变频器在冶金铸造吊的应用.doc

变频器在冶金铸造吊的应用
变频器/施耐德/冶金/铸造吊
1  引言
    钢轧总厂是一个以炼钢、热轧、冷轧三大钢轧项目为核心的重点工程：从焦化、烧结、炼铁、炼钢、连铸到热轧、冷轧、连退、镀锌，形成了一条高档板材的全流程现代化生产线。施耐德ATV71 系列变频器在该建设工程中得到了大量的应用，特别是“炼钢、热轧、冷轧”三大工段的绝大多数冶金起重机的传动机构全部采用了ATV71 系列变频器，并且起到了很好的应用效果，得到了用户及主机制造厂商一致的好评。
2  起重机电气总体设计
    起重机上的电气设备按照功能分类，分别为：操作指令设备、逻辑控制设备、电机驱动设备、供电设备、安全保护设备。
    （1)操作指令设备
    遥控器或者联动台。在这种设备上可以看到控制各个机构运行的主令操作手柄，系统启动按钮，照明控制开关，紧急停车按钮，报警器开关，故障复位按钮以及其他功能的开关按钮。
    （2)逻辑控制设备
    施耐德公司的Premium 系列PLC，包括机架、电源模块、CPU 模块、输入输出模块、FIPIO 现场总线连接元件。
    （3)电机驱动设备
    施耐德公司的ATV71 系列变频器和FIPIO 通讯卡，制动单元，制动电阻器，第三方编码器。
    （4)供电设备
    主电源开关，主电源接触器，各机构分路电源开关，控制电源变压器等。
    （5)安全保护设备
    照明灯，报警器，故障显示屏，登机联络，安全限位。
    （6)电气设备分布
    操作指令设备在司机室，遥控接收装置安装在电器房内。逻辑控制设备分两个部分，一部分主站安装在PLC 控制屏，另一部分安装在司机室联动台内，两部分之间通过网络连接。电机驱动设备安装在各个机构控制屏内，供电设备安装在供电屏，安全保护设备分布在起重机各个极限位置，故障显示屏和报警器安装在司机室。
    电气系统主回路运行原理——动力电源通过集电器传送至起重机上的安全隔离开关，合上隔离开关，则动力电源传送至供电屏上的总电源断路器。
    起重机运行前，合上总电源断路器，启动总电源接触器，此时动力电源被传送至各个机构控制屏。
    在各个机构的控制屏内，各有一个机构电源断路器，当这个断路器在闭合位置，机构安全保护信号都在正常状态，机构接触器闭合，变频器开始待机。此时如果变频器接收到运行指令，变频器输出，打开抱闸，电机旋转。
    （7)电气系统控制回路(见图１)

图1  电气控制系统图
    控制回路由操作指令设备、逻辑控制设备、安全保护设备以及控制软件构成。其中逻辑控制设备作为控制中心，操作指令信号和安全保护信号通过开关、继电器触点或者网络通讯，被传送至控制中心，经过程序运算，输出控制信号，经过继电器触点或者网络通讯，到达电机驱动设备变频器，最终通过变频器运行，达到控制电机运转的目的。
3  变频器的应用简介
    （1）变频器选择
    本项目中所有变频行车均选用施耐德ATV71系列工程型变频器，覆盖完整的功率范围，优异的力矩性能，宽泛的电压和环境温度适应性，人性化的操作界面，内置专业提升功能，完美符合起重行业的应用需求。由于电动机功率由主机厂机械设计部门选定，其额定输出功率实际已能满足负载需求。ATV71 是恒转矩输出，因此在平移机构中我们选择同功率的变频器，提升机构的驱动基本上放大一档使用，采用闭环矢量控制。
    （2）制动单元和制动电阻
    制动时产生的能量有两种处理方式：能耗制动和回馈电网。
    ATV71 系列在160kW 及以下内置制动单元，200kW 以上选配200kW 及400kW的制动单元。制动电阻的阻值略大于变频器能承受的最小阻值；电阻功率针对平移和起升机构有所不同：平移机构电阻功率近电动功率的30%，提升机构为电动功率的60%。网络制动单元用于下降制动时产生的能量回馈电网，以达到节能环保的效果。
    （3）功能参数
    AYV71系列内置专用提升宏程序：
    ●　制动逻辑控制；
    ●　高速提升；
    ●　主从控制；
    ●　外部称重功能；
    ●　限位功能管理实现精确定位；
    ●　负载平衡。
    马达控制：
    ●　闭环矢量控制。
    安全：
    ●　超速和旋转变向检测报警；
    ●　抱闸制动反馈。
    运用制动逻辑功能可以直接通过变频器上的继电器输出控制机械抱闸，有效抑制开合闸时负载溜勾现象，而无需PLC 再次编程。
    高速提升功能使得空勾或轻载时，电机工作在恒功率段，以超过额定速度运行，提高工作效率。
    （4）编码器反馈
    ATV71系列提供长线型、集电极开路、推挽式等不同类型编码器接口卡，电压等级也可选(5V-30V)，极大方便主机厂选配编码器，但由于冶金行车生产环境恶劣，我们一般建议选用长线型编码器以增强抗干扰能力。
    （5）通讯选件
    选用FIPIO现场总线标准适配卡，传递速度1Mbps，从站地址最大62，周期扫描8个控制变量和8个监视变量，变频器中文界面实时监控通讯字和上述周期变量（通讯扫描仪功能），强大的通讯功能完全满足行车控制需求。
4  应用举例
    在四钢轧的炼钢、冷轧、热轧三大工艺段的行车建设中共53 台变频行车配置了ATV71 系列，传动工艺特别是主、副起升机构有多种应用方案，现挑选两台台典型应用介绍如下：
    （1）起重机名称：200T/63T铸造吊
    应用场合：炼钢车间钢水接收垮
    200T/63T 铸造吊电气控制配置示意图如图2所示。200T/63T 铸造吊系统传动配置如表1所示。

图2  200T/63T铸造吊电气控制配置示意图
表1  200T/63T 铸造吊系统传动配置表

应用简介：
    这台处于钢水接收垮的铸造吊的驱动配置较为典型，大车采取1 台变频驱动4台电机，主小车由1台变频驱动2台电机，由于同步精度要求不高，因此一拖多的传动配置足以满足用户需求。
    提升机构中，主起升是由两台电机在齿轮箱高速端共轴驱动，同样用一拖二方式；两台电机均配置编码器，采用中间继电器切换，平时选用1号电机的反馈作为变频器闭环矢量控制，一旦反馈有误可切换至2号电机闭环。
    所有变频器均配备网络制动单元，将制动过程中多余的动能反馈至电网，以达到节能目的。由于钢厂电网波动剧烈，在网络制动单元和电网之间加装电涌保护器(Merlin Gerin 40r 4P)，防止尖峰电压损坏内部元器件。

图3  200T/63T 铸造吊控制系统框图
    （2）起重机名称：180T/63T铸造起重机
    应用场合：炼钢修罐间
    180T/63T铸造起重机控制系统框图如图4所示。180T/63T铸造起重机系统传动配置如表2所示。

图4  180T/63T铸造起重机控制系统框图
表2  180T/63T铸造起重机系统传动配置表

    应用简介：
    180/63吨×27米铸造吊，根据原合同要求，主起升控制系统设计为1#运行、1#+2#运行、2#运行三种操作状态。在1#运行或者2#运行状态，此时为1#变频器和1#电机单独工作，或者2#变频器和2#电机单独工作，每个单独运行的变频器(1#或者2#)工作在起重宏闭环矢量控制状态。此操作方式为应急操作方式，为解决两个起升电机当中有一个电机在工作中突然故障，仍然可以满足工艺流程需要，完成一个工作循环而设置。在1#+2#运行状态下，1#、2#变频器和电机同时工作，两个变频器工作在主/从控制方式下，其中1#变频器为主控制，工作在起重宏闭环矢量控制状态，并且从模拟量输出端口输出电机力矩信号。2#变频器为从控制，工作在主/从宏闭环矢量控制状态，并且从模拟量输入端口接收从1#变频器传送过来的1#电机力矩信号。以上三种控制方式通过变频器上多功能输入端子LI5 选择切换，如表3所示。
表3  三种控制方式下LI5端子信号状态

    现根据现场实际情况，用户提出需要第三种工作状态为1#和2#同时工作，且两个变频器都工作在起重宏闭环矢量控制，速度一致。考虑到机械系统已经包括了棘轮棘爪，可以允许两套系统在短时间内有一定范围的速度误差，机械系统低速轴已经有机械连接，实际卷筒速度为同一速度的实际情况，可以通过电气设计调整增加这一工作状态。在此状态下，如果出现一个或两个脉冲编码器故障，可以临时设置变频器工作在矢量开环方式，应对突发状况的范围更大。
    电气设计调整：由于本系统为遥控和司机室互换操作，同时还有通讯和端子互换控制，因此系统相对复杂，变频器原有输入输出多功能端子已经全部使用。如果需要增加第三种选择开关信号，只有通过PLC和变频器的网络通讯来实现，同时考虑日常使用不应当经常在各种控制方式之间频繁切换，因此考虑在PLC控制屏增加一个选择开关，作为第三种状态的选择，这个开关信号仅仅在1#+2#的状态下选择主/从控制还是速度控制。当信号为“1”时，系统做主/从控制，当信号为“0”时，系统做速度控制。这个开关的选择切换，应当由起重机的电气维护人员来操作(见表4)。
表4  改造后两种控制方式下LI5端子信号状态

    变频器中参数设置需要做相应更改，每个变频器内设三个目标电机做参数，具体划分如表5所示。
表5  改造后变频器内参数设置

    其中LI7开关信号由PLC通过网络通讯传送到变频器，因此不需要另外增加线路。
双电机，65Hz运行方式为速度一致控制，要求两台电机必须同时工作在闭环或者同时工作在开环方式，也就是说，如果有一台电机的脉冲编码器出现故障，可以将两台变频器同时设置为开环状态，供临时使用。
    这台行车的主起升的两台变频控制相对复杂，共用到主从控制；多电机切换，力矩控制，高速提升等多种专用功能，所有上述控制实现均无需PLC参与，充分体现ATV71产品的功能强大且专业。
5  结束语
    钢轧生产线上的冶金铸造起重机自投产以来，得到了客户的一致好评。无论从行车数量，起重吨位和复杂程度来看，都是起重行业标志性设计应用。我们全套方案采用施耐德产品(PLC、变频器、低压配电)，充分体现了施耐德电气在起重行业强大的整体解决方案能力，为今后我们在起重行业的设计和应用积累了宝贵的经验，值得推广应用。
张海龙

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