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變頻器主從控制在高爐上料系統(tǒng)控制中的實(shí)施

來源：發(fā)布時(shí)間：2021-07-16 ?點(diǎn)擊量：

通過變頻器主從控制在高爐上料系統(tǒng)控制中應(yīng)用案例，介紹變頻器主從控制原理、控制方案的選擇和具體實(shí)施細(xì)節(jié)，為儀表工和電工深入了解變頻器主從控制相關(guān)知識(shí)。

1、變頻器主從控制原理
變頻器主從控制即使用多個(gè)變頻器控制一個(gè)或一組負(fù)載，負(fù)載之間通過剛性或柔性耦合。外部信號(包括起動(dòng)、停止、給定信號等)只與主機(jī)變頻器相連，主機(jī)通過光纖將從機(jī)控制字和轉(zhuǎn)速給定值、轉(zhuǎn)矩給定值廣播給所有的從機(jī)，實(shí)現(xiàn)對從機(jī)的控制。從機(jī)一般不通過主從通訊鏈路向主機(jī)發(fā)送任何反饋數(shù)據(jù)，從機(jī)的故障信號單獨(dú)連至主機(jī)的運(yùn)行使能信號端，形成聯(lián)鎖。一旦發(fā)生故障，聯(lián)鎖將停止主機(jī)和從機(jī)的運(yùn)行。

圖1 ABB變頻器主從連接(注：T=發(fā)送器；R=接收器；RMIO=I/O和控制電路板)

圖2 ABB從機(jī)故障信息配線
變頻器主從控制應(yīng)用注意點(diǎn)：一般主機(jī)采用速度控制，而從機(jī)采用速度還是轉(zhuǎn)矩控制要視主從電機(jī)軸是采用什么方式耦合，主從之間采用剛性連接時(shí)從機(jī)需采用轉(zhuǎn)矩跟隨，柔性連接時(shí)要采用速度跟隨。因?yàn)榍罢邇山M傳動(dòng)裝置間不能存在速度差異，后者會(huì)存在速度差異。

2、高爐上料工藝對傳動(dòng)系統(tǒng)的要求
在高爐上料系統(tǒng)控制中，上料小車的控制是整個(gè)電控系統(tǒng)的核心部分。它是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求,把槽下備好的不同料類和不同重量的原料及時(shí)、安全、準(zhǔn)確定位地運(yùn)送到高爐爐頂，保證高爐的正常生產(chǎn)，一但控制出現(xiàn)故障，將直接影響高爐的生產(chǎn)。

高爐原料從槽下輸送到爐頂。小車輸送方式是：小車卷揚(yáng)機(jī)采用交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，電機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制，牽引通過鋼絲繩連接的兩臺(tái)料車在斜橋上一上一下交替工作，為了能對小車做到精確控制，控制系統(tǒng)必須具備以下條件：
①系統(tǒng)能頻繁起動(dòng)、停止。
②系統(tǒng)能正、反雙向控制。
③系統(tǒng)能做到無極調(diào)速，調(diào)速范圍大、平滑性較高，做到平穩(wěn)起動(dòng)－加速－穩(wěn)定運(yùn)行－減速－平穩(wěn)停車。
④系統(tǒng)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，做到平穩(wěn)起動(dòng)。
⑤系統(tǒng)在停車時(shí)做到穩(wěn)定、精確定位，防止料車過頭。
⑥在零速時(shí)維持大轉(zhuǎn)矩輸出，防止料車起動(dòng)和停車時(shí)重載下滑。

圖3 高爐料車系統(tǒng)
上料工藝對料車控制的最主要的要求是：在起動(dòng)或停車的瞬間也就是在零速時(shí)，變頻器必須有最大的轉(zhuǎn)矩輸出，以防止料車下滑，因此在起動(dòng)時(shí)對轉(zhuǎn)矩的要求大于對速度的要求。

3、傳動(dòng)系統(tǒng)的方案選擇
當(dāng)前交流變頻調(diào)速系統(tǒng)主要為矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct torque control，簡稱DTC)。直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達(dá)到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計(jì)算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計(jì)算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，因此DTC直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)可以做到轉(zhuǎn)矩的建立優(yōu)先于速度。市面上各種品牌的變頻器控制方式大多采用矢量控制，而ABB采用獨(dú)特的DTC直接轉(zhuǎn)矩控制方式，因此在設(shè)計(jì)中選用ABB的ACS800系列變頻器。

本案例中，根據(jù)生產(chǎn)工藝負(fù)載的需要，計(jì)算出拖動(dòng)負(fù)載電機(jī)的容量為700KW。如果采用單電機(jī)傳動(dòng)，電機(jī)、減速機(jī)等機(jī)械設(shè)備體積和重量龐大，對安裝和日后的維護(hù)帶來不方便，而且工作量大，同時(shí)控制系統(tǒng)的變頻器所需的容量大、價(jià)格昂貴。在啟動(dòng)和運(yùn)行過程中，電機(jī)電流大，對電氣設(shè)備、電纜要求等級高，這都增加了投資成本。最后決定采用多傳動(dòng)控制方案。

4、變頻器主從控制方案的實(shí)施細(xì)節(jié)
4.1 本案例中主要設(shè)備如下：
①4臺(tái)ACS800-07-0770-3變頻器，每兩臺(tái)為一組主從控制系統(tǒng)，雙套機(jī)組為“一用一備”；
②兩臺(tái)ABB 380V 355kW（HXR450L G8）交流電機(jī)；
③兩臺(tái)ZSY710-22.4減速機(jī)(中硬齒面，減速比22.4)；
④4臺(tái) YWZ9-800/301料車機(jī)械制動(dòng)器(三相AC380V)；
⑤2只庫伯勒(kuebler) 絕對單圈軸型編碼器8.5852 1232 G121；
⑥4套LK4-188/3主令控制器(i=1:20，10A，380V，24路出點(diǎn))；
⑦兩套保護(hù)控制柜；
⑧4套制動(dòng)電阻柜；
⑨兩套電源切換柜。

4.2 變頻器主從參數(shù)設(shè)置
在高爐上料傳動(dòng)系統(tǒng)中，主機(jī)和從機(jī)的電機(jī)軸通過減速箱、鋼絲繩卷筒進(jìn)行剛性連接在一起，因此主機(jī)應(yīng)該采用速度控制模式，從機(jī)應(yīng)該采用轉(zhuǎn)矩控制模式，以使傳動(dòng)單元之間不存在速度差異。所有的外部控制信號將只連接到主機(jī)上數(shù)字輸入口DI1—DI6，而從機(jī)的控制信號通過光纖從主機(jī)通訊獲得，不需另接外部控制信號。由于從機(jī)不會(huì)通過串行主/從機(jī)的連接向主機(jī)反饋任何數(shù)據(jù)。因此單獨(dú)使用一根電纜將從機(jī)故障信息端口RO3傳送給主機(jī)的啟動(dòng)聯(lián)鎖端口X22組的８和11號端子。該連接在從機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，主機(jī)和從機(jī)都會(huì)停止運(yùn)行。

表1列出了在主、從控制應(yīng)用中需要調(diào)整的參數(shù)。

表1 ACS800主從控制參數(shù)更改表

4.3 電機(jī)運(yùn)行方向和多步速度控制的實(shí)現(xiàn)
以下的線路連接和參數(shù)設(shè)定只在主機(jī)上完成。

4.3.1 電機(jī)起動(dòng)、運(yùn)行方向的控制
高爐上料計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由一套施耐德Quantum PLC控制的。料車的控制分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式，自動(dòng)由PLC完成，手動(dòng)由操作箱完成。由于上料小車是一個(gè)重載負(fù)荷系統(tǒng)，考慮到控制的安全性問題，在設(shè)計(jì)中采用通過電纜一對一信號傳輸控制，PLC輸出兩個(gè)正、反向運(yùn)行數(shù)字信號I0.1、I0.2以及手動(dòng)開關(guān)信號通過控制選擇，通過必要的保護(hù)聯(lián)鎖后，連接到變頻器的DI1和DI2兩個(gè)輸入點(diǎn)，完成變頻器的起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、停車的控制。在完成了外部連線后必須對變頻器內(nèi)部相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要設(shè)置參數(shù)如表2：

表2 ACS800主從控制參數(shù)更改表

4.3.2 料車運(yùn)行過程中的速度控制
上料小車在整個(gè)運(yùn)行過程中，要經(jīng)過五個(gè)不同速度階段，速度運(yùn)行圖如圖4所示。
①起動(dòng)加速階段：料車在坑底從零速以較小的加速度上升至于鋼軌斜橋拐點(diǎn)a處；
圖4 料車運(yùn)行速度
②從鋼軌斜橋拐點(diǎn)a處以較大的加速度直接加速到高速(450r/min)階段；
③高速運(yùn)行450rpm/min階段；
④在距爐頂10米處，減速運(yùn)行到150rpm/min階段，b點(diǎn)到d點(diǎn)；
⑤ 停車運(yùn)行階段，d點(diǎn)到e點(diǎn)。

上料系統(tǒng)小車在不同速度階段和停車點(diǎn)的位置控制是非常重要的，若減速位置滯后，在停車時(shí)速度太快、設(shè)備竄動(dòng)大，會(huì)造成料車“掛頂”，損壞設(shè)備；若停車點(diǎn)提前造成料車不到位，原料不能到受料斗。為了實(shí)現(xiàn)料車的精確定位，通過凸輪式主令控制器和絕對式編碼器來實(shí)現(xiàn)精確定位。

凸輪式主令控制器經(jīng)過減速機(jī)連接在料車鋼絲繩卷筒的軸上，由于卷筒軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)主令控制器凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致主令控制器各個(gè)相應(yīng)機(jī)械觸點(diǎn)的閉合或斷開，就可不斷給出料車的各個(gè)位置信號，分別有：“料車在底部”、“料車減速”、“停車”、“抱閘”、“減速檢查點(diǎn)”、“超極限”、“上密檢查點(diǎn)”等行程位置信號。

料車在底部時(shí)，主令控制器“料車減速點(diǎn)”位置信號為常閉點(diǎn)，連接到變頻器的DI4 數(shù)字輸入端子，此時(shí)變頻器速度設(shè)置值為450r/min。在料車距爐頂10M時(shí)，主令控制器“料車減速點(diǎn)”信號斷開,變頻器DI4信號消失，變頻器速度設(shè)置值切換為150rpm/min，料車開始減速運(yùn)行。

在料車減速運(yùn)行的c點(diǎn)為“減速檢查點(diǎn)”，PLC將通過編碼器位置信號檢測料車是否超速；同時(shí)，通過變頻器內(nèi)部編程，用變頻器內(nèi)部檢測電機(jī)是否超速，輸出繼電器DO3從電氣回路連鎖料車超速。一旦檢測到料車超速，上述兩個(gè)措施都會(huì)立即停止變頻器輸出。
為了實(shí)現(xiàn)料車的平穩(wěn)起動(dòng)，在ABB變頻器自定義編程里定義了料車加速的“斜坡切換”：在料車啟動(dòng)后的18秒內(nèi)，以較長的加速時(shí)間加速，從0點(diǎn)運(yùn)行到a點(diǎn)；料車在平穩(wěn)經(jīng)過鋼軌斜橋拐點(diǎn)后再以較短的加速時(shí)間加速到450rpm/min。

料車停車位置由主令控制器在離爐頂0.5M的d點(diǎn)處將信號發(fā)給PLC，PLC將輸出給變頻器的正反運(yùn)行信號設(shè)置為“00”，此時(shí)變頻器通過斜坡減速后到轉(zhuǎn)速1rpm/min時(shí)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、精確停車。

主令控制器的“超極限”信號，是料車到高爐頂部的超極限保護(hù)點(diǎn)f，也通過電氣回路，串聯(lián)到變頻器的“零壓”保護(hù)信號點(diǎn)。是最后一個(gè)保護(hù)點(diǎn)，以防料車沖頂。
表3為變頻器實(shí)現(xiàn)速度控制的主要參數(shù)和自定義編程：

表3 ACS800速度控制參數(shù)

5、制動(dòng)方式的選擇和實(shí)現(xiàn)
為防止料車在起動(dòng)時(shí)后退下滑事故的發(fā)生和實(shí)現(xiàn)爐頂?shù)木_停車，電機(jī)的制動(dòng)措施的實(shí)施是關(guān)鍵。

5.1 變頻器起動(dòng)、停車方式的選擇
根據(jù)高爐上料系統(tǒng)中料車的起動(dòng)是重載起動(dòng)，而且電機(jī)起動(dòng)必須與機(jī)械制動(dòng)釋放同時(shí)進(jìn)行，因此在變頻器中選擇電機(jī)起動(dòng)的方式的參數(shù)“21.01 START FUNCTION”必須選擇為“CNST DC MAGN”（恒定直流勵(lì)磁方式），為確保在需要高瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩應(yīng)用場合的需要，恒定預(yù)勵(lì)磁時(shí)間要設(shè)置到足夠長，以產(chǎn)生足夠的勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩。預(yù)勵(lì)磁時(shí)間在參數(shù)“21.02: CONST MAGN TIME”中根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定。

為保證料車的平穩(wěn)、精確停車，減少電機(jī)和機(jī)械設(shè)備的竄動(dòng)，變頻器中選擇電機(jī)停車方式的參數(shù)“21.03: STOP FUNCTION”必須選擇為“RAMP”(斜坡減速停車方式)。

5.2 電氣制動(dòng)方式的選擇
ACS800變頻器內(nèi)部有電磁制動(dòng)和直流制動(dòng)兩種電氣制動(dòng)方式，我們?yōu)榱吮ＷC料車的平穩(wěn)、精確停車，減少電機(jī)和機(jī)械設(shè)備的竄動(dòng)，電機(jī)停車方式選擇為斜坡減速停車方式，而斜坡減速過程是在運(yùn)行信號斷開以后。而運(yùn)行信號斷開以上兩種制動(dòng)方式立即失效，達(dá)不到制動(dòng)目的。因此采用制動(dòng)斬波器和制動(dòng)電阻器進(jìn)行制動(dòng)，可以通過變頻器的“27 BRAKE CHOPPER”（制動(dòng)斬波器控制）中的6組參數(shù)對有效性、控制模式、電阻值、熱時(shí)間常數(shù)、過載保護(hù)、功率值等進(jìn)行設(shè)置。

5.3 制動(dòng)的控制
上料料車在停車后或運(yùn)行過程中可能發(fā)生突然停電等故障，這時(shí)電機(jī)處于無力矩狀態(tài)，重車將下滑，必須有外部的機(jī)械制動(dòng)才能控制，可采用大推力液壓抱閘制動(dòng)器。而液壓抱閘制動(dòng)器在松開和閉合過程中都有滯后性，同時(shí)起動(dòng)過程是重載，電機(jī)需要建立足夠的轉(zhuǎn)矩和電流，制動(dòng)器才能松開，所以對制動(dòng)器的控制是非常關(guān)鍵的。ACS800變頻器機(jī)械制動(dòng)控制功能就可以實(shí)現(xiàn)對外部制動(dòng)器的精確控制。

在料車啟動(dòng)瞬間，首先要檢測變頻器輸出力矩是否足夠。在判斷建立了足夠的轉(zhuǎn)矩和電流后，變頻輸出繼電器DO2得電，加入抱閘接觸器得電條件的連鎖，控制液壓抱閘的打開。參數(shù)設(shè)置如下：

表4 啟動(dòng)力矩判斷的自定義編程

為了保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，外部制動(dòng)器除了受變頻器控制外，在其控制線路上還必須串入位置檢測保護(hù)信號、超極限保護(hù)信號、變頻器故障信號、零壓保護(hù)信號、急停開關(guān)、鋼絲繩“松繩”、“變頻低速”等聯(lián)鎖保護(hù)信號，做到某一故障發(fā)生時(shí)能即時(shí)制動(dòng)。選擇停車方式是斜坡減速停車同時(shí)使用了機(jī)械制動(dòng)功能，在故障需要立即停車也就是在參數(shù)“21.07 RUN ENABLE FUNC”選擇“OFF3 STOP”（急停停車）功能時(shí)，變頻器也是以“斜坡減速停車”為主，無法立即停車，但在變頻器上有一個(gè)啟動(dòng)聯(lián)鎖端口X22組的8和11號端子，在正常工作時(shí)必須短接，如果斷開，變頻器立即封鎖輸出，因此我們把急停開關(guān)、故障停車等信號接入8和11號端子之間，需要立即停車時(shí)斷開這兩個(gè)端子之間的連接，保證了料車的安全。

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