低速运行 | 不适用 | 不适用 | 适用 |
| 特点 |
|
1、不需要PG(转速脉冲发生器）2、可以进行转矩控制3、响应速度快4、变频器、电机参数设定应与负载匹配 | 1、转就控制性能好2、响应速度极快 3、需要正确安装PG部件4、电气参数应正确匹配5、闭环控制电路复杂6、调速宽、精度高、价格贵、适合要求高的设备 |
1)在运行过程中要求4台电机转速要大体保持一致，而且能够同步启动和停止。
2)负载对象为螺纹钢，最重达30吨，要求有较大的启动力矩。
3)冷床移钢链操作间隔时间短，对起动和制动时间有要求，需要有良好的起、制动性能。
综合考虑了冷床移钢链电机传动系统的以上特点，在对U/f控制方式和矢量变频控制方式的各种性能进行综合考虑和比较后，在系统设计中我们选择采用U/f变频控制方式，具体原因如下：
(1)为了使多台电机同步运行，系统采取了群拖方式。但矢量控制方式不适用于群拖方式。
(2)采用了转矩补偿的U/f变频控制方式，低速下转矩输出能力得到了很大的提高，稳态速度精度可达到0.5%，足以满足冷床移钢链电机调速系统的要求。
3.4 变频器的调试
变频器上电后经过一定时间的自检程序PMU面板显示009时,将电机与减速箱之间联轴器脱开,使电机在空转下用操作面板驱动交流电机看是否在0 ~50Hz范围内平滑升降速然后做参数复位到工厂设置
P053=6允许参数读取
P060=2选择固定设置菜单
P366=0标准设置
P970=0参数复位
选择简单应用的参数设置用参数模块进行参数设置调用其内部功能图模块Setpoint Source MOP and terminal strip(P368=3) 其步骤如下
P060=3菜单选择简单应用的参数选择
P071=380输入装置进线电压单位V
P095 = 10输入类型异步IEC(国际标准)
P100=1v/f开环控制若为3则为不带测速机的矢量控制
P101=380输入电机额定电压单位V
P102=80A输入电机额定电流单位A
P104=0.87输入电机功率因数
P107 = 50输入电机额定频率单位Hz
P108=568输入电机额定转速单位r/min
P109=4输入电机极对数
P383=0选择有无过热保护
P368=3选择设定和命令源端子排上的MOP 和数字量输入
P370=1起动简单应用的参数设置根据选定的参数模块组合变化参数
P060=0返回用户菜单该步骤做完后经过约十几秒钟变频器自动生成功能图M O Pand terminal strip (P368=3)中所示的参数
4 结束语
SIEMENS 6SE70变频器以其调速的平稳、快速及功能的自由性、多样性在越来越多的自动控制领域得到了广泛的应用。在本自动控制系统中，6SE70保证了自动控制的实现。本系统自投运以来，运行稳定可靠，完全满足了现场生产的需要。
参考文献:
【1】陈伯时电力拖动自动控制系统北京：机械工业出版社1991
【2】韩安荣通用变频器及其应用北京：机械工业出版社2002
【3】西门予6SE70矢量控制使用大全德国：西门子公司2005
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