羅克韋爾自動化 交流變頻技術在中大型轉爐上的應用
1 引言
近年來，國內自主建設了相當數量的中大型轉爐（80t~150t級）。基于轉爐傾動裝置的工藝特點（頻繁地啟動、制動和加減速）、氧槍的工藝要求（快速自由升降、較高的定位精度），考慮到交流電動機自身的優點、電力電子/微電子技術的發展、現代控制理論的應用日趨成熟，交流變頻技術在這些中大型轉爐上得到了更多的應用。甘肅某鋼鐵公司新建的三座120 t轉爐就采用了交流變頻技術。
2 控制系統的組成
本系統采用Rockwell公司的ControlLogix 1756-L55控制器（以下簡稱CLXD）作為控制主站。一方面，CLXD通過ControlNet與轉爐本體控制器（以下簡稱CLXM）實現數據交換，CLXM發出設備起停的控制指令、給定速度，CLXD實時反饋變頻裝置的具體參數、報警信息在HMI上顯示。另一方面，CLXD下掛六臺1336 Force變頻裝置，通過控制網ControlNet控制每一臺裝置的運行。將傾動氧槍變頻裝置的控制與轉爐本體其余設備的控制分開，編程、調試、維護、查找故障都較為方便。四臺傾動電機的變頻裝置通過D2D通訊實現裝置之間的數據交換。系統的網絡結構見圖2.1。
轉爐的容量為120t，采用全懸掛式的四點嚙合的結構形式，由4臺交流變頻電機拖動。每臺電機都由一臺1336 Force變頻裝置供電，四臺變頻器拖動四臺電機在轉爐傾動時均衡分擔負載。考慮到檢修的方便，每臺變頻裝置的出線側均設置了輸出接觸器用于形成電氣回路上的可靠斷點。兩套氧槍卷揚電機各設置一套1336 Force變頻裝置。為達到一定的控制精度要求、提高低速時的動態響應性能，每臺電機上均設置了一個增量型速度編碼器。作為速度反饋值，該信號直接進入變頻裝置。
在生產過程中，如果傾動電機或是變頻裝置發生故障，為保持生產的連續性，電機容量及變頻裝置容量的選擇已能滿足三臺電機生產時能保證一個班次的正常生產、兩臺電機生產時能維持一個爐次的正常生產的情況。如果氧槍電機或變頻裝置在該氧槍處于工作狀態時出現故障，通過設置兩組機械互鎖的接觸器實現兩套變頻裝置與兩臺電機之間的任意組合，實現該爐次的正常吹煉。由于1336 Force是一種高性能的矢量變頻裝置，在無速度反饋時仍具有較好的控制精度（1%），變頻裝置在切換時采用開環控制。這樣，既避免了易受干擾的編碼器信號的復雜切換，又保證了可以接受的控制精度。單線系統圖見圖2.2。
3 控制系統的功能
由于轉爐的四臺電機屬于剛性連接、機械速度一致，這樣就要求控制電機的變頻裝置輸出轉矩應大體一致（各電機的負荷差異<10%）。為滿足負荷平衡的要求，本系統采用主從控制的傳動控制系統。四臺電機中任選一臺做為主裝置，主裝置接收CLXM發出的控制指令、速度要求，采用速度控制模式，該電機的編碼器反饋用于閉環控制。其余三臺變頻裝置均為從裝置，采用轉矩控制模式，從裝置的編碼器反饋用于速度限幅。通過Drive to Drive 通訊，裝置之間得以實現最快2mS、最大500k/S的數據通訊。主裝置采用速度控制，使得電機的速度能夠動態跟隨；從裝置采用轉矩控制，使得四臺電機的出力保持平衡。
基于安全控制的考慮，轉爐在運行過程中如果主變頻裝置或是主電機出現故障，從裝置立即會因通訊故障而停機。操作人員進行故障確認后，可以通過人工選擇主變頻裝置或是控制系統自動重新選擇主裝置來實現繼續生產。這樣既保證了設備的安全運行又不會影響正常的生產。
傾動裝置與氧槍均是位能負載。轉爐回垂直位或是氧槍下放時，電動機均工作在發電狀態，多余的能量必須釋放。本系統通過配備制動單元和制動電阻實現能量的自動釋放，以保證變頻裝置的直流母線電壓維持在正常的范圍。根據制動電阻阻值的計算以及對負載的分析，傾動電機及氧槍電機處于制動狀態的時間較長。從安全的角度考慮，制動單元及制動電阻均選擇了兩套。
國內的中大型轉爐一般采用正負力矩進行力矩設計。從力矩分析及生產的情況來看，轉爐在測溫取樣區域可能出現負力矩（見參考文獻[3]）。因此必須要求電機的制動器在電機輸出足夠的轉矩后才允許打開，使爐體不至于產生回位動作和抖動。CLXM發出啟動指令后，制動器不能立即打開。CLXD在判斷變頻裝置的輸出轉矩達到一定數值時再打開制動器，爐體就能夠比較平穩的啟動。CLXM發出停止指令后，CLXD在判斷變頻裝置的輸出轉矩降至一定數值時再關閉制動器，就避免了變頻裝置電流過大或是機械抖動較大的情形。由于制動器打開前變頻裝置輸出的轉矩值取決于給定速度值，在轉爐的低速傾動區就必須采用快速勵磁方式使得輸出轉矩盡可能快地達到要求，以避免低速區響應時間較長的情況。
4 控制效果
響應時間短、超調量小，是對控制系統的基本要求。由于轉爐的四臺變頻裝置采用主從控制，那么主裝置的參數整定對整個系統的動態性能有著較大的影響。如果主變頻裝置的響應時間較長，由于爐體傾動的特點（兌鐵或出鋼時需斷續得電），可能系統會出現無法跟隨給定的狀態；如果主變頻裝置的超調量較大，那么從裝置驅動的電機將反復振蕩。因此，變頻裝置的Ki、Kp、Kf參數需反復調整。圖4.1為經過參數調整后以4#變頻裝置為主裝置、現場裝料操作（兌鐵、加廢鋼）結束后爐體回到垂直位過程的四臺電機的電流曲線。圖中左上方顏色圖例的含義依次為：爐體傾動角度、1#變頻裝置的輸出電流（4096對應著電機的額定電流）、2#變頻裝置的輸出電流、3#變頻裝置的輸出電流、4#變頻裝置的輸出電流。
圖4.1 各變頻裝置電流曲線（爐體傾動角度）
5 結束語
由于1336 Force變頻裝置自身的強大功能----定向磁場控制、零速滿力矩的輸出、方便的主從切換，再通過合適的系統設計、參數設定，較好地解決了驅動位能性負載的問題，在調試過程中有效地避免了爐體傾覆、氧槍墜槍等情況。該系統自2005年4月投入運行以來（目前轉爐生產已達產），一直運行良好，用戶非常滿意。
近年來，國內自主建設了相當數量的中大型轉爐（80t~150t級）。基于轉爐傾動裝置的工藝特點（頻繁地啟動、制動和加減速）、氧槍的工藝要求（快速自由升降、較高的定位精度），考慮到交流電動機自身的優點、電力電子/微電子技術的發展、現代控制理論的應用日趨成熟，交流變頻技術在這些中大型轉爐上得到了更多的應用。甘肅某鋼鐵公司新建的三座120 t轉爐就采用了交流變頻技術。
2 控制系統的組成
本系統采用Rockwell公司的ControlLogix 1756-L55控制器（以下簡稱CLXD）作為控制主站。一方面，CLXD通過ControlNet與轉爐本體控制器（以下簡稱CLXM）實現數據交換，CLXM發出設備起停的控制指令、給定速度，CLXD實時反饋變頻裝置的具體參數、報警信息在HMI上顯示。另一方面，CLXD下掛六臺1336 Force變頻裝置，通過控制網ControlNet控制每一臺裝置的運行。將傾動氧槍變頻裝置的控制與轉爐本體其余設備的控制分開，編程、調試、維護、查找故障都較為方便。四臺傾動電機的變頻裝置通過D2D通訊實現裝置之間的數據交換。系統的網絡結構見圖2.1。
轉爐的容量為120t，采用全懸掛式的四點嚙合的結構形式，由4臺交流變頻電機拖動。每臺電機都由一臺1336 Force變頻裝置供電，四臺變頻器拖動四臺電機在轉爐傾動時均衡分擔負載。考慮到檢修的方便，每臺變頻裝置的出線側均設置了輸出接觸器用于形成電氣回路上的可靠斷點。兩套氧槍卷揚電機各設置一套1336 Force變頻裝置。為達到一定的控制精度要求、提高低速時的動態響應性能，每臺電機上均設置了一個增量型速度編碼器。作為速度反饋值，該信號直接進入變頻裝置。
在生產過程中，如果傾動電機或是變頻裝置發生故障，為保持生產的連續性，電機容量及變頻裝置容量的選擇已能滿足三臺電機生產時能保證一個班次的正常生產、兩臺電機生產時能維持一個爐次的正常生產的情況。如果氧槍電機或變頻裝置在該氧槍處于工作狀態時出現故障，通過設置兩組機械互鎖的接觸器實現兩套變頻裝置與兩臺電機之間的任意組合，實現該爐次的正常吹煉。由于1336 Force是一種高性能的矢量變頻裝置，在無速度反饋時仍具有較好的控制精度（1%），變頻裝置在切換時采用開環控制。這樣，既避免了易受干擾的編碼器信號的復雜切換，又保證了可以接受的控制精度。單線系統圖見圖2.2。
3 控制系統的功能
由于轉爐的四臺電機屬于剛性連接、機械速度一致，這樣就要求控制電機的變頻裝置輸出轉矩應大體一致（各電機的負荷差異<10%）。為滿足負荷平衡的要求，本系統采用主從控制的傳動控制系統。四臺電機中任選一臺做為主裝置，主裝置接收CLXM發出的控制指令、速度要求，采用速度控制模式，該電機的編碼器反饋用于閉環控制。其余三臺變頻裝置均為從裝置，采用轉矩控制模式，從裝置的編碼器反饋用于速度限幅。通過Drive to Drive 通訊，裝置之間得以實現最快2mS、最大500k/S的數據通訊。主裝置采用速度控制，使得電機的速度能夠動態跟隨；從裝置采用轉矩控制，使得四臺電機的出力保持平衡。
基于安全控制的考慮，轉爐在運行過程中如果主變頻裝置或是主電機出現故障，從裝置立即會因通訊故障而停機。操作人員進行故障確認后，可以通過人工選擇主變頻裝置或是控制系統自動重新選擇主裝置來實現繼續生產。這樣既保證了設備的安全運行又不會影響正常的生產。
傾動裝置與氧槍均是位能負載。轉爐回垂直位或是氧槍下放時，電動機均工作在發電狀態，多余的能量必須釋放。本系統通過配備制動單元和制動電阻實現能量的自動釋放，以保證變頻裝置的直流母線電壓維持在正常的范圍。根據制動電阻阻值的計算以及對負載的分析，傾動電機及氧槍電機處于制動狀態的時間較長。從安全的角度考慮，制動單元及制動電阻均選擇了兩套。
國內的中大型轉爐一般采用正負力矩進行力矩設計。從力矩分析及生產的情況來看，轉爐在測溫取樣區域可能出現負力矩（見參考文獻[3]）。因此必須要求電機的制動器在電機輸出足夠的轉矩后才允許打開，使爐體不至于產生回位動作和抖動。CLXM發出啟動指令后，制動器不能立即打開。CLXD在判斷變頻裝置的輸出轉矩達到一定數值時再打開制動器，爐體就能夠比較平穩的啟動。CLXM發出停止指令后，CLXD在判斷變頻裝置的輸出轉矩降至一定數值時再關閉制動器，就避免了變頻裝置電流過大或是機械抖動較大的情形。由于制動器打開前變頻裝置輸出的轉矩值取決于給定速度值，在轉爐的低速傾動區就必須采用快速勵磁方式使得輸出轉矩盡可能快地達到要求，以避免低速區響應時間較長的情況。
4 控制效果
響應時間短、超調量小，是對控制系統的基本要求。由于轉爐的四臺變頻裝置采用主從控制，那么主裝置的參數整定對整個系統的動態性能有著較大的影響。如果主變頻裝置的響應時間較長，由于爐體傾動的特點（兌鐵或出鋼時需斷續得電），可能系統會出現無法跟隨給定的狀態；如果主變頻裝置的超調量較大，那么從裝置驅動的電機將反復振蕩。因此，變頻裝置的Ki、Kp、Kf參數需反復調整。圖4.1為經過參數調整后以4#變頻裝置為主裝置、現場裝料操作（兌鐵、加廢鋼）結束后爐體回到垂直位過程的四臺電機的電流曲線。圖中左上方顏色圖例的含義依次為：爐體傾動角度、1#變頻裝置的輸出電流（4096對應著電機的額定電流）、2#變頻裝置的輸出電流、3#變頻裝置的輸出電流、4#變頻裝置的輸出電流。
圖4.1 各變頻裝置電流曲線（爐體傾動角度）
5 結束語
由于1336 Force變頻裝置自身的強大功能----定向磁場控制、零速滿力矩的輸出、方便的主從切換，再通過合適的系統設計、參數設定，較好地解決了驅動位能性負載的問題，在調試過程中有效地避免了爐體傾覆、氧槍墜槍等情況。該系統自2005年4月投入運行以來（目前轉爐生產已達產），一直運行良好，用戶非常滿意。
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