西門子S120 變頻器在立式板坯連鑄機托輥系統上的應用

劉志杰

（山西云時代太鋼信息自動化技術有限公司，山西 太原 030003）

太鋼不銹鋼立式板坯連鑄機始建于20 世紀80年代中期，分別于1999 年和2004 年對相關設備和控制系統進行了改造升級，托輥傳動系統一直沿用2004 年改造時的西門子6SE70 變頻調速系統。該系統目前穩定性明顯降低，故障率明顯增高，并且由于西門子6SE70 系列產品的停產，備件缺貨嚴重，費用也比較昂貴。通過對托輥舊傳動系統6SE70 升級為西門全新一代變頻傳動技術S120 的應用，使連鑄機生產水平邁上一個新的臺階。

1 連鑄工藝流程簡介

立式板坯連鑄機主要由大包及大包車、中包及中包車、結晶器及振動裝置、引錠裝置、二冷段噴淋系統、38 號39 號40 號拉矯托輥系統、一次火焰切割機、卷揚系統、二次火焰切割機、噴號機器人等組成。

加熱成液體的合格鋼水裝在大包中，由大包車拉運至中包車上方，并把鋼水倒入中包中，中包中的鋼水經管道進入結晶器。結晶器是連鑄機的核心部件，結晶器通過振動裝置的振動及一次冷卻使鋼水形成板型外殼，經引錠裝置、拉矯托輥牽引并由二冷段噴淋水完成冷卻形成凝固板型。一次火焰切割機將板坯按定尺設定切割為板坯塊，接坯小車接住板坯后，通過卷揚斜出坯系統將切割后的板坯輸送至傳輸輥道，然后送至二次火焰切割機，根據訂單需求必要時進行二次切割。最后經噴號機器人噴號后由天車吊裝入庫，完成全流程連鑄坯生產過程[1]。立式板坯連鑄機生產過程流程如圖1。

圖1 立式板坯連鑄機生產過程流程圖

2 托輥傳動系統設計

針對38 號39 號40 號托輥傳動系統舊設備備件停產，系統運行時間長導致電氣線路老化，故障率高，維護資料不全導致維護困難等問題，此次傳動改造包括以上系統柜內主要電氣設備進行重新選型設計，通訊電纜、動力電纜、控制電纜分別敷設防止電磁干擾，控制系統分別獨立設計，各個系統控制參數完全優化，托輥和卷揚整流單元和逆變單元關鍵參數通過Profibus-DP 總線由PLC 進行控制和監控，控制方式采用帶編碼器的閉環矢量控制方式，托輥轉速根據拉坯速度計算之后通過通訊給定，斜出坯速度控制和轉矩控制根據工藝邏輯自動切換，強大的、 圖形化的調試軟件STARTER 和高級面板AOP30 便于調試和故障排查，熱試車前電機分別進行靜態和動態識別，有效提高設備動態性能和控制精度。托輥系統由托輥整流單元，托輥逆變器、輸入電抗器、輸出電抗器、熱繼電器等設備組成。托輥整流單元輸出直流電壓，通過直流母線下帶3 臺書本型逆變器，每個書本型逆變器拖動兩臺異步電機。除40 號電機帶1 個編碼器外，其余都帶兩個編碼器，其中一個將速度值給變頻器，另一個給PLC 系統計算坯長。

控制方式采用閉環矢量編碼器控制方式，通過PROFIBUS-DP 網的遠程通信，由P2 操作臺給出托輥速度給定，通過PLC 處理送入39 號托輥逆變器，根據39 號的電機編碼器反饋到PLC 信號值，經PLC 處理后，將39 號電機速度反饋值作為38 號、40號電機的速度給定值，形成38 號、39 號、40 號托輥的轉速同步。其中整流單元合分閘、整流裝置“運行”“故障”指示、電壓、電流指示通過整流端子設定。逆變單元編碼器、急停、運行指示、故障指示、電流、電壓通過TM31 端子設定；啟停、故障復位、電動、正轉、反轉、固定速度給定控制，變頻器狀態反饋，速度反饋通過PROFIBUS-DP 控制字和狀態字設定。系統結構原理簡圖如圖2。

圖2 系統結構原理簡圖

3 板坯數據動態跟蹤

板坯數據動態跟蹤主要包括引錠數據跟蹤和拉坯數據跟蹤兩部分。

3.1 引錠數據跟蹤

引錠數據跟蹤主要指人工啟動送引錠命令后，引錠桿從開始位，走至結晶器下方，然后進入結晶器中；開始拉坯后，引錠桿自動脫錠后返回引錠存放位的數據跟蹤處理。

引錠頭部位置的計算公式：

式中：P為引錠頭部位置；P0為起始位置；R為托輥半徑；K為托輥減速比；N為編碼器脈沖數/周；n為編碼器計數值。

引錠數據跟蹤是二冷水跟蹤及板坯長度跟蹤的基礎。

3.2 拉坯數據跟蹤

拉坯數據跟蹤主要包括二冷水動態跟蹤、板坯頭部跟蹤、坯尾跟蹤。

拉坯長度的計算公式：

式中：L為拉坯長度；D為結晶器中液位高度；R為托輥半徑；N為編碼器脈沖數/周；K39，K40分別為39號，40 號減速比；n39，n40分別為39 號，40 號編碼器計數值。

動態二冷水模型建立和一次切割啟動命令都依賴板坯頭部位置，因此，拉坯跟蹤數據的準確提供對于降低能源損耗及提高板坯質量有著重要的意義[1]。

4 調試內容

1）舊系統拆除、新設備安裝、校接線。

2）現場安裝完畢，根據原理圖檢查所有接線是否正確牢固，測試所有外部接線正確無誤。

3）托輥整流/回饋單元的調試。檢查控制托輥整流/回饋單元柜內部按照原理圖接線，無接地短路異常；柜內元器件安裝位置順序正確齊全，試驗動作正常可靠。合上逆變柜內每相開關，三套逆變器接入直流母線，逆變器進行上電自診斷。利用AOP30 面板進行預調試，檢查基本參數是否正常。根據電機參數和工藝要求設置參數，利用STARTER 軟件進行參數調試。檢查相關開關量和模擬量輸入輸出是否正常。

4）托輥逆變單元的調試。檢查控制托托輥系統單元柜內元器件安裝是否正確齊全，動作是否正常可靠，根據原理圖進行柜內接線的校驗和確認。根據原理圖檢查所有外部設備與柜子之間的連接手否正確，檢查無接地，無短路現象存在，搖電機絕緣符合要求。用STARTER 軟件對變頻器進行電機靜態識別和速度閉環優化，啟動變頻器，輸入參數并進行優化，觀察電機運轉情況是否達到要求（要求脫開機械設備）。接上機械設備，根據電機實際電流調整顯示電流表，觀察輸出繼電器動作是否正常并作出調整。與PLC 進行聯動試車，測試由PLC 來的控制信號和變頻器傳回的PLC 信號是否滿足要求。

5）托輥系統聯動試車。根據聯動試車出現的問題相應調整系統參數，滿足生產工藝要求。認真記錄試車中出現的問題，仔細分析，及其調整系統的不足之處，滿足現場實際需求。

6）帶負荷試車。

7）試生產。整理整流單元、38 號39 號40 號逆變單元參數表，以39 號為例見表1。

表1 關鍵參數表

5 主要創新點

1）將原有西門子傳動系統6SE70 升級為新一代變頻S120，時間緊，風險高，技術難度大；圖紙和網絡重新設計。

2）每個托輥系統都是一拖二控制，控制精度和同步性調試難度大。

3）編碼器閉環矢量控制和抱閘控制方式結合工藝需要進行適應性優化。

6 結語

托輥系統是整個連鑄工序的核心工序之一。托輥速度不同步直接導致拉坯過程斷澆、停澆和其他嚴重事故發生。本次改造將自主將6SE70 升級為新一代S120 極大地提高了傳動設備動態性能和控制精度，提高了連鑄板坯生產效率和表面質量。