西门子变频调速在2500m3高炉上料系统的应用
2005/11/17 9:38:00
【摘 要】
上料系统是保证高炉正常生产的命脉。高炉冶炼原料必须通过上料系统的主卷扬料车输送到炉缸内，所以它的稳定和顺行直接关系到高炉的正常运行。宏发炼铁厂2BF、3BF上料主卷扬系统采用德国SIEMENS公司的 SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE70系列变频调速系统，配备了两台550KW变频电机，采用3套变频装置即二用一备。
【关键词】
高炉；上料系统；变频器
一、变频器简介及系统硬件配置
SIEMENS公司的SIMVORT MASTERDRIVES 6SE7矢量控制变频装置，由模块化及高性能元件组成，这类装置是具有IGBT逆变器、PWM方式调制、全数字技术的有电压中间回路的矢量控制型变频器，具有参数计算、温度补偿等功能，直流制动、变频器间同步运转等功能保证了工作的可靠性；优点是控制可靠、调节精度高、功耗小、节能，具有很好的经济效益。
传动控制装置与电气控制系统的PLC之间可通过多种串行接口进行通讯，如基本方案COM1和COM2(USS协议)，通讯板CBP2或CBC实现PROFIBUS-DP现场总线的连接(亦可为仪表的接入提供可能)，连接到自动化系统，实现数字控制方案，以减少控制电缆的数量并提高可靠性。
高炉主卷扬系统有2台电机同时工作。变频器之间通过SIMOLINK连接在一起。SIMOLINK (Siemens Motion Link)是SIEMENS 开发的一种专用传动技术产品。SIMOLINK 主要用于带有一个共同的系统时钟节拍的所有连接在一起的用户间的同类的MASTER DRIVES 装置间或MASTER DRIVES 装置和上级开环/闭环控制系统间的外部快速和精确的周期性的过程数据的交换(控制信息，设定值，实际值和状态信息)。SIMOLINK 在每一个周期内，依靠其精确的时间间隔和无偏差的SYNC 电报，使所有连接的MASTER DRIVES MC 装置在极快的数据传输中保持高性能的适时性和同步。
通过SIMOLINK和变频器内部编程组态，保证2台电动机同步加、减速，同步运行，输出相同的转矩，保证了2台电动机的静态和动态负载平衡。在减速和制动过程中回馈的能量，通过制动单元消耗在制动电阻上。
宏发炼铁厂单座高炉变频调速系统硬件配置主要有：
整流单元 6SE7041-5HK85-0AA0 1100KW/690V 3台
逆变器 6SE7041-2WL60 1200KW /690V 3台
制动单元 SE7032-1HB87-2DA0 200KW 12台
制动电阻 BRU-200KW 12台
变频电机YPT450-6 550KW 2台
二、 变频调速系统运行初期存在的问题
主卷扬变频调速系统在运行初期采用的是没带测速编码器的闭环控制（图1）。由于没使用测速编码器所以整个控制系统是电流环闭环控制。在电流环闭环控制期间，电机模块（motor model）调节器负责生成预速度，然后预速度值送到速度处理模块（speed processing）处理，经过和设定的变频器参数运算后得出电机速度值送到速度控制器（speed controller）完成闭环控制的反馈单元操作。
从图1看设计思路没有把控制对象—电机包括在闭环系统内。控制系统所谓的闭环是以变频器电流调节为主的内部闭环。
图1 没带编码器的闭环控制（电流环控制）
在motor model中得出的预速度是根据变频器输出的三相电流计算出来的（图2），在变频器系统正常运行期间，整个闭环控制系统speed controller得到的反馈速度是由电流模块、EMF模块（motor model中的两部分）计算得出。此种设计产生的问题就是对闭环控制的控制对象电机转速的反馈精度低、响应时间慢，整个上料过程只有50s～55s，特别是启动过程只有3～5s，如果要在极短的时间内控制好变频器的电流输出那么对闭环控制的反馈精度和响应时间要求就非常高。
图2 motor模块计算预速度
在2BF、3BF开炉初期料车屡次因启动期间电流、转矩过大（图3）导致变频器过电流故障停机，造成料车超极限，情况严重的致使料车损坏。由图3可以看出料车在启动瞬间的启动电流达到参考电流（注1）（Ref Amps）值的175％以上，启动转矩超过参考转矩（注2）（Ref Torque）值190％以上！同时在启动的瞬间由于调节不及时转矩会出现反向作用，此种情况会加剧料车的不稳定。
启动时的高电流、高转矩和转矩反向作用产生的问题就是料车在启动初期运行时抖动很大，运行很不平稳，在给安全生产带来很大隐患的同时对设备如料车、钢丝绳、齿轮箱等的正常使用也有不利的影响。
图3 改造前料车启动时电机电流、转矩曲线
注：蓝色为变频器输出电流，红色为变频器输出转矩
针对出现的此种现象，我们积极联系调试单位共同商讨研究寻找解决问题的方法，经过对现场数据的监测、跟踪后分析认为：
（1） 变频器在启动初期的电流、转矩过大会导致变频器故障停机。变频器设置的最大电流功能参数（P128）为1460A，启动电流达到参考电流的175％，也就是1400A左右。
（2） 在整个闭环运行期间电流环的反馈精度较差和响应速度较慢不能在很短的时间内有效的控制变频器电流、转矩输出。
（3） 整个主卷扬变频控制系统在硬件回路设计上不完善。
（4） 在主卷扬控制系统使用电流环控制不能满足生产要求。
三、 改造系统采取的措施
根据分析出的结论，首先是要把电机包含在整个闭环控制系统内，实现从电流环控制向速度环控制的过渡。第一步是对变频调速系统的硬件回路进行改造，在变频调速系统内加2块DTI板（数字测速机接口板），2台电机尾端各加1个测速编码器。改造后的功能图如图4所示。
图4 带编码器的闭环控制（速度环控制）
由上图看出speed/position processing模块得到的预速度值不再由motor model计算得出，而是由测速编码器经过DTI板送到编码器处理单元（encoder evaluation）然后再送入速度处理模块（speed processing），这就形成了一个真正的闭环控制系统。变频器电流、转矩输出可以根据测速编码器测得的速度反馈及时进行调节，改造后不仅大大提高了整个闭环控制系统的反馈精度，而且其响应时间也得到了提高。Speed controller得到的反馈是精确的、实时的，整个反馈响应时间要比电流环控制提高一个数量级。
改造后的电流、转矩曲线如图5，由图看出改造后料车启动期间的最大电流为参考电流的120％左右，比改造前的175％左右大大的下降，启动转矩为参考转矩135％左右。同时由于响应速度的加快和反馈精度的提高，闭环控制更加及时，料车在启动期间的转矩反向作用消失，闭环控制趋于平稳，改造后料车启动时抖动现象几乎消失，稳定性也大幅度的提高。
图5 改造后料车启动时电机电流、转矩曲线
注：蓝色为变频器输出电流，红色为变频器输出转矩
运行期间由于响应速度加快调节及时，速度实际值和速度设定值的偏差十分的小（图6），减少了因电流环调节慢而引起的运行不稳定。
图6 速度设定值与实际值比较
注：黑色为设定速度，红色为实际速度
改造前后变频器一些主要设置参数的变化如下：
四、 结论
根据从现场观察、监测的情况看，主卷扬变频调速系统改造是成功的。改造前的闭环控制严格意义上说不是真正的闭环，其只是变频器内部的电流环闭环控制，其整个控制系统忽略了最主要的控制对象—电机。改造时增加了必要的硬件设备从而使整个回路形成了真正的闭环控制系统“变频器－>电机－>变频器”。
（1） 改造后主卷扬变频调速系统的过流故障现象再也没出现过。最大电流为参考电流的120％左右，启动电流不超过960A。
（2） 变频器启动转矩为参考转矩的135％左右，且反向作用消失，料车的抖动现象基本消除。
（3） 料车在运行期间速度实际值与速度设定值之间的偏差很小。
（4） 主卷扬系统运行稳定可靠为高炉的稳产、高产提供了强有力的保障。
注1：变频器参考电流功能参数（Ref Amps）P350＝800A
注2：变频器参考转矩功能参数（Ref Torque）P354＝6911Nm
【参 考 文 献】
1、 西门子SIMVORT MASTERDRIVES矢量控制使用大全（上）
2、 西门子SIMVORT MASTERDRIVES矢量控制使用大全（下）
作者单位:江苏沙钢集团宏发炼铁厂
地址:江苏张家港锦丰镇沙钢集团宏发炼铁厂 215625
E_mail:ttl321@sina.com
上料系统是保证高炉正常生产的命脉。高炉冶炼原料必须通过上料系统的主卷扬料车输送到炉缸内，所以它的稳定和顺行直接关系到高炉的正常运行。宏发炼铁厂2BF、3BF上料主卷扬系统采用德国SIEMENS公司的 SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE70系列变频调速系统，配备了两台550KW变频电机，采用3套变频装置即二用一备。
【关键词】
高炉；上料系统；变频器
一、变频器简介及系统硬件配置
SIEMENS公司的SIMVORT MASTERDRIVES 6SE7矢量控制变频装置，由模块化及高性能元件组成，这类装置是具有IGBT逆变器、PWM方式调制、全数字技术的有电压中间回路的矢量控制型变频器，具有参数计算、温度补偿等功能，直流制动、变频器间同步运转等功能保证了工作的可靠性；优点是控制可靠、调节精度高、功耗小、节能，具有很好的经济效益。
传动控制装置与电气控制系统的PLC之间可通过多种串行接口进行通讯，如基本方案COM1和COM2(USS协议)，通讯板CBP2或CBC实现PROFIBUS-DP现场总线的连接(亦可为仪表的接入提供可能)，连接到自动化系统，实现数字控制方案，以减少控制电缆的数量并提高可靠性。
高炉主卷扬系统有2台电机同时工作。变频器之间通过SIMOLINK连接在一起。SIMOLINK (Siemens Motion Link)是SIEMENS 开发的一种专用传动技术产品。SIMOLINK 主要用于带有一个共同的系统时钟节拍的所有连接在一起的用户间的同类的MASTER DRIVES 装置间或MASTER DRIVES 装置和上级开环/闭环控制系统间的外部快速和精确的周期性的过程数据的交换(控制信息，设定值，实际值和状态信息)。SIMOLINK 在每一个周期内，依靠其精确的时间间隔和无偏差的SYNC 电报，使所有连接的MASTER DRIVES MC 装置在极快的数据传输中保持高性能的适时性和同步。
通过SIMOLINK和变频器内部编程组态，保证2台电动机同步加、减速，同步运行，输出相同的转矩，保证了2台电动机的静态和动态负载平衡。在减速和制动过程中回馈的能量，通过制动单元消耗在制动电阻上。
宏发炼铁厂单座高炉变频调速系统硬件配置主要有：
整流单元 6SE7041-5HK85-0AA0 1100KW/690V 3台
逆变器 6SE7041-2WL60 1200KW /690V 3台
制动单元 SE7032-1HB87-2DA0 200KW 12台
制动电阻 BRU-200KW 12台
变频电机YPT450-6 550KW 2台
二、 变频调速系统运行初期存在的问题
主卷扬变频调速系统在运行初期采用的是没带测速编码器的闭环控制（图1）。由于没使用测速编码器所以整个控制系统是电流环闭环控制。在电流环闭环控制期间，电机模块（motor model）调节器负责生成预速度，然后预速度值送到速度处理模块（speed processing）处理，经过和设定的变频器参数运算后得出电机速度值送到速度控制器（speed controller）完成闭环控制的反馈单元操作。
从图1看设计思路没有把控制对象—电机包括在闭环系统内。控制系统所谓的闭环是以变频器电流调节为主的内部闭环。
图1 没带编码器的闭环控制（电流环控制）
在motor model中得出的预速度是根据变频器输出的三相电流计算出来的（图2），在变频器系统正常运行期间，整个闭环控制系统speed controller得到的反馈速度是由电流模块、EMF模块（motor model中的两部分）计算得出。此种设计产生的问题就是对闭环控制的控制对象电机转速的反馈精度低、响应时间慢，整个上料过程只有50s～55s，特别是启动过程只有3～5s，如果要在极短的时间内控制好变频器的电流输出那么对闭环控制的反馈精度和响应时间要求就非常高。
图2 motor模块计算预速度
在2BF、3BF开炉初期料车屡次因启动期间电流、转矩过大（图3）导致变频器过电流故障停机，造成料车超极限，情况严重的致使料车损坏。由图3可以看出料车在启动瞬间的启动电流达到参考电流（注1）（Ref Amps）值的175％以上，启动转矩超过参考转矩（注2）（Ref Torque）值190％以上！同时在启动的瞬间由于调节不及时转矩会出现反向作用，此种情况会加剧料车的不稳定。
启动时的高电流、高转矩和转矩反向作用产生的问题就是料车在启动初期运行时抖动很大，运行很不平稳，在给安全生产带来很大隐患的同时对设备如料车、钢丝绳、齿轮箱等的正常使用也有不利的影响。
图3 改造前料车启动时电机电流、转矩曲线
注：蓝色为变频器输出电流，红色为变频器输出转矩
针对出现的此种现象，我们积极联系调试单位共同商讨研究寻找解决问题的方法，经过对现场数据的监测、跟踪后分析认为：
（1） 变频器在启动初期的电流、转矩过大会导致变频器故障停机。变频器设置的最大电流功能参数（P128）为1460A，启动电流达到参考电流的175％，也就是1400A左右。
（2） 在整个闭环运行期间电流环的反馈精度较差和响应速度较慢不能在很短的时间内有效的控制变频器电流、转矩输出。
（3） 整个主卷扬变频控制系统在硬件回路设计上不完善。
（4） 在主卷扬控制系统使用电流环控制不能满足生产要求。
三、 改造系统采取的措施
根据分析出的结论，首先是要把电机包含在整个闭环控制系统内，实现从电流环控制向速度环控制的过渡。第一步是对变频调速系统的硬件回路进行改造，在变频调速系统内加2块DTI板（数字测速机接口板），2台电机尾端各加1个测速编码器。改造后的功能图如图4所示。
图4 带编码器的闭环控制（速度环控制）
由上图看出speed/position processing模块得到的预速度值不再由motor model计算得出，而是由测速编码器经过DTI板送到编码器处理单元（encoder evaluation）然后再送入速度处理模块（speed processing），这就形成了一个真正的闭环控制系统。变频器电流、转矩输出可以根据测速编码器测得的速度反馈及时进行调节，改造后不仅大大提高了整个闭环控制系统的反馈精度，而且其响应时间也得到了提高。Speed controller得到的反馈是精确的、实时的，整个反馈响应时间要比电流环控制提高一个数量级。
改造后的电流、转矩曲线如图5，由图看出改造后料车启动期间的最大电流为参考电流的120％左右，比改造前的175％左右大大的下降，启动转矩为参考转矩135％左右。同时由于响应速度的加快和反馈精度的提高，闭环控制更加及时，料车在启动期间的转矩反向作用消失，闭环控制趋于平稳，改造后料车启动时抖动现象几乎消失，稳定性也大幅度的提高。
图5 改造后料车启动时电机电流、转矩曲线
注：蓝色为变频器输出电流，红色为变频器输出转矩
运行期间由于响应速度加快调节及时，速度实际值和速度设定值的偏差十分的小（图6），减少了因电流环调节慢而引起的运行不稳定。
图6 速度设定值与实际值比较
注：黑色为设定速度，红色为实际速度
改造前后变频器一些主要设置参数的变化如下：
四、 结论
根据从现场观察、监测的情况看，主卷扬变频调速系统改造是成功的。改造前的闭环控制严格意义上说不是真正的闭环，其只是变频器内部的电流环闭环控制，其整个控制系统忽略了最主要的控制对象—电机。改造时增加了必要的硬件设备从而使整个回路形成了真正的闭环控制系统“变频器－>电机－>变频器”。
（1） 改造后主卷扬变频调速系统的过流故障现象再也没出现过。最大电流为参考电流的120％左右，启动电流不超过960A。
（2） 变频器启动转矩为参考转矩的135％左右，且反向作用消失，料车的抖动现象基本消除。
（3） 料车在运行期间速度实际值与速度设定值之间的偏差很小。
（4） 主卷扬系统运行稳定可靠为高炉的稳产、高产提供了强有力的保障。
注1：变频器参考电流功能参数（Ref Amps）P350＝800A
注2：变频器参考转矩功能参数（Ref Torque）P354＝6911Nm
【参 考 文 献】
1、 西门子SIMVORT MASTERDRIVES矢量控制使用大全（上）
2、 西门子SIMVORT MASTERDRIVES矢量控制使用大全（下）
作者单位:江苏沙钢集团宏发炼铁厂
地址:江苏张家港锦丰镇沙钢集团宏发炼铁厂 215625
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