西门子6SE70变频装置在海鑫集团公司鑫轧厂的应用
2005/7/12 10:52:00
[摘要]海鑫集团公司鑫轧厂（以下简称鑫轧厂）拥有两条自动化生产线，分别是70万吨棒材和120米高速线材。两条线的交直流传动装置全部采用西门子公司产品。其中轧制线主传动和飞剪传动采用6RA70直流调速装置，辅传动根据控制要求采用M440或6SE70变频装置。本文将介绍6SE70变频装置的使用情况。
[关键词]矢量控制、逆变器。
0、概述
6SE70变频装置用在鑫轧厂的辅传动当中，通过带整流回馈单元及直流母线的变频器原理，如图1所示。使多台负载和速度经常变化的电动机，通过挂在直流母线上的逆变器实现变频调速。这种方案有以下优点：
（1）当多台电动机同时工作，有的处于电动状态，有的处于制动状态时，处于电动状态的与处于制动状态的逆变单元可通过直流母线交换能量，从而减少整流单元回馈单元容量。
（2）多台逆变单元共用一台整流回馈单元，可节省设备投资和安装空间。
关于各逆变器的速度给定、控制命令、状态反馈、数据反馈（如电流、速度实际值）通过Profibus网和所在区域的PLC交换数据完成。下面结合鑫轧厂具体设备谈谈6SE70变频装置在使用当中出现的问题及解决方案：
图1 带整流回馈单元及直流母线的变频器系统
1、鑫轧厂高速线材生产线（以下简称高线）托盘升降的传动控制
高线托盘升降系统的传动装置采用6SE7031-2TF60逆变器；最初的传动方案为无编码器矢量控制方案。托盘电动机型号规格为YTSP280S-6,45kW（电动机成套抱闸已拆除不用）;制动抱闸型号为YWZ-300(液压推力器结构)。抱闸的控制采用西门子6SE70标准的控制方案，见6SE70功能图470（braking control），本文不再描述。
1．1设备描述
高线收集托盘是通过链条传动的一个升降机构，用于将集卷筒内的成品线材完整地接送到旋转双臂芯棒上。托盘自重约4.5吨。外型结构图如下，其两个托臂闭合则形成如图2所示一个空心的圈状平台。
图2（托盘双臂闭合在高位，集卷筒正下方）
张开则如图3所示。两个托臂通过液压完成张合。
图3（托盘双臂张开上升过程中）
高速线材到收集区，通过风冷辊道以规则的螺旋状不断地送入集卷筒。当集卷筒内线材存放到设定的高度，集卷筒下部的托爪打开，将已形成卷装的线材释放到早已等待在集卷筒下部的双臂闭合的托盘上。随着成品线材不断流入集卷筒，形成卷状的线材高度不断增加，为保证集卷筒内线材控制在适当的高度，形成规则的成品卷，托盘开始缓缓下降，下降速度约20-30mm/s,电机频率约3-4.5HZ。直到一整根钢的尾部出现并进入集卷筒，托盘进入快速下降状态（50HZ），最终将一整盘线材（约2吨）平稳地放在旋转双臂芯棒上。接着托盘的两臂张开快速上升，去接下一卷线材。
1.2 托盘传动采用无编码器控制方案在实际生产中出现的问题
2004年元月高线处于试生产阶段，当时托盘升降传动系统运行基本正常。随着生产节奏的逐渐加快，托盘的传动系统开始无规律地报故障;出现最多的故障码为F021(超过电动机I2t监控参数设置极限值故障),其次是F015(电动机已堵转或失步故障),偶而报一次的是F011(该装置由于过电流而关机故障),复位后正常。通过现场观察看到，在报故障前装置的报警内容为A034(在设定值通道里的状态字1 r552中的位8,频率设定值与实际值之差比参数设定值大,并超过控制监控时间,报警)或A042(电动机堵转或失步报警)，起初笔者以为是机械原因造成。到2004年6月逆变器故障停机现象越来越严重，尽管很快复位，但是已对正常生产节奏形成制约。显然托盘的传动无法满足日益加快的生产节奏的要求。针对这一情况，笔者在现场对传动系统的参数进行了多次手动调整，主要调整了以下参数:
P278 低速范围内，无编码器速度控制过程中，最大静态转矩功能参数。
P279 低速范围内，无编码器速度控制过程中，最大附加动态转矩功能参数。
P280 设定经P278和P29电流给定的滤波时间常数的功能参数。
P235 输入n/f调节器增益的功能参数。
P240 输入n/f调节器积分时间的功能参数。
P462 斜坡函数发生器加速时间，从0到100%。
P464 斜坡函数发生器减速时间，从100%到0。
P128 设置最大电流的功能参数。
P792 输入实际值和设定值之间的容许偏差的功能参数。
P794 输入显示实际值/设定值偏差信息的延迟时间的功能参数。
P805 封锁脉冲时“偏差”信息和转子磁通检测器查出的失步和输出故障信息之间的延时时间。
P383 电机热时间常数。
P602 确定电机励磁时间的功能参数。
P283 在调制器异步调制范围内调节PI电流调节器增益的功能参数。
P284 在调制器异步调制范围内调节PI电流调节器调整时间的功能参数。
刚开始手动调整参数后有一定的效果，不过随后又出现故障频繁的现象。到2004年10月手动调整几乎不再起作用，并多次出现托盘在下降过程中突然失控掉下的现象。托盘的失控曾造成链条拉断，链轮脱槽，轴承座破裂等现象。致使正常生产中断，最长时间约8 h，造成很大的经济损失。笔者曾多次将参数恢复到手动调整之前原始数据（通过Drive Monitor软件下载），但无济于事。最后更换一台备用装置， 重新调试，再次出现上述故障现象。为尽快改善这种严重制约生产的局面，最终决定采用编码器反馈的矢量控制方案。
现分析当时的现象，笔者归纳如下几点原因:
(1)负载特性可能在使用过程中有一定的变化，但不是形成故障的主要原因。
(2) 笔者在手动调整参数的过程中，有调整过量的现象，其中有两次托盘失控现象发生在笔者调整过程刚结束。
(3) 装置自动优化的参数显然也不能满足这种位能负载特殊的要求。
(4) 低速状态下装置故障最频繁，笔者认为6SE70无编码器矢量控制方案在低速下的调速性能不完善。
(5) 托盘的失控现象因非常突然，笔者难以解释。
1.3 托盘传动采用编码器矢量控制方案后的使用情况
2004年11月，笔者按照6SE70的调试步骤将托盘的传动系统改为编码器反馈矢量控制方案（编码器及电缆均按照西门子技术要求安装），投入使用后传动系统运行状态非常好，尤其是低速时运行稳定，变频器不再报故障。但是新的问题随之出现，速度反馈编码器连续损坏。大多数现象是编码器在电机正常使用中工作正常，生产线停机检修后再次起机时，发现编码器损坏。最严重的一次是托盘电动机输出轴扭断，当时现场检查发现编码器损坏。笔者认为是电动机运行过程中编码器突然损坏引起的事故。笔者认为编码器在工作中突然损坏可能造成电机转矩瞬间达到最大值。笔者先后使用了两种编码器，分别是
Norsthstar编码器 型号：MH1024 1KS2501
ELTRA TECH编码器 型号：EH88P1024Z8/24L25X3PR
以上两种编码器一种是电磁式，一种是光电式。在其它设备上都用的很好，但是在托盘传动系统都用不了多长时间。笔者认为装置提供的编码器电源存在比较大的谐波干扰致使编码器连续损坏。
笔者在使用编码器反馈方案的过程中曾请教过北京钢铁设计院CERIS研究所电气工程师，对方提出增加一个脉冲分路器。笔者在现场将编码器的电缆线接入分路器输入端，经过分路器隔离的信号由分路器的输出端接入变频装置，至此，问题得以彻底解决。到目前为止，高线托盘升降系统运行稳定。
2、鑫轧厂高速线材生产线（以下简称高线）双臂芯棒的传动控制
高线收集区双臂芯棒的传动装置采用6SE7027-2TD61逆变器；传动方案为无编码器矢量控制方案。电动机型号规格为9VL 326THTDA8831AA 30KW;制动抱闸是和电动机成套的电磁饱闸。抱闸的控制采用西门子6SE70标准的控制方案，见6SE70功能图470（braking control），本文不再描述。
2．1设备描述
高线收集区双臂芯棒是一个通过齿轮传动的机械设备，它具有相互垂直的双臂。如图4所示，
图4（托盘将整卷线材释放到双臂芯棒上，两臂张开）
当托盘从集卷筒内接到的整卷高速线材，释放到双臂芯棒上时，托盘的双臂张开。双臂芯棒正向旋转180度，将带有线材的一臂转到水平位置，收集小车将从水平位置接走成卷的线材。同时另一臂正好转到垂直位置，通过托盘接下一卷从轧线来的线材。如图5所示
图5（双臂芯棒将接到的线材旋转到水平位置，另一臂正
当第二卷线材释放到双臂芯棒上时，水平位置上的第一卷线材已被收集运卷小车接走，此时双臂芯棒反向旋转180度，将第二卷线材旋转到水平位置。如此正反向交替旋转不断将成卷的线材通过收集运卷小车送走，形成连续生产。
2.2 双臂芯棒的控制定位
双臂芯棒的臂长约4米,内部安装有内芯轴,用于在垂直位置将集卷筒内的鼻锥顶起。要求正转或反转停车时必须和集卷筒内的鼻锥对正，否则将造成鼻锥顶歪，导致线卷卡钢的现象发生。所以双臂芯棒的定位精度要求很高。
为保证双臂芯棒的准确定位，在双臂芯棒的底盘下部安装有一个增量型编码器。用来检测双臂芯棒的的角度和位置。在双臂芯棒旋转的过程中，通过PLC计算出的电动机速度给定随着角度的变化
[关键词]矢量控制、逆变器。
0、概述
6SE70变频装置用在鑫轧厂的辅传动当中，通过带整流回馈单元及直流母线的变频器原理，如图1所示。使多台负载和速度经常变化的电动机，通过挂在直流母线上的逆变器实现变频调速。这种方案有以下优点：
（1）当多台电动机同时工作，有的处于电动状态，有的处于制动状态时，处于电动状态的与处于制动状态的逆变单元可通过直流母线交换能量，从而减少整流单元回馈单元容量。
（2）多台逆变单元共用一台整流回馈单元，可节省设备投资和安装空间。
关于各逆变器的速度给定、控制命令、状态反馈、数据反馈（如电流、速度实际值）通过Profibus网和所在区域的PLC交换数据完成。下面结合鑫轧厂具体设备谈谈6SE70变频装置在使用当中出现的问题及解决方案：
图1 带整流回馈单元及直流母线的变频器系统
1、鑫轧厂高速线材生产线（以下简称高线）托盘升降的传动控制
高线托盘升降系统的传动装置采用6SE7031-2TF60逆变器；最初的传动方案为无编码器矢量控制方案。托盘电动机型号规格为YTSP280S-6,45kW（电动机成套抱闸已拆除不用）;制动抱闸型号为YWZ-300(液压推力器结构)。抱闸的控制采用西门子6SE70标准的控制方案，见6SE70功能图470（braking control），本文不再描述。
1．1设备描述
高线收集托盘是通过链条传动的一个升降机构，用于将集卷筒内的成品线材完整地接送到旋转双臂芯棒上。托盘自重约4.5吨。外型结构图如下，其两个托臂闭合则形成如图2所示一个空心的圈状平台。
图2（托盘双臂闭合在高位，集卷筒正下方）
张开则如图3所示。两个托臂通过液压完成张合。
图3（托盘双臂张开上升过程中）
高速线材到收集区，通过风冷辊道以规则的螺旋状不断地送入集卷筒。当集卷筒内线材存放到设定的高度，集卷筒下部的托爪打开，将已形成卷装的线材释放到早已等待在集卷筒下部的双臂闭合的托盘上。随着成品线材不断流入集卷筒，形成卷状的线材高度不断增加，为保证集卷筒内线材控制在适当的高度，形成规则的成品卷，托盘开始缓缓下降，下降速度约20-30mm/s,电机频率约3-4.5HZ。直到一整根钢的尾部出现并进入集卷筒，托盘进入快速下降状态（50HZ），最终将一整盘线材（约2吨）平稳地放在旋转双臂芯棒上。接着托盘的两臂张开快速上升，去接下一卷线材。
1.2 托盘传动采用无编码器控制方案在实际生产中出现的问题
2004年元月高线处于试生产阶段，当时托盘升降传动系统运行基本正常。随着生产节奏的逐渐加快，托盘的传动系统开始无规律地报故障;出现最多的故障码为F021(超过电动机I2t监控参数设置极限值故障),其次是F015(电动机已堵转或失步故障),偶而报一次的是F011(该装置由于过电流而关机故障),复位后正常。通过现场观察看到，在报故障前装置的报警内容为A034(在设定值通道里的状态字1 r552中的位8,频率设定值与实际值之差比参数设定值大,并超过控制监控时间,报警)或A042(电动机堵转或失步报警)，起初笔者以为是机械原因造成。到2004年6月逆变器故障停机现象越来越严重，尽管很快复位，但是已对正常生产节奏形成制约。显然托盘的传动无法满足日益加快的生产节奏的要求。针对这一情况，笔者在现场对传动系统的参数进行了多次手动调整，主要调整了以下参数:
P278 低速范围内，无编码器速度控制过程中，最大静态转矩功能参数。
P279 低速范围内，无编码器速度控制过程中，最大附加动态转矩功能参数。
P280 设定经P278和P29电流给定的滤波时间常数的功能参数。
P235 输入n/f调节器增益的功能参数。
P240 输入n/f调节器积分时间的功能参数。
P462 斜坡函数发生器加速时间，从0到100%。
P464 斜坡函数发生器减速时间，从100%到0。
P128 设置最大电流的功能参数。
P792 输入实际值和设定值之间的容许偏差的功能参数。
P794 输入显示实际值/设定值偏差信息的延迟时间的功能参数。
P805 封锁脉冲时“偏差”信息和转子磁通检测器查出的失步和输出故障信息之间的延时时间。
P383 电机热时间常数。
P602 确定电机励磁时间的功能参数。
P283 在调制器异步调制范围内调节PI电流调节器增益的功能参数。
P284 在调制器异步调制范围内调节PI电流调节器调整时间的功能参数。
刚开始手动调整参数后有一定的效果，不过随后又出现故障频繁的现象。到2004年10月手动调整几乎不再起作用，并多次出现托盘在下降过程中突然失控掉下的现象。托盘的失控曾造成链条拉断，链轮脱槽，轴承座破裂等现象。致使正常生产中断，最长时间约8 h，造成很大的经济损失。笔者曾多次将参数恢复到手动调整之前原始数据（通过Drive Monitor软件下载），但无济于事。最后更换一台备用装置， 重新调试，再次出现上述故障现象。为尽快改善这种严重制约生产的局面，最终决定采用编码器反馈的矢量控制方案。
现分析当时的现象，笔者归纳如下几点原因:
(1)负载特性可能在使用过程中有一定的变化，但不是形成故障的主要原因。
(2) 笔者在手动调整参数的过程中，有调整过量的现象，其中有两次托盘失控现象发生在笔者调整过程刚结束。
(3) 装置自动优化的参数显然也不能满足这种位能负载特殊的要求。
(4) 低速状态下装置故障最频繁，笔者认为6SE70无编码器矢量控制方案在低速下的调速性能不完善。
(5) 托盘的失控现象因非常突然，笔者难以解释。
1.3 托盘传动采用编码器矢量控制方案后的使用情况
2004年11月，笔者按照6SE70的调试步骤将托盘的传动系统改为编码器反馈矢量控制方案（编码器及电缆均按照西门子技术要求安装），投入使用后传动系统运行状态非常好，尤其是低速时运行稳定，变频器不再报故障。但是新的问题随之出现，速度反馈编码器连续损坏。大多数现象是编码器在电机正常使用中工作正常，生产线停机检修后再次起机时，发现编码器损坏。最严重的一次是托盘电动机输出轴扭断，当时现场检查发现编码器损坏。笔者认为是电动机运行过程中编码器突然损坏引起的事故。笔者认为编码器在工作中突然损坏可能造成电机转矩瞬间达到最大值。笔者先后使用了两种编码器，分别是
Norsthstar编码器 型号：MH1024 1KS2501
ELTRA TECH编码器 型号：EH88P1024Z8/24L25X3PR
以上两种编码器一种是电磁式，一种是光电式。在其它设备上都用的很好，但是在托盘传动系统都用不了多长时间。笔者认为装置提供的编码器电源存在比较大的谐波干扰致使编码器连续损坏。
笔者在使用编码器反馈方案的过程中曾请教过北京钢铁设计院CERIS研究所电气工程师，对方提出增加一个脉冲分路器。笔者在现场将编码器的电缆线接入分路器输入端，经过分路器隔离的信号由分路器的输出端接入变频装置，至此，问题得以彻底解决。到目前为止，高线托盘升降系统运行稳定。
2、鑫轧厂高速线材生产线（以下简称高线）双臂芯棒的传动控制
高线收集区双臂芯棒的传动装置采用6SE7027-2TD61逆变器；传动方案为无编码器矢量控制方案。电动机型号规格为9VL 326THTDA8831AA 30KW;制动抱闸是和电动机成套的电磁饱闸。抱闸的控制采用西门子6SE70标准的控制方案，见6SE70功能图470（braking control），本文不再描述。
2．1设备描述
高线收集区双臂芯棒是一个通过齿轮传动的机械设备，它具有相互垂直的双臂。如图4所示，
图4（托盘将整卷线材释放到双臂芯棒上，两臂张开）
当托盘从集卷筒内接到的整卷高速线材，释放到双臂芯棒上时，托盘的双臂张开。双臂芯棒正向旋转180度，将带有线材的一臂转到水平位置，收集小车将从水平位置接走成卷的线材。同时另一臂正好转到垂直位置，通过托盘接下一卷从轧线来的线材。如图5所示
图5（双臂芯棒将接到的线材旋转到水平位置，另一臂正
当第二卷线材释放到双臂芯棒上时，水平位置上的第一卷线材已被收集运卷小车接走，此时双臂芯棒反向旋转180度，将第二卷线材旋转到水平位置。如此正反向交替旋转不断将成卷的线材通过收集运卷小车送走，形成连续生产。
2.2 双臂芯棒的控制定位
双臂芯棒的臂长约4米,内部安装有内芯轴,用于在垂直位置将集卷筒内的鼻锥顶起。要求正转或反转停车时必须和集卷筒内的鼻锥对正，否则将造成鼻锥顶歪，导致线卷卡钢的现象发生。所以双臂芯棒的定位精度要求很高。
为保证双臂芯棒的准确定位，在双臂芯棒的底盘下部安装有一个增量型编码器。用来检测双臂芯棒的的角度和位置。在双臂芯棒旋转的过程中，通过PLC计算出的电动机速度给定随着角度的变化
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