SINAMICS S120變頻器在轉爐傳動上的研究與應用

　　1.前言

　　秦皇島安豐鋼鐵有限公司第三煉鋼廠新建2#150噸轉爐煉鋼工程，其低壓電氣、現(xiàn)場儀表、電氣傳動及PLC三電一體控制系統(tǒng)的現(xiàn)場施工及調試由萊鋼電子公司所承擔，并于2011年9月1日順利投產。

　　該工程中所涉及的變頻器均采用西門子SINAMICS系列，特別是轉爐傾動，更是選用了帶有源回饋功能的SINAMICSS120變頻器，集v/f控制、矢量控制、伺服控制為一體的多軸驅動系統(tǒng)，具有模塊化的設計。各模塊間通過高速驅動通訊接口drive-cliq相互連接，可以實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換，滿足了工藝對電氣傳動設備的要求。

　　2.S120與PLC通訊方式

　　本項目中PLC系統(tǒng)采用西門子S7-400系列，通過ProfibusDP擴展ET200M，同時通過ProfibusDP與SINAMICSS120變頻器通訊，控制變頻器啟停，并監(jiān)視變頻器運行狀態(tài)。在針對變頻器調試的過程中，可以選用CP5512，CP5513或者CP5613等配件與上位機直接通訊。本項目中選用的CU320-2附帶有一個LAN口，可使用網(wǎng)線與變頻器直接連接。項目的基本組態(tài)如圖1所示：

　　3.S120變頻器的特性

　　之所以選擇S120變頻器作為轉爐傾動機構的控制設備，一方面是考慮到S120優(yōu)秀的性能，還一方面考慮到轉爐工藝的特性。根據(jù)轉爐的工藝要求，轉爐爐體需能進行土360°的傾動。一般情況轉爐處于平衡力矩工作狀態(tài)，也就是說爐體本身重量集中在爐體下部，也就是鋼水所在的位置。這樣就可以確保轉爐事故狀態(tài)下，爐體能實現(xiàn)自復位功能。傾動機構可以平衡慣性勢能負載。在正常生產的情況下，當轉爐傾動至幾個固定的位置時(兌鐵位、吹煉位、出鋼位等)，要求轉爐處于靜止的狀態(tài)，爐體由靜→動以及由動→靜時，要求爐身過渡平穩(wěn)，無明顯的沖擊現(xiàn)象。由此可見，被控對象具有一定的動態(tài)，靜態(tài)指標要求。

　　SINAMICS S120的核心控制單元CU320(V2.2版本)可以控制4個矢量軸或者是6個伺服軸。S120擁有出色的矢量控制能力，所謂的矢量控制就是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制電動機轉矩的目的。具體是將電動機的定子電流矢量通過3/2坐標變換分解為勵磁電流和轉矩電流，分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。簡單的說，矢量控制就是將磁鏈與轉矩解耦，分別設計出針對于兩者的調節(jié)機構，以實現(xiàn)對電動機的高性能調速。利用矢量控制，可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。如圖為矢量控制的原理圖，ω為轉速實際值，ω*為轉速指令值;ψrd為定轉子磁鏈轉換值， ψrd*為定轉子磁鏈估算值;isq為定轉子電流轉換值，isq*是與之相對應的計算值。

　　4.可視化調試的過程

　　S120有非常豐富的控制方式和控制模式，為我們實現(xiàn)轉爐傾動的各種工藝需求提供了強有力的支持。S120提供了三種控制方式，分別為：扭矩控制、速度控制、位置控制。并且提供了三種控制模式：伺服控制，矢量控制，V/F控制。在本項目中，我們選用了矢量控制模式(P0107)。我們將傾動系統(tǒng)四臺變頻設置為主從控制方式，主機采用速度環(huán)控制，從機采用力矩環(huán)控制。在空爐時，四變頻器拖四電機主從控制效果良好。然后分批增加配重，同時調試變頻參數(shù)。我們通過DP通訊把變頻器的實際力矩和實際速度讀入到PLC，由PLC系統(tǒng)判斷后再生成抱閘信號。由于轉爐傾動屬于重載設備，且傾動過程中，實際轉矩的大小和方向始終在變化，需要對變頻器的PI參數(shù)、斜坡時間和抱閘等參數(shù)進行反復調試。前期，在大配重的情況下，爐體運行時有明顯的抖動現(xiàn)象，后來經(jīng)過我們多次嘗試，在變頻參數(shù)中增加了變比例調節(jié)，最終解決了爐體抖動的難題，使轉爐傾動系統(tǒng)達到了預期的效果。

　　在調試過程中，我們使用了Starter軟件來對S120參數(shù)進行設置。Starter軟件是西門子SCOUT平臺的重要組成部分，可以通過DriveES與Step7進行無縫連接，將項目中的傳動設備集成到自控系統(tǒng)中。通過Starter工具調試SINAMICS S120變頻器，可以用網(wǎng)線直接將PC連接到CU320-2自帶的LAN口，使用TCP/IP協(xié)議進行通訊，快速方便。在Starter中設置DP地址后，會自動顯示DP撥碼的位置，此外，通訊報文應使用相同的設置才能正常連接，使用“Transfer to HWconfig”功能可以將在Starter中配置好的報文設置直接傳送到PLC的組態(tài)中。利用Starter工具圖形化界面的特點，可以對變頻器參數(shù)進行在線修改，并隨時觀察調試效果和變頻器的運行狀態(tài)，給我們調試工作帶來了極大的方便，明顯縮短了調試時間，有力保障了工程的進度。

　　5.實際效果總結

　　SINAMICS S120變頻器用于轉爐煉鋼項目，使用Starter調試工具與PLC相結合的方式進行調試，縮短了工程建設周期，又改善了調試效果。由于SINAMICS S120采用ALM和AIM的組合，可自動調節(jié)直流母線電壓，有效避免了直流母線電壓過高引起的故障停機，而且ALM和AIM的組合帶有電能回饋功能，使轉爐的制動時間明顯減小，既節(jié)能又提高了傾動機構的利用率，取得了明顯的經(jīng)濟效益，相對于傳統(tǒng)變頻器優(yōu)勢明顯。