西門子Sinamics S120系列變頻器在煉鋼轉爐傾動上的使用探討和總結

成都市金自天正智能控制有限公司 陳 華

一、引言

Sinamics S120系列是西門子近年來主推的更新一代變頻器，在集成了前代6RA70及6SE70系列變頻器優(yōu)點的基礎上，更更新了調試軟件starter的軟件畫面，讓調試人員更直觀調試，并查找故障問題。同時，相對于其它變頻器系列，S120更在內部集成了DCC（驅動控制圖表）功能，可使用CFC編程語言來實現(xiàn)邏輯、運算以及簡單的工藝等功能，讓變頻器的使用更靈活。

廣西貴港鋼鐵廠在其新建煉鋼轉爐工程中采用了Sinamics S120系列變頻器對其轉爐傾動、氧槍等重要設備進行控制。本文就本次項目中Sinamics S120用在轉爐的情況做一定的闡述和總結。

二、工藝要求

轉爐傾動系統(tǒng)采用4臺電機驅動轉爐，與連接軸采用齒輪剛性連接。根據(jù)工藝，轉爐本體應可以作360°傾動。在正常情況下4臺電機同時動作，由1臺作為主電機另外3臺作為從電機給與轉爐傾動力矩旋轉。4臺電機可以設置為任意一臺作為主電機，當4臺電機其中一臺出現(xiàn)故障時，余下3臺電機可以臨時性的繼續(xù)生產，當4臺電機故障超過2臺時，系統(tǒng)停止。

三、系統(tǒng)配置

本傾動轉爐系統(tǒng)配置選用4臺西門子Sinamics S120功率單元，分別驅動4臺轉爐傾動電機。每個功率單元使用一個CU320-2 D P 控制單元來單獨控制。同時，每個CU320-2DP控制單元在配置一塊CBE20通訊板，使用Profinet協(xié)議在4臺控制單元間進行通訊，通過它們之間的數(shù)據(jù)交換來實現(xiàn)主從控制功能。主電機采用速度閉環(huán)控制，從電機取主電機的力矩輸出作為自己的力矩輸出，跟隨主電機動作，從而實現(xiàn)主從控制功能。

四、具體控制設計方案

本系統(tǒng)設計的控制方案如圖1所示：

圖1

1.主從控制方案介紹

自動化PLC通過Profibus協(xié)議分別鏈接各個控制單元，作為自動化控制通道，讀取各臺電機運轉狀態(tài)，并給主電機控制單元發(fā)送如運行、速度等控制信號，控制傾動主電機用速度閉環(huán)控制方式運行。而各臺控制單元之間使用SINAMICS Link協(xié)議進行鏈接通訊，作為主電機的控制單元將自身接收到的PLC控制命令通過SINAMICS Link發(fā)送給其余三臺從電機的控制單元，作為從電機的控制命令，同時也把經過處理的實際力矩輸出一并發(fā)送給其余三臺從電機的控制單元，作為從電機的力矩給定，而從電機則使用力矩控制方式進行控制。每臺電機的控制參數(shù)設置都有主從兩種控制方式備選，并使用一個數(shù)字量輸入作為主從切換，當此輸入為1時，本電機作為主電機，使用主電機的控制參數(shù)，其余3臺電機主從切換的數(shù)字量輸入則為0，使用從電機的控制參數(shù)。要選擇4臺傾動電機的主從關系，只需要更改主從切換這個數(shù)字量輸入的狀態(tài)就可以了。此時PLC可以按實際情況進行邏輯判斷，切換4臺中的主從關系即可。

2.主從通訊連接的設置

為了將4臺傾動電機連為一起，我們需要使用sinamics Link通訊協(xié)議，通過CBE20來實現(xiàn)4個控制單元CU320-2DP之間的數(shù)據(jù)交換。發(fā)送及接收數(shù)據(jù)常用的節(jié)點包括帶有CU的驅動單元及連接的驅動對象（DOs）。SINAMICS Link的報文為16個固定的過程數(shù)據(jù)空間（PZD），每個PZD為一個字節(jié)長度。不需要的部分填零。

每個節(jié)點發(fā)送一個16個PZD的報文。一個驅動對象從每個連接的其它DO處最多可以接收16個PZD。可接收或發(fā)送單字和雙字。雙字需要2個連續(xù)的PZDs。

傳送時間：當使用SINAMICS Link（對于一個控制周期，最大0.5ms；總線周期2.0ms）時，傳送時間可以為3.0ms。

此時每臺CU320-2DP有兩路通訊，一路為IF1 Profibus-DP通訊，用于與自動化上位機進行通訊。一路為IF2 Profinet通訊，用于4臺變頻器控制單元之間的通訊。在設置主從通訊時，要給4臺傾動控制單元分別設置1號～4號4個裝置的站地址。同時，每臺傾動控制單元都將各自的控制字、轉矩給定發(fā)送到自己Profinet通訊的發(fā)送區(qū)等待其余3臺傾動控制單元讀取，同時，將另外3臺控制單元的控制字和轉矩給定數(shù)據(jù)讀到自己的接收字緩存區(qū)待用。

3.具體主從邏輯判斷設置

在各個傾動控制單元內我們設有主從兩組不同參數(shù)，通過主從控制選擇數(shù)字量輸入來進行切換，當主從選擇數(shù)字量輸入為1時，控制單元切換到主參數(shù)進行控制，即選擇PLC傳送過來的控制信號作為控制命令。當主從選擇數(shù)字量輸入為0時，控制單元切換到主參數(shù)進行控制，即通過內部使用DCC編程后的邏輯判斷來自動選擇取哪一臺為主的電機控制信號作為自身的控制命令。

DCC（drive control chart）是在Sinamics系列變頻器可使用的可編程環(huán)境，可通過圖形化的可編程語言（CFC）來編程滿足驅動系統(tǒng)的相關功能。DCC包含很多邏輯編程的基本功能，如：算術、閉環(huán)控制、字符轉換、邏輯、系統(tǒng)、工藝指令等。在本次傾動項目上我們主要選擇使用其邏輯里的選擇功能塊。當電機為從狀態(tài)時，我們通過邏輯程序編程實現(xiàn)對主電機控制源的有效選擇，具體編程如圖2、圖3所示：

圖2

圖3

在以上程序中，我們選用NSW功能塊（量選擇器，見圖2）來選擇應該接收到的力矩給定，用BSW功能塊（位選擇器，見圖3）來選擇應該接收到的控制給定，用另外三臺傾動控制單元的主從選擇傳送過來的位信號，三個疊加選擇后來判斷應選擇的力矩給定和控制給定來源。因4臺控制單元有且僅有一臺的控制位為主狀態(tài)，故最終選擇只能選到唯一的主控制給定，不會出現(xiàn)多臺主的沖突而導致輸入值混亂。

五、結論

綜上所述，在煉鋼轉爐系統(tǒng)的方案設計中，選用西門子Sinamics S120系列變頻器來驅動轉爐傾動系統(tǒng)是沒有問題的，可以完全替代以前使用6SE70等其它方案。并且在廣西貴鋼新建轉爐的這個項目中，運行良好，達到了預期的控制需求，滿足工藝。