交流变频矢量控制技术在高炉探尺系统中的应用
2005/4/11 14:54:00
摘 要：本文详细介绍了采用一种新型的全数字交流变频矢量控制系统实现武钢炼铁厂高炉探尺自动控制系统的思路和方法，给出了系统的硬件设计和参数波形。使用结果表明该系统运行稳定、可靠，可以很准确地测量料面。
关键词：高炉探尺 全数字交流变频矢量控制 DriveMonitor调试软件。
Application of AC Inverter Vector Control Techology
for Measuring Ruler Control System In Blast Furnace
Gan Zhaohui Chen Xiaguang
Information Science & Engineering Institute
Wuhan University of Science and Technology
Abstract: The basic thought and method of implementation of an automatic control system using a new full digital AC vector inverter for Measuring ruler of blast furnace in WuGang puddling plant are introduced. The hardware design and variants waveform are described. It is proofed that this system ,which runs stable and reliable, can measure the surface of blast furnace correctly.
KeyWords：Measuring ruler control system in blast furnace Full digital AC inverter vector control DriveMonitor debugging software
1 概述
武钢炼铁厂高炉探尺改造前是采用直流电机驱动其机械设备，由于直流电机维护困难且备品、备件匮乏。改造方案需要将直流电机改型为交流变频电机。对应于电机的改型，探尺系统原有的直流控制方案相应地需要改造为交流变频控制方案。依据当前变频技术的发展和交流变频器的应用以及比较了各大公司变频器产品后，我们选用Siemens公司的Simovert Masterdrivers 矢量控制的电压源型变频器6SE70系列来设计控制方案。高炉探尺设计依据与选型原则如下：
1）探尺系统原采用直流电机传动。电机型号为Z-68 功率： 3.7KW 220V 20A 励磁电流0.6A，转速1000转/分。
2）探尺系统现在采用交流变频电机传动。电机功率：5.5kW 380V 750转/分，机座号160M，中心高160mm，电机长<900mm(考虑了轴伸110mm＋码盘尺寸)。
3）提尺与放尺的速度参数：减速机速比31.5, 卷筒直径318mm。正常运行时, 提尺速度<26米/分, 放尺速度<15米/分。
4） 次改造选用变频器为6SE7021-8EB61,400V/7.5KW。由于探尺是位能性负载，其下放的动能不能通过变频器回馈给交流电源，需要外加制动电阻和制动单元消耗能量。同时为满足较高的转速精度和良好的动态品质，以及调速范围宽广和低转速时保持一定精度的提升力矩，需要1台增量编码器，其每转具有1024个脉冲以构成速度闭环控制系统。
2高炉探尺工艺流程
高炉探尺是用来检测高炉内矿石与焦碳等物料的料面，供冶炼操作人员以视觉观测炉内物料下放的情况，同时控制矿石与焦碳等物料向炉内的排放。当探尺检测炉内的物料下放到设定的料面时，探尺自动提升到顶部，矿石与焦碳等物料依据工艺设定值向高炉炉内排放。物料排放完毕，探尺自顶部按设定的速度开始自动下放，下放到炉内物料的料面后，探尺被物料支撑，探尺速度减至为零，随后跟随物料下放，直到再次检测到炉内的物料下放到设定的料面时，探尺自动提升。如此循环往复，使探尺稳定在一个料面高度。
目前冶炼系统一般情况是：小于2500M3的高炉用2个探尺来探测炉内的物料，大于3000M3的高炉用3个或4个探尺来探测炉内的物料。本次改造的是1613M3的高炉探尺。
3 6SE70系列变频器功能和DriveMonitor调试软件简介
3.1变频调速装置6SE70的主要功能
* 6SE70系列变频器是具有多种可供选择接线方式的设备：有将整流部分与逆变部分装于一体的变频器、用于变频器的制动电阻和制动单元、单独的整流单元、整流回馈单元和单独的逆变器。
* 制动运行的方式：对于不经常制动的设备可以选择变频器＋制动单元＋制动电阻的方式；对于经常制动的设备采用整流回馈单元向公共直流母线供电，再由直流母线向多台逆变器供电，对于不同时制动的逆变器可以在直流母线上交换能量，当制动功率大时从回馈单元向电网回馈能量；还可以将多台变频器的直流母线直接连接，形成公共直流母线，再接入制动单元与制动电阻，当制动功率大时由制动电阻消耗能量。
* 6SE70系列变频器具有多种控制方式：可以设定为VVVF控制、开环矢量控制、闭环矢量控制中的一种。闭环矢量控制的性能最好，但必须接入测速装置；当变频器或逆变器给多台电机并联供电时，只能采用VVVF方式。
* 6SE70系列变频器的所有设备均有故障自诊断功能。6SE70装置本身提供了多种可靠有效的故障保护措施。同时也提供了简单实用的故障查询手段，装置可以记录同时发生的多个故障（最多达8个），并可以保存最近8次所发生过的故障代码。
装置的参数可以通过多种方式进行存取：
* 简易操作面板PMU或舒适型操作面板OPIS
* 使用 PROFIBUS-DP协议的通讯板CBP
* DriverMonitor调试软件。
装置可以同时记录最多10个变量（即K连接量）的变化过程，并提供了灵活的记录触发方式。利用DriverMonitor软件可以方便地观察所记录变量的波形。
3．2 DriverMonitor调试软件
6SE70系列变频器可用软件DriverMonitor进行参数设定。该软件提供下列参数功能：
* 菜单索引的参数存取
* 参数组读及写
* 将现有的参数组复制到同系列的其它装置上
* 打印参数组
* 过控制字进行操作（开关量命令、如开/关命令）及施加给定值
* 通过状态字进行观察（整流器工作状态反馈信号）及读出实际植
* 读出故障信号和报警信号
* 读出跟踪缓冲器中的内容（SIMOVERT的示波器功能）
DriverMonitor软件操作示意图见图1：
图1软件操作示意图
4 高炉探尺矢量变频控制原理
变频器应工作在矢量控制方式下以便于力矩控制，要求在变频电机轴端安装增量码盘作为速度检测元件。减速机轴端接多圈绝对值码盘，信号经通讯总线进PLC，由PLC读出探尺的高度，作为检测值及探尺的操作信号。变频器接受PLC的信号： PLC给变频器提尺信号、放尺信号；变频器给PLC准备好信号及故障信号。变频器与PLC间的这些开关量信号由点对点方式连接。
当要求探尺下放时，由PLC送出放尺信号，由变频器系统实现自动放尺并保持下放速度不超过限制值，在探尺降落到料面时保持电机仍有一定提尺力矩，使探尺保持直立姿势。探尺下放的动能由制动电阻和制动单元消耗掉。
当要求探尺提升时，由PLC送出提尺信号，由变频器系统实现自动提尺并保持提升速度不超过限制值。当PLC检测到探尺在顶部时，由变频器系统实现自动停车并投入抱闸。其控制原理简图见图2：
图2 探尺控制系统电气原理简图
电流波形见图3：
图3 电流波形图
5 结束语
高炉探尺采用一种新型的全数字交流变频矢量控制系统，该系统可以很方便地实现高炉探尺的提升与下降。系统满足工艺要求，运行稳定可靠，在武钢炼铁厂已投入使用，得到了用户的好评。
参考文献
1. Simovert Masterdrivers 通用型变频器使用大全
2. 马小亮，大功率交----交变频调速及矢量控制技术[M],北京，机械工业出版社，1999
关键词：高炉探尺 全数字交流变频矢量控制 DriveMonitor调试软件。
Application of AC Inverter Vector Control Techology
for Measuring Ruler Control System In Blast Furnace
Gan Zhaohui Chen Xiaguang
Information Science & Engineering Institute
Wuhan University of Science and Technology
Abstract: The basic thought and method of implementation of an automatic control system using a new full digital AC vector inverter for Measuring ruler of blast furnace in WuGang puddling plant are introduced. The hardware design and variants waveform are described. It is proofed that this system ,which runs stable and reliable, can measure the surface of blast furnace correctly.
KeyWords：Measuring ruler control system in blast furnace Full digital AC inverter vector control DriveMonitor debugging software
1 概述
武钢炼铁厂高炉探尺改造前是采用直流电机驱动其机械设备，由于直流电机维护困难且备品、备件匮乏。改造方案需要将直流电机改型为交流变频电机。对应于电机的改型，探尺系统原有的直流控制方案相应地需要改造为交流变频控制方案。依据当前变频技术的发展和交流变频器的应用以及比较了各大公司变频器产品后，我们选用Siemens公司的Simovert Masterdrivers 矢量控制的电压源型变频器6SE70系列来设计控制方案。高炉探尺设计依据与选型原则如下：
1）探尺系统原采用直流电机传动。电机型号为Z-68 功率： 3.7KW 220V 20A 励磁电流0.6A，转速1000转/分。
2）探尺系统现在采用交流变频电机传动。电机功率：5.5kW 380V 750转/分，机座号160M，中心高160mm，电机长<900mm(考虑了轴伸110mm＋码盘尺寸)。
3）提尺与放尺的速度参数：减速机速比31.5, 卷筒直径318mm。正常运行时, 提尺速度<26米/分, 放尺速度<15米/分。
4） 次改造选用变频器为6SE7021-8EB61,400V/7.5KW。由于探尺是位能性负载，其下放的动能不能通过变频器回馈给交流电源，需要外加制动电阻和制动单元消耗能量。同时为满足较高的转速精度和良好的动态品质，以及调速范围宽广和低转速时保持一定精度的提升力矩，需要1台增量编码器，其每转具有1024个脉冲以构成速度闭环控制系统。
2高炉探尺工艺流程
高炉探尺是用来检测高炉内矿石与焦碳等物料的料面，供冶炼操作人员以视觉观测炉内物料下放的情况，同时控制矿石与焦碳等物料向炉内的排放。当探尺检测炉内的物料下放到设定的料面时，探尺自动提升到顶部，矿石与焦碳等物料依据工艺设定值向高炉炉内排放。物料排放完毕，探尺自顶部按设定的速度开始自动下放，下放到炉内物料的料面后，探尺被物料支撑，探尺速度减至为零，随后跟随物料下放，直到再次检测到炉内的物料下放到设定的料面时，探尺自动提升。如此循环往复，使探尺稳定在一个料面高度。
目前冶炼系统一般情况是：小于2500M3的高炉用2个探尺来探测炉内的物料，大于3000M3的高炉用3个或4个探尺来探测炉内的物料。本次改造的是1613M3的高炉探尺。
3 6SE70系列变频器功能和DriveMonitor调试软件简介
3.1变频调速装置6SE70的主要功能
* 6SE70系列变频器是具有多种可供选择接线方式的设备：有将整流部分与逆变部分装于一体的变频器、用于变频器的制动电阻和制动单元、单独的整流单元、整流回馈单元和单独的逆变器。
* 制动运行的方式：对于不经常制动的设备可以选择变频器＋制动单元＋制动电阻的方式；对于经常制动的设备采用整流回馈单元向公共直流母线供电，再由直流母线向多台逆变器供电，对于不同时制动的逆变器可以在直流母线上交换能量，当制动功率大时从回馈单元向电网回馈能量；还可以将多台变频器的直流母线直接连接，形成公共直流母线，再接入制动单元与制动电阻，当制动功率大时由制动电阻消耗能量。
* 6SE70系列变频器具有多种控制方式：可以设定为VVVF控制、开环矢量控制、闭环矢量控制中的一种。闭环矢量控制的性能最好，但必须接入测速装置；当变频器或逆变器给多台电机并联供电时，只能采用VVVF方式。
* 6SE70系列变频器的所有设备均有故障自诊断功能。6SE70装置本身提供了多种可靠有效的故障保护措施。同时也提供了简单实用的故障查询手段，装置可以记录同时发生的多个故障（最多达8个），并可以保存最近8次所发生过的故障代码。
装置的参数可以通过多种方式进行存取：
* 简易操作面板PMU或舒适型操作面板OPIS
* 使用 PROFIBUS-DP协议的通讯板CBP
* DriverMonitor调试软件。
装置可以同时记录最多10个变量（即K连接量）的变化过程，并提供了灵活的记录触发方式。利用DriverMonitor软件可以方便地观察所记录变量的波形。
3．2 DriverMonitor调试软件
6SE70系列变频器可用软件DriverMonitor进行参数设定。该软件提供下列参数功能：
* 菜单索引的参数存取
* 参数组读及写
* 将现有的参数组复制到同系列的其它装置上
* 打印参数组
* 过控制字进行操作（开关量命令、如开/关命令）及施加给定值
* 通过状态字进行观察（整流器工作状态反馈信号）及读出实际植
* 读出故障信号和报警信号
* 读出跟踪缓冲器中的内容（SIMOVERT的示波器功能）
DriverMonitor软件操作示意图见图1：
图1软件操作示意图
4 高炉探尺矢量变频控制原理
变频器应工作在矢量控制方式下以便于力矩控制，要求在变频电机轴端安装增量码盘作为速度检测元件。减速机轴端接多圈绝对值码盘，信号经通讯总线进PLC，由PLC读出探尺的高度，作为检测值及探尺的操作信号。变频器接受PLC的信号： PLC给变频器提尺信号、放尺信号；变频器给PLC准备好信号及故障信号。变频器与PLC间的这些开关量信号由点对点方式连接。
当要求探尺下放时，由PLC送出放尺信号，由变频器系统实现自动放尺并保持下放速度不超过限制值，在探尺降落到料面时保持电机仍有一定提尺力矩，使探尺保持直立姿势。探尺下放的动能由制动电阻和制动单元消耗掉。
当要求探尺提升时，由PLC送出提尺信号，由变频器系统实现自动提尺并保持提升速度不超过限制值。当PLC检测到探尺在顶部时，由变频器系统实现自动停车并投入抱闸。其控制原理简图见图2：
图2 探尺控制系统电气原理简图
电流波形见图3：
图3 电流波形图
5 结束语
高炉探尺采用一种新型的全数字交流变频矢量控制系统，该系统可以很方便地实现高炉探尺的提升与下降。系统满足工艺要求，运行稳定可靠，在武钢炼铁厂已投入使用，得到了用户的好评。
参考文献
1. Simovert Masterdrivers 通用型变频器使用大全
2. 马小亮，大功率交----交变频调速及矢量控制技术[M],北京，机械工业出版社，1999
投诉建议
提交
查看更多评论
其他资讯
6RA70 直流调速器在石化挤压造粒机组调速系统的应用
S7-400PLC在焦炉煤气电站计算机控制系统的技术应用
6RA70 直流调速器在石化挤压造粒机组调速系统的应用