交流变频器在不锈钢横切线上的应用

作者：宁波宝新不锈钢有限公司

欢迎访问e展厅 展厅 10 锻压/冲压/轧制设备展厅 压力机, 空气锤, 锻压机床, 单柱液压机, 四柱液压机, ... 宁波宝新不锈钢有限公司是由上海宝钢集团公司、日本日新制铁和宁波三方合资兴建，具有 90年代国际先进水平的不锈钢板带材生产企业，其中不锈钢横切线主要剪切Cr AISI 400系列409、410、420、430和CrNiAISI300系列304、304I、316、316I等品种不锈钢，来料厚度范围0.3-3.0mm，宽度范围650-1320mm，最大卷重25t,成品长度1000-4000mm，精度0.3mm/1000mm，机组最高剪切速度60m/min。横切线采用了静电垫纸、真空垛板和圆盘剪无活套带张力切边等先进技术。该设备1997年开始设计，1998年9月底安装完毕并进行冷负荷试车，同年12月初开始热负荷试车和试生产，于1999年6月通过考核验收，进入正常生产阶段。产品产量超过合同指标，质量达到日本JIS标准。 不锈钢横切线主要由开卷机、卷纸机、张力辊、圆盘剪、卷边机、矫直机、挤干辊、飞剪和真空垛板机等单机设备组成。其中矫直机、飞剪和真空垛板机从国外引进。所有调速电机均采用交流变频电机，变频传动电机总功率506kW。调速装置除飞剪为美国UNICO公司的产品外，其他均采用西门子公司SIMOVERT MASTER DRIVES 6SE70系列全数字矢量型交流变频调速装置。本文着重介绍SIMOVERT MASTER DRIVES 6SE70（SIMOVERT VC）全数字矢量型交流变频调速装置在横切机组中的应用。 1 SIMOVERT VC功能及特点 1.1 技术指标和硬件特点 SIMOVERT MASTER DRIVES 6SE70根据控制方式的不同，共分3种系列：V/F频率控制型、矢量控制型和伺服控制型。主回路部分为交直交电压型，功率单元采用IGBT组件，最大输出功率达1500kW。该系列变频器具有功率因数高、输出纹波小、性能可靠、系统稳定性好等特点。调速装置主板上配有较丰富的数字、模拟量输入/输出接口及两路串行数据通信口。除主板外，控制器中还留有两个插槽供附加工艺板或通信板使用。西门子6SE70还可以将变频器的整流、逆变两部分以独立装置形式提供，即整流器和逆变器。这样可以选用1套大容量整流器通过直流母线给多套逆变器供电。 1.2 通信能力 SIMOVERT VC具有较强的通信能力。它拥有3种途径与外部通信。 主板上有两个串行通信口，用于与手操器、计算机（带SIMOVIS软件）或上位机通信。使用USS协议，通信总线最高可带31个从站，通信速率最高可达38.4Kb/s。 通过配备附加板SCB1、SCB2可以进行传动装置之间点对点联接通信或与上位机之间通信。使用USS协议，通信总线最高可带31个从站，通信速率最高可达38.4Kb/s。 对于高水平自动化系统，通过配备附加通信板CB1使传动装置通过PROFIBUS-DP网与上位机通信。PROFIBUS-DP网是一种功能很强的工业现场局域网，符合ENSO 170标准。通常用双芯带屏蔽电缆，也可以用光纤通信。如用双芯带屏蔽电缆，在200m距离内通信速率可达1.5Mb/s，最多可带127个从站。 1.3 控制软件功能 SIMOVERT VC变频器的矢量控制方式可以精确地测定和控制电机电流的力矩分量和励磁分量，其控制性能可与直流传动相媲美，具有调节参数自动优化，自动故障显示与报警，可以灵活设定和更改过程数据通道等特点。 2 传动系统的设计与配置 2.1 主回路配置 全数字交流变频调速系统主回路由进线电抗器，可逆整流器，自耦变压器，逆变器，输出电抗器和三相异步交流电动机组成。进线电抗器既可避免电网谐波对调速系统的影响，也可减少整流装置产生的高次谐波对电网的影响。系统共用1套可逆整流装置及公共直流母线，取消了能耗制动单元。在正常工作时开卷机的逆变器处于整流工作状态，即能量由电动机回馈到直流母线上，而其他逆变器则均处于逆变工作状态，将直流母线上的电能输送到对应的电机中。这样通过直流母线实现了逆变器之间以及逆变器和整流器之间的能量交换；将处于整流状态的逆变器发出的电能通过直流母线输送到其他处于逆变状态的逆变器中，若逆变器逆变所需的总能量大于逆变器整流发出来的总能量时，可通过整流器从电网补充电能；反之，利用可逆整流器将电能回馈给电网。这样将原本需通过能耗制动器消耗的电能用于驱动其他电机或回馈到电网，大幅度地节省了电能。自耦变压器将可逆整流器逆变产生的电流经过电压提升，回馈给电网。逆变器为交流变频调速系统的核心装置，在本次设计中全部选用矢量控制型逆变器。每套逆变器装置均用脉冲编码器测量电机转速，构成闭环速度控制系统。每台逆变器与电机之间均配有输出电抗器，以防止逆变器输出电压的dV/dt太大对交流电机产生不良影响。 2.2 控制回路配置 2.2.1 PROFIBUS-DP网通信 在本次设计中，传动装置的上位控制器选用西门子S7-400系列PLC。PLC主要通过PROFIBUS-DP网实现对传动装置的控制和监测。传动系统的可逆整流器和逆变器均配有CB1通信板。在PROFIBUS-DP网上，整流器和逆变器作为从站通过CB1板实现与主站PLC之间快速、准确的数据传递。PLC与装置之间通信的数据结构为PPO（参数过程数据体）形式。PPO分5种类型，以PP01-PP05表示。我们根据实际情况选用PP04，即PLC依次可以向每台装置发送6个过程数据字，再从装置接受6个过程数据字。通过过程数据字，PLC将各装置的起、停命令等逻辑控制量和速度给定、力矩给定及开卷机的张力给定、初始卷径设定等数字控制量作为过程数据传给调速装置，而整流器和逆变器通过CB1板将直流母线的电压、电流等，电机的实际转速、力矩、输出电压、电流以及调速装置的状态字等过程数据传送到PLC。 2.2.2 工艺板 为了实现带钢和纸卷的恒张力卷绕控制，在开卷机（开卷控制）、卷纸机（卷取控制）逆变器的插槽中配置工艺板T300及MS320卷绕控制模块。MS320是含有多种恒张力控制程序的软件包，我们采用其中的间接闭环张力控制程序。该程序的特点是机械设备不需额外增加张力检测装置，只需通过测量卷径，闭环控制电机的输出力矩，实现恒张力控制。但在速度发生变化时，为保证张力的恒定，需根据加速度及设备当时的转动惯量计算动态补偿力矩。 2.2.3 急停控制 由于PLC是通过PROFIBUS-DP网来实现对变频器控制的，而该网是一种用带屏蔽双绞线作为传输媒体将各个分布站点串联起来的工业现场局域网，一旦通信线路发生损坏，可能会造成全线失控。为保证在意外情况下设备能安全停车， “ 急停 ” 控制信号除了通过 PROFIBUS-DP网发送到变频器外，还必须有由PLC的逻辑输出口直接联到变频器逻辑输入口的急停控制专线，实现急停、控制双保险。 3 变频器参数设定 在变频器启动运行前，需要对变频器进行必要的参数设定。通常只需对基本板（主板）的参数进行设定，对于安装有工艺板的变频器（如开卷机）还需设定工艺板的有关参数。变频器主板共有各种参数近千个，另外工艺板的参数还有约300个左右。这些参数大多在出厂前做了工厂设定，一般情况下只需对很小部分参数进行重新设定即可。设定参数可以在装置的参数设定器（PMU）上进行，也可以在手操器（OPI）或计算机（带SIMOVIS软件）上进行。需要设定的参数大致可分为以下几个方面： （1）硬件配置参数 首先设定变频器硬件配置参数，说明在变频器插槽中配有CB1通信板，在开卷机和卷纸机变频器中还需说明在插槽中配置了工艺板T300。如果在变频器输出侧装有正弦波滤波器或dV/dt滤波器，也必须进行硬件配置参数设定。 （2）电机参数 设定变频器所带电机的基本参数，如电机的种类、额定电压、电流、频率、转速和极对数等。 （3）工艺参数 设定电机控制方式为闭环转速控制并设定测速传感器有关参数。设定电机在系统中运行时的额定频率、最高频率及反向最高频率，转速上升、下降斜率及系统额定力矩等。变频器控制软件根据以上设定的电机和工艺参数及辨识到的电机数据整定调节器参数，保证电机在工艺要求的运行范围内稳定工作。对开卷机、卷纸机，还需设定工艺板的有关参数，如动态、静态转动惯量指标参数、卷径变化范围等，以保证在加减速时能准确地进行动态力矩补偿。 （4）设定给定通道 变频器的给定通道可以有多种选择，如模拟量输入通道、逻辑量输入通道以及串行通信口通道等。我们在这次设计中除设定 “ 急停 ” 控制信号的通道为常规逻辑量输入口外，所有给定通道均设定为 CB1板上的PROFIBUS-DP通信口。变频器通过CB1板接受由PLC发出的控制命令与给定数据。 4 结束语 在本次设计中横切线采用了一系列西门子新近推出的先进技术和装置，产生很大的综合效益：主回路采用公共可逆整流装置及直流母线形式，比以前带能耗制动器省电15%以上；控制回路通过使用PROFIBUS-DP网，用一根双绞线替代了常规控制系统中繁多的模拟量、逻辑量控制信号线，给安装、调试和维护工作带来很大方便，不锈钢由于其硬度和韧性都很强，剪切非常困难，传动系统控制性能的优劣对刀具的寿命、剪切质量和产品产量影响很大。调试和生产运行表明，整个系统具有控制精度高、运行稳定、操作简便、维护方便等特点，可以满足生产高质量、高精度不锈钢产品的要求。 (end)

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