S120在薄帶鑄軋主軋機控制系統上的應用

董云鵬，季寶偉，隋大偉，徐艷松，馬潔

（天津電氣科學研究院有限公司，天津 300180）

薄帶鑄軋技術是當今鋼鐵工業最具發展潛力的一項冶金前沿新技術，也是一種短流程、低能耗、低投資、低成本和綠色環保的新工藝。冶金生產工藝短流程是相對于傳統的鋼鐵生產工藝而言的，在技術上突出的特點是縮短加工周期和后續加工環節，由金屬熔體直接得到所需的制品。它打破了傳統帶鋼生產工藝模式，直接將鋼水澆筑成薄帶鋼，實現鑄軋一體化，使鋼鐵生產流程更緊湊連續、高效環保。

SINAMICS 是西門子公司推出的全新模塊化的驅動器控制系列，應用于工業領域的機械設備生產和工廠設備。其中，SINAMICS S120 以其良好的控制精度和優異的動態特性，廣泛應用于各個工業領域中要求苛刻的驅動場合。本文以某短流程薄帶鑄軋項目生產線主軋機為例，來介紹其控制和應用。

1 工藝流程及設備簡介

經煉鋼后的原料首先進入鑄軋區，在鑄軋區冷凝結晶成帶狀經運送輥道進入主軋機，主軋機按照成品規格進行軋制，軋制后帶鋼經過冷卻進入卷取機卷取成型，然后打捆運送至成品區。其主要工藝流程和設備組成如圖1所示。

圖1 生產線工藝布置簡圖Fig.1 Process layout of production line

1.1 鑄軋區

鑄軋區包含主要設備有：大包回轉臺、中間包及雙輥鑄機等。

大包回轉臺的主要作用是為實現多爐連續生產提供鋼水，當一包鋼水澆完時，通過快速旋轉把另一包鋼水送到中間包上方；中間包的主要作用是在更換大包時為機組提供連續的鋼水。

雙輥鑄機是由一對反向旋轉、中間通水冷卻的鑄輥（結晶輥）和兩側的側封板組成，結晶輥是薄帶鑄軋特有的設備，是薄帶鑄軋的核心。鋼水從中間包的水口流出，通過分配器和布流器，均勻地灑落到由一對結晶輥和一對側封板組成的熔池里，然后旋轉的結晶輥使鋼水快速凝固成帶，隨后送到軋機。

1.2 軋機區

該區域主要由1 臺四輥軋機、1 套快冷裝置以及飛剪組成。其中四輥軋機為主軋機，其機座由4 個位于同一垂直平面內的水平軋輥組成，軋制是在兩個工作輥中間進行。軋機配有多功能儀表，配合AGC 系統能使板帶的縱向厚度偏差處于可控狀態，實現厚度自動控制。快速冷卻裝置位于主軋機后，用以實現帶鋼的快速、均勻冷卻，并進行卷取溫度控制。軋制后的帶鋼經過快冷裝置進入飛剪，飛剪是連續帶鋼生產線的常規設備，起到頭尾剪切和分卷的作用。

除此以外還有4臺夾送輥，分別位于軋機前、后，各1 臺；飛剪前、后，各1 臺。其作用一方面為引導帶鋼進入軋制線并向后運輸，另一方面，更重要的是起到帶鋼糾偏和建張的作用。

1.3 卷取及運輸區

卷取機是帶鋼生產線重要的輔助設備，具有生產效率高、卷取速度快而鋼卷密實等特點[1]。

此區域主要包含2 臺地下式卷取機和1 套鋼卷運輸設備。2 臺卷取機交替使用，其主要作用有兩點：控制軋機出口張力和將帶鋼卷取成卷。運輸區的作用是將打捆完成的鋼卷運送至卸卷區域，以便貯存和運輸。

2 主軋機電氣控制系統

2.1 電機數據

主軋機電機為鼠籠型三相異步電動機，采用雙繞組接線形式。詳細電機數據為：功率2 000 kW，轉速（基速/高速）500/1 000 r/min，頻率（基速/高速）25.25/50.8 Hz，電壓660 V，電流2×1 052 A，功率因數（基速/高速）0.86/0.9，6極電機。

電機運行工況為S9工作制，對電機過載能力要求為：基速以下1.15 倍額定連續負載，180 s 過載1.5 倍額定負載，60 s 過載1.75 倍額定負載，20 s 過載2 倍額定負載，2.25 倍額定負載時切斷；高速過載：1.5倍額定負載運行60 s。

2.2 傳動系統的配置

傳動系統選用西門子公司SINAMICS S120系列全數字電壓型逆變器加由整流/回饋單元構成公共直流母線供電方式。

該臺電機作為軋制生產線主軋機電機，有著沖擊型負荷的特點，其空載運行時電流很小，在其運行周期或非周期內會突增負荷，電機會以過載狀態運行。針對此負載類型電機，在進行裝置選型時，需按重載曲線進行選型。

2.2.1 逆變裝置

鑄軋主電機為雙繞組電機，為滿足電機的過載使用要求，采用兩臺西門子800 kW 裝機裝柜型電機模塊并聯為每個繞組提供驅動，即4 臺裝置兩兩并聯共同驅動1臺電機。電機模塊額定功率為800 kW，額定電流810 A，以300 s 的負載循環時間作基準，裝置具有150%過載60 s 或160%過載10 s 的能力。在此高過載工況下，裝置過載前后的基本負載電流IH為724 A，會低于額定電流。電機模塊并聯使用需考慮5%的降容[2]。裝置容量的效驗結果如表1所示。

表1 裝置容量效驗Tab.1 Device capacity validation A

西門子SINAMICS S120 系列變頻裝置的并聯使用，具有結構簡單、調試方便等特點，且無需均流互感器等設備，有利于節省成本。

2.2.2 整流回饋裝置

主軋機的上、下輥電機采用各自獨立的公共直流母線形成獨立的控制系統。每臺電機選用2臺1 400 kW 整流/回饋單元并聯為逆變器供電，供電部分通過二極管整流橋進行，電能回饋則通過IGBT 進行，再生饋電持續效率可達到100%。在一個電源周期中每個IGBT 只導通和關斷一次，在三相橋式整流的自然換流點（導通延遲角α=0°處）開始導通，持續120°后關斷，在電網故障或進線電壓降低過多時，立即關斷所有IGBT，二極管橋阻止逆變電流通過，從而避免逆變顛覆的發生[3]。

該非調節型電源模塊在未接地電網（IT 電網）上運行時，應拆下抗干擾電容連接片，否則當系統發生單相接地故障時，抗干擾電容會因承受過電壓而發生損壞，也容易擴大事故范圍。

2.2.3 控制單元配置

控制單元采用CU320-2 DP 以實現高精度矢量控制。軋機上、下輥電機各配有一臺CU320，定義上輥電機為1#CU 控制，下輥電機為2#CU 控制，為了實現上、下輥控制器之間的高速通訊，每臺CU320 安裝了一塊CBE20 選件板，借助CBE20接口模塊，CU320-2可以接入PROFINET。

系統單線圖如圖2所示。

圖2 系統單線圖Fig.2 System single line diagram

2.3 系統功能

2.3.1 SINAMICS Link通訊

通過安裝CBE 20選件板，CU320控制器之間可以進行SINAMICS Link 通訊，完成控制單元之間的直接數據交換。數據發送及接受節點包括帶有CU 的驅動單元及連接的驅動對象，其報文為16 個固定的過程數據空間（PZD），每個PZD 為1個字節長度。

軋機上、下輥控制器之間通訊的主要目的有兩點：1）將上輥轉矩數據傳輸給下輥，完成負荷平衡的功能；2）采集上輥裝置狀態傳輸給下輥作故障連鎖使用。通訊接口設為Interface 2，Interface 1 用作與上級自動化的DP 通訊使用。SINAMICS Link通訊配置如圖3所示。

圖3 SIMANICS Link通訊Fig.3 SINAMICS Link communication

圖3中，Drive 1為上輥電機模塊，Drive 2為下輥電機模塊。Drive 2 通過PZD 1 接受Drive 1 的轉矩實際值（r80.1）并將其放入通道1（P8870.0）的緩存區內（r8850.0），再通過參數P22003 將此緩存區數據連入CFC 程序中參與計算。Drive 1通過PZD 1 接受來自Drive 2 的調節系數（r22009）并將其放入通道一的緩存中（r8850.0），以附加速度給定（P1071）的方式接入速度調節器。PZD 5 用作通訊故障的判斷，Drive 2 程序會不間斷地產生跳變脈沖（r22008），Drive 1 通過PZD 5 接入通信緩存（r8850.4）并通過參數P8851[4]發送回Drive 2，在Drive 2 中通過參數P22007連入CFC 程序，在程序中通過比較收、發位狀態可以判斷通訊是否正常。Drive 1 的故障信號是通 過PZD 6 發 送 至Drive 2 的，Drive 2 通 過 參 數P22005 將Drive 1 的故障位采集至CFC 程序中，此故障位會和Drive 2 故障以及通訊故障等信號一起成為綜合故障信號。

2.3.2 負荷平衡

負荷平衡功能是由下輥完成，程序通過SINAMICS Link 通訊采集上輥數據完成計算，再通過通訊將附加設定值傳回上輥，通過微小改變電機轉速實現負荷平衡功能。負荷平衡調節器由兩部分組成，即負載平衡調節器和上、下輥附加速度設定計算。

負載平衡調節器的原理是分別取上輥及下輥電機的轉矩實際值，取絕對值后計算偏差，當偏差超過閾值時，負載平衡調節器輸出產生附加轉速設定，通過修改兩個系統的速度給定平衡兩臺電機的轉矩。負載平衡調節器的設置為比例積分（PI）調節器，但由于負載平衡調節器不能太快或出現震蕩[4]，故采用KP（比例）小、Tn長的調節器設置。控制框圖如圖4 所示。

圖4 負載平衡調節器控制框圖Fig.4 Control block diagram of load balance regulator

附加速度的設定計算是取負載調節器的輸出，通過與“1”的運算產生一個絕對值小于1的系數，此系數與速度給定值的乘積將作為新的給定值進入速度給定通道，使負載大的系統速度降低，減少其實際負載。為了避免因為速度波動過大而對軋制造成影響，需將負載平衡調節器的出值限制在0～5%，速度調節給定調節介于100%～95%之間。附加速度設定如圖5 所示，負荷平衡投入后轉矩波形如圖6所示。

圖5 附加速度設定Fig.5 Additional speed setting

圖6 負荷平衡投入后轉矩波形Fig.6 Torque waveforms with load balance

從圖6可以看出，在投入負荷平衡功能前，由于表面溫差等原因，上、下輥電機轉矩差別較大，在負荷平衡功能投入后，隨著調節器輸出的增大，上、下輥電機轉矩趨于一致，負荷平衡功能效果明顯。

2.3.3 安全停車功能

現場設備在運行期間出現問題時，需要既快速又安全的停車方式。SINAMICS S120 提供了“Safe Torque Off”（STO）功能，可以和設備一起協同工作，在故障情況下安全封鎖電機的轉矩輸出。在選擇“Safe Stop 1”后驅動將沿著OFF3 斜坡（p1135）制動，并在p9652/p9852 中設置的延遲時間屆滿后，進入“Safe Torque Off”（STO）狀態，其工作原理示意圖如圖7所示。

圖7 STO功能示意圖Fig.7 STO function diagram

在使用STO 功能時應確保裝置在達到電流極限時不會做出響應，以免裝置提前進入脈沖封鎖狀態而失去安全停車功能。

3 結論

本文以S120 在薄帶鑄軋主軋機電控系統應用為例進行分析，充分體現出SINAMICS S120 系列變頻器配置靈活、擴展能力豐富的特點。該控制系統自投入以來一直穩定運行，極大地降低了設備維護成本，提高了企業連續生產時間，成功完成生產線設計的產量和質量的任務要求，達到預期的控制效果。