转炉倾动系统传动及控制

【摘要】湖南华菱湘潭钢铁有限公司宽厚板厂转炉倾动传动系统采用西门子低压变频器，由一套西门子S7-400PLC进行外部信号的采集及传动变频器的启停及主站给定信号的控制，同时对变频器的反馈信号做出处理。本文介绍了电控系统的基本组成，传动系统的力矩平衡控制及主站的选择。着重介绍了SIMOLINK在该系统中的应用。

【关键词】力矩平衡；SIMOLINK；主从控制

2005年湖南华菱钢铁有限公司宽厚板厂正式投入生产运行。宽厚板厂的转炉炼钢倾动装置采用全悬挂扭力杆平衡型式。它由以下几部分组成：驱动电动机、一次减速机、二次减速机、扭力杆平衡装置和装置等。一次减速机总共有4台，每台一次减速机由一台变频电机电机驱动。变频电动机为江西特种电机厂产品，电机的主要参数为：电机的额定功率132kW；电枢电压380V；电机额定转速735r/min。倾动装置正常时四台电动机均需投入，且保持力矩平衡，当有一台电动机故障时允许三台电动机工作，当选择三台以下电动机运行时报警提示。转炉倾动共有四档速度，速度控制采用西门子交流调速装置实现。在各交流变频器和PLC之间有PROFIBUS-DP通讯，实现数据、状态的及时传递。四台交流变频器之间还组成了一个SIMOLINK网，采用主从控制方式。主站速度由PLC给定，其它从站为转矩控制方式，将跟随主站的输出力矩进行调整，以平衡力矩。

1.倾动系统的转矩平衡控制

由于转炉的倾动由4台电机传动，若由一台变频器集中供电，由于机械特性的差异，在4台电机速度相同的情况下（刚性连接使它们的速度必然相同）势必造成4台电机的电流或力矩差异，如图1所示。

图1 电机机械特性示意图

如图1所示，当机械特性差异较大时，很可能造成一台或多台电机满负荷或过负荷工作，而其它的电机半负荷工作或根本就不出力，造成设备资源的浪费，甚至频繁跳闸，影响生产。为了解决这个问题，我厂采用由4台变频器分别对4台电机单独供电。但必须指出的是，采用4台变频器对刚性连接的电机供电是一面双刃剑，用得好不仅可以完全消除静态误差，动态特性也可以几乎完全一致；用得不好，其后果可能比单台变频器供电更糟，不仅存在静态误差，动态特性的差异可能使电机交替扮演电动和发电的角色，造成齿轮和连接轴的频繁冲击，引起材料的疲劳损伤，从而使轴断裂。

主从控制方式为我们提供了一个解决这个问题的很好办法。由于从站的给定来自于主站的输出转矩。由图3所示，4台变频器共用了一个电流给定，因而不仅没有静态误差，其传动特性也基本一致，而且其工作方式灵活多变。

为了更好的实现主从控制方式，我厂在四台变频器之间组成了一个西门子专用的SIMOLINK网。SIMOLINK（Siemens Motion Link）是以光纤电缆为传输介质的数字串行数据传输协议，其应用之一就是可以实现单个传动装置之间在共同系统时钟下所有连接站的同步，快速及精确的过程数据（控制信息、给定值、实际值及状态信息）的周期传输。其传输速率最高可达11Mbit/s，它可以应用于装置对装置功能，也能应用于主/从功能。其应用也比较简单。在每一个变频器中安装一块SIMOLINK板，板之间用光纤连接。硬件连接正常后，对变频器进行站地址等简单的参数设置后，SIMOLINK网络就组建完成并可以应用了。在我厂的实际应用中主站设定P751.2=K165，从站中设定P486=K7002，这样就可以实现从站的给定值来源于SIMOLINK接收的主站第二个字。而主站传出的第二个字为主站的转矩限幅输出值。最终实现了从站给定值跟随主站的输出转矩而变化。

2.主站的选择

由于整个系统是由四套完全一样的调速系统组成，而采用的是一主三从的控制方式。又由于倾动系统在整个转炉系统功能中的特殊性，跟据工艺的要求当有一台电动机故障时允许三台电动机工作。所以要求主站有唯一性并能自动转换。所谓唯一性，就是说在正常运行时，只有一个主站。在主站出现故障而跳闸时，三个从站中有一个自动转为主站，其它两个从站转而跟随新的主站。我厂倾动系统是这样实现该功能的，在正常工作时，即四台电机一起工作时，我们设定第一台为主站，在第一台变频器中，我们设定主从选择参数P587=0，即始终为主站。在其它几台变频器中，我们设定主从选择参数P587=19，即该参数由CUVC板上的数字量输入5的反相信号决定。当CUVC板上的数字量输入5的信号为低电平时，该站为从站，当CUVC板上的数字量输入5的信号为高电平时，该站为主站。数字量输入5接一个外部继电器的接点，而该外部继电器的吸合由主PLC控制。这样由PLC和变频器的I/O共同组成了该系统的主站选择功能。在四台电机都正常工作的情况下，第一台变频器为主站，其它三台跟随其运行。当第一台变频器出现跳闸故障时，PLC通过变频器的状态获取该信息并作出处理。将第二台变频器的主从选择外部继电器吸合，这样第二台变频器自动变为了主站，其它两站跟随其运行。

3.抱闸的控制

由于转炉工艺的特殊性，要求该系统的启动和停止过程要很快，否则会造成下渣等工艺事故。由于这样的工艺要求，对抱闸的控制变得特别重要。转炉由于抱闸的作用，可以停在任何位置，也就是说要在任何位置都能启动。如果抱闸控制得不好，由于转炉自身重力的作用，可能造成转炉溜车等较严重的事故。我厂倾动系统的抱闸开关是由变频器直接控制，西门子变频器本身就带有抱闸控制的功能。我们就应用了该功能，抱闸并不是启动信号一到就打开，因为这样会造成转炉溜车甚至无法启动。变频器在接到启动命令后对电机输出，当建立一定的力矩后，变频器才会输出开抱闸的信号。开抱闸的阀值由P611进行设定。为了降低对机械设备的冲击，关抱闸的信号也不是停止信号一到就发出，而是通过一个比较功能，当系统的转速降到某一个值时，变频器才会发出关抱闸的信号。因为四台电机的抱闸必须同时打开，而整个系统有四台变频器，到底是由哪一台变频器来控制整个抱闸系统呢？在最初的设计中，四台变频器的抱闸控制信号是并联的。这种控制存在一个问题，因为变频器当其中的一台变频器出现故障时，可能造成抱闸不能关闭，而这种软故障是非常难查找和解决的。抱闸不能正常关闭对装有液态钢水的转炉来说造成的后果将是非常严重的。新炉试生产时就曾出现过这样的事故。为了最大限度的保证抱闸能正常的关闭，我们对原设计进行了改进。将主从控制的外部继电器的接点串入了抱闸控制回路中，只有主站的抱闸控制信号才是最终有效的信号。另外我们还将变频器故障、系统溜车等信号并入了关抱闸的控制中。经过这一系列的改造后，转炉未出现由于溜车而造成的事故。

4.转炉转动角度的处理

由于转炉工艺过程中，转炉有几个实用的位置，如兑铁位、出钢位等，另外，转炉的速度与其位置也有一定的联锁关系，如我厂的转炉在到了前后70度后，转炉的速度就自动降为一档（最低速）。我厂转炉转动的角度是这样获得的，转炉的耳轴上装有一个多模的绝对位置编码器，通过以下简单的公式就可以计算出转炉的位置。

W=K*（P1-P0）

其中：W表示转炉的实际位置

K表示一个转换系数：每变化一个单位的位置值对应的角度变化

P1表示实时的位置值

P0表示转炉在垂直位时的位置值

K是经过多次试验计算出来的一个系数。而为了获得转炉在垂直位时的位置值。在转炉的耳轴上方安装了一个接近开关，每次转炉到达垂直位置时，该接近开关就会发一个信号到PLC，PLC马上记录下此时编码器的值并保存下来直到下一次转炉重新到达垂直位。

5.实际运行过程

PLC与变频器通过DP网进行通讯，当控制室摇炉手柄离开零位时，PLC给各变频器发出启动信号，并将速度给定发给主站变频器，主站变频器接到上述信号后马上输出，各从站通过SIMOLINK网获得主站变频器转矩值作为自身的给定进行控制输出。当系统转矩达到一定的值后，主站变频器发出抱闸打开信号，系统抱闸打开，转炉开始转动。系统通过转炉耳轴上安装的编码器获得转炉实际的角度，并根据实际的角度对转炉的转速进行适当的调整。当控制室摇炉手柄回到零位时，系统根据变频器设定的下降曲线进行降速。当系统速度降到一定值时，变频器发出关抱闸信号。系统抱闸关闭，转炉在抱闸的作用下停止转动。

6.结束语

该控制系统自投入以来在我厂运行稳定。

作者简介：谭建军（1972-），男，华菱湘潭钢铁厂技术工程师，研究方向：工业电气自动化。