軋機(jī)和飛剪電氣設(shè)備系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用

武 濤

（河鋼宣鋼檢修公司，河北 張家口 075100）

0 引言

某鋼軋廠型材生產(chǎn)線于2007 年7 月投產(chǎn)，由于電控設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試廠家對(duì)連軋中型生產(chǎn)線電控系統(tǒng)技術(shù)掌握的不成熟、經(jīng)驗(yàn)不豐富，導(dǎo)致投產(chǎn)后飛剪系統(tǒng)故障率逐漸增高，因此研究人員對(duì)飛剪電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。將FM354 模板改為專門飛剪控制模板。專門飛剪控制模板精度高、穩(wěn)定性能好，便于控制，且目前國(guó)內(nèi)相關(guān)冶金自動(dòng)化公司技術(shù)較為成熟。型材生產(chǎn)線的電控設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試廠家對(duì)連軋中型生產(chǎn)線電控系統(tǒng)技術(shù)掌握得不成熟、經(jīng)驗(yàn)不豐富，導(dǎo)致投產(chǎn)后隨著型材生產(chǎn)線產(chǎn)能的不斷提高，飛剪系統(tǒng)重復(fù)性故障頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響生產(chǎn)正常進(jìn)行。型材生產(chǎn)線已在線運(yùn)行13 年，主傳動(dòng)6SE70 逆變器出現(xiàn)老化現(xiàn)象，裝置故障率呈上升趨勢(shì)，但西門子公司產(chǎn)品更新?lián)Q代，交流變頻調(diào)速產(chǎn)品6SE70 系列變頻器已于2011 年停產(chǎn)，6SE70 逆變器及其配件在市場(chǎng)上已很難采購(gòu)到，即使能夠采購(gòu)到價(jià)高且到貨期很長(zhǎng)。權(quán)衡目前公司運(yùn)營(yíng)和型鋼市場(chǎng)情況，公司將1～5 架軋機(jī)及矯直機(jī)共7 臺(tái)6SE70 裝置升級(jí)為目前可以完全替代原裝置的國(guó)產(chǎn)系列變頻器，替下的原型號(hào)變頻裝置作為其他架次軋機(jī)備用，在確保型材正常生產(chǎn)的情況下，進(jìn)行裝置更新升級(jí)。

1 項(xiàng)目主要內(nèi)容（總體思路）

逆變柜整柜替換，保留原整流柜及逆變器出線柜。HCE880 傳動(dòng)裝置由控制器與功率模塊組成，控制器與功率模塊之間采用光纖連接。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，大大減少了備件種類。比之前的6SE70擁有更加優(yōu)化簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)。

總體思路如下：1）將飛剪直流傳動(dòng)系統(tǒng)由西門子6RA70 系統(tǒng)升級(jí)改造為西門子6RA80 系統(tǒng)。2）將FM354模板升級(jí)為CERI TCU 飛剪控制模板。3）6SE70 整流裝置與國(guó)產(chǎn)匯川HCE880 逆變裝置配合使用，選擇容量最合適的HCE880 逆變裝置，控制系統(tǒng)ICU 相關(guān)組件模板選型。4）根據(jù)6SE70 和HCE880 整流器和逆變器上電容器組的分布和容量情況，通過(guò)計(jì)算、選型增補(bǔ)直流側(cè)電容柜，并對(duì)電容器組增設(shè)散熱冷卻風(fēng)機(jī)、并增加散熱風(fēng)機(jī)和柜超溫報(bào)警功能等項(xiàng)目。使6SE70 整流裝置與國(guó)產(chǎn)匯川HCE880逆變裝置配合使用，提高產(chǎn)品質(zhì)量，采用模塊化結(jié)構(gòu)，大大減少了備件種類。與之前的裝置相比，6SE70 擁有更加優(yōu)化簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)，專門飛剪控制模板精度高、穩(wěn)定性能好，便于控制。在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，降低維修人員勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到了提高型材電氣自動(dòng)化水平的目的，可為其他相類似生產(chǎn)線提供技術(shù)借鑒。

國(guó)產(chǎn)系列裝置不需要重新配置自動(dòng)化的通信接口，HMI 保持原系統(tǒng)顯示內(nèi)容，其通信變量不需發(fā)生變化。但主要技術(shù)參數(shù)必須滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。主傳動(dòng)裝置IGBT采用英飛凌品牌，開(kāi)關(guān)頻率≥1.50 kHz，電流環(huán)掃描周期≤1 ms，轉(zhuǎn)矩上升時(shí)間小于5 ms，控制單元≥8 路DIO，≥6 路DI，≥3 路AI（差分輸入，±10 V 或±20 mA 可設(shè)置），≥2 路AO（±10V），≥2 路增量型編碼器接口。能夠安全可靠的無(wú)擾動(dòng)替代原6SE70 裝置，替下的6SE70裝置能夠作為應(yīng)急備件進(jìn)行使用。升級(jí)后傳動(dòng)裝置滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝品中的軋制要求[1]。

2 項(xiàng)目特點(diǎn)及主要技術(shù)性能指標(biāo)（技術(shù)方案）

2.1 飛剪傳動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)

原飛剪系統(tǒng)控制精度較差，故障率高，維護(hù)難度大，不能滿足生產(chǎn)需求。因此，將型材1#、2#飛剪直流傳動(dòng)西門子6RA70 系統(tǒng)升級(jí)改造為西門子6RA80 系統(tǒng)。6RA80系列全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)采用2 個(gè)高效的微處理器承擔(dān)電樞和勵(lì)磁回路調(diào)節(jié)和傳動(dòng)控制功能，運(yùn)算精度高，實(shí)時(shí)性好。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模塊化，根據(jù)實(shí)際要求靈活組態(tài)。可以對(duì)電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)器、磁化曲線等進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。裝置本身具有完善的故障診斷、報(bào)警、顯示和保護(hù)功能。同自動(dòng)化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信便捷，可進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定和各種信息的交換，具有兩象限和四象限功能可供選擇。

6RA80 改制擴(kuò)容是對(duì)電樞電流、電樞電壓、勵(lì)磁電流回路擴(kuò)容。擴(kuò)容后，控制部分保留西門子6RA80 原有的控制板，增加勵(lì)磁擴(kuò)容單元和監(jiān)測(cè)信號(hào)的改制板；功率部分的擴(kuò)容元件選用國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)可控硅及保護(hù)回路。6RA80 實(shí)現(xiàn)了全部參數(shù)的連續(xù)無(wú)極修改，與原裝裝置參數(shù)及調(diào)試方法完全一致。目前已經(jīng)在多條生產(chǎn)線上使用，運(yùn)行效果良好。

對(duì)飛剪傳動(dòng)6RA70 升級(jí)為6RA80 系統(tǒng)，采用以下改造措施：1）1#、2#飛剪傳動(dòng)依然使用原主從控制，原傳動(dòng)功率單元進(jìn)行利舊處理。2）將原6RA70 控制器升級(jí)為6RA80 控制器，提高飛剪整體控制性能。3）更換電流互感器、更換脈沖線及電流檢測(cè)線路。便于系統(tǒng)精準(zhǔn)檢測(cè)剪切電流，提高控制精度。4）升級(jí)脈沖放大版、以提高功率單元可控硅觸發(fā)強(qiáng)度。5）新增隔離變壓器，提高控制電源用電質(zhì)量。6）升級(jí)脈沖分路器，提高飛剪聯(lián)動(dòng)軋制精度。

2.2 飛剪控制系統(tǒng)升級(jí)優(yōu)化

為了解決飛剪系統(tǒng)固有缺陷，頻發(fā)故障問(wèn)題，將FM354模板升級(jí)為CERI TCU 飛剪控制模板。CERI TCU 為專門飛剪控制模板，其精度高、穩(wěn)定性能好，便于控制，故障率低。且該模板的參數(shù)少，易掌握、維護(hù)較為簡(jiǎn)單。飛剪系統(tǒng)采用北京京誠(chéng)瑞達(dá)公司CERI-TCU-S7 起停式飛剪電氣控制系統(tǒng)，核心硬件由CERI TCU 控制器、SIEMENS S7PLC 和SIEMENS 6RA80 傳動(dòng)控制器、現(xiàn)場(chǎng)操作站、檢測(cè)和執(zhí)行設(shè)備3 個(gè)部分組成，CERI TCU 控制器為該系統(tǒng)的核心元器件。

新的飛剪系統(tǒng)有原位標(biāo)定、原位投入、輥徑優(yōu)先、速度強(qiáng)制、手動(dòng)單剪切、模擬剪切、自動(dòng)切頭、自動(dòng)切尾、自動(dòng)分段、診斷功能的作用[2]。系統(tǒng)提供參數(shù)設(shè)定：可設(shè)定飛剪剪切超前系數(shù)、測(cè)量輥前滑系數(shù)、剪切長(zhǎng)度等參數(shù)。監(jiān)控操作：顯示飛剪剪刃位置、軋件線速度、飛剪線速度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流和傳動(dòng)故障碼；上游軋機(jī)機(jī)架號(hào)及上游軋機(jī)軋輥工作輥徑。診斷功能：提供熱檢診斷、測(cè)長(zhǎng)記錄、模擬剪切、報(bào)警顯示等功能。飛剪系統(tǒng)在飛剪原位開(kāi)關(guān)位置改變后或者飛剪電機(jī)編碼器更換后需要進(jìn)行飛剪原位標(biāo)定操作。CERI TCU 控制器為飛剪系統(tǒng)的核心元件，該控制器具備自診斷功能，診斷功能包括TCU 控制器I/O 模板的運(yùn)行狀況，DP 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況，TCU運(yùn)行溫度和TCU 工作中的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。出現(xiàn)故障時(shí)，可直觀地通過(guò)TCU 診斷結(jié)果來(lái)判斷故障，便于系統(tǒng)故障的處理[3]。

2.3 逆變柜裝置更換

針對(duì)升級(jí)改造過(guò)程中須解決的問(wèn)題，具體措施如下。

匯川HCE880 逆變功率模塊采用模塊化或手車式結(jié)構(gòu)，體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，便于拆卸和安裝，大大縮短更換時(shí)間；多單元并機(jī)產(chǎn)品在故障單元退出后，系統(tǒng)可以在降額工況下繼續(xù)工作，最大程度降低系統(tǒng)故障停機(jī)可能引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

系統(tǒng)安裝：整體安裝要求快捷、省時(shí)，整機(jī)更換或者備板固定螺絲眼距一致，不需要重新打眼調(diào)整。直流母排維持不變。

根據(jù)原有1～5 架主軋機(jī)和矯直機(jī)裝置參數(shù)和其主電機(jī)參數(shù)選型：1～3 架原逆變器均是使用1 臺(tái)800kW 逆變裝置帶1 臺(tái)600kW 電機(jī)，該次改造使用國(guó)產(chǎn)匯川逆變器，型號(hào)為HCE880-50M-1710-4（輸出功率為500kW），由2 臺(tái)該型號(hào)逆變器并聯(lián)（輸出功率為1 000 kW），如圖1 所示。4、5 架原逆變器均是使用1 臺(tái)1 200 kW 逆變裝置帶1 臺(tái)900 kW 電機(jī)，該次改造使用國(guó)產(chǎn)匯川逆變器，型號(hào)為HCE880-50M-1710-4（輸出功率為500 kW），由3 臺(tái)該型號(hào)逆變器并聯(lián)（輸出功率為1 500 kW）。矯直機(jī)原逆變器是使用2 臺(tái)800 kW 逆變裝置帶1 臺(tái)雙繞組750kW 電機(jī)，該次改造改為國(guó)產(chǎn)匯川逆變器，型號(hào)為-HCE880-50M-1710-4（輸出功率為500 kW），每臺(tái)逆變器使用2 臺(tái)該型號(hào)逆變器并聯(lián)（輸出功率為，總輸出功率2×1000kW=2000 kW）。

圖1 1～3 架逆變裝置改造前后示意圖

2.4 控制模件選型

逆變裝置控制系統(tǒng)選用中冶京城ICU 相關(guān)組件模板，該組件系統(tǒng)實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核可以保證嚴(yán)格的實(shí)時(shí)響應(yīng)。能夠與舊系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接。

2.5 增加電容柜

由于原系統(tǒng)采用整流加逆變的方式，直流回路中沒(méi)有電容組，電容僅安裝于逆變裝置內(nèi)，進(jìn)線整流單元沒(méi)有直流回路電容。而改造后的逆變裝置屬于與原有西門子整流裝置混合運(yùn)行，電容就成了一個(gè)需要著重考慮的關(guān)鍵因素。根據(jù)6SE70 和改造的整流器和逆變器上電容器組的分布和容量情況，來(lái)計(jì)算、設(shè)計(jì)、選型增補(bǔ)直流側(cè)電容柜，以該方法來(lái)解決電容問(wèn)題。電容柜的容量必須適合改造的整個(gè)系統(tǒng)，需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增補(bǔ)電容器，保證設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

改造前，1～3 架每臺(tái)逆變器共有3 件套電容組件，共有3 臺(tái)逆變器，每臺(tái)電容組件為10mF，則1～3 架直流側(cè)電容為10×3×3=90 mF。

4、5 架每臺(tái)逆變器共有3 套電容組件，共有2 臺(tái)逆變器，每臺(tái)電容組配件為15mF，則4、5 架直流側(cè)電容為15×3×2=90mF。

矯直機(jī)每臺(tái)逆變器共有3 件套電容組件，共有2 臺(tái)逆變器，每臺(tái)電容組件為10 mF，則矯直機(jī)直流側(cè)電容為10×3×2=60 mF。

改造后，逆變器型號(hào)均為HCE880-50M-1710-4，每臺(tái)逆變器電容組為10 mF，則：1～3 架共使用6 臺(tái)逆變器（每架為2 臺(tái)新逆變器并聯(lián)），因此電容容量為10×6=60 mF；4、5 架共使用6 臺(tái)逆變器（每架為3 臺(tái)新逆變器并聯(lián)），因此電容容量為10×6=60 mF；矯直機(jī)共使用4 臺(tái)逆變器（主從為2 臺(tái)新逆變器并聯(lián)），因此電容容量為10×4=40 mF。因此，1～3 架需增加電容組容量須≥30 mF；4、5 架須增加電容組容量須≥60 mF；矯直機(jī)須增加電容組容量須≥20 mF。

選擇每個(gè)電容為 7500μF 的電容組件，電容串聯(lián)后再進(jìn)行并聯(lián)，如圖2 所示。根據(jù)圖2 可計(jì)算電容組件為7500/3×8=20000μF=20 mF。

圖2 電容組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1～3 架和矯直機(jī)可選擇2 組上述電容組件并聯(lián)，即為20×2=40 mF。

4、5 架可選擇3 組上述電容組件并聯(lián)，即

20×3=60mF。

電容柜增設(shè)了冷卻風(fēng)機(jī)和超溫檢測(cè)報(bào)警以及相應(yīng)的自動(dòng)控制，如圖3 所示。

圖3 電容柜冷卻風(fēng)機(jī)控制及風(fēng)機(jī)運(yùn)行和超溫檢測(cè)報(bào)警示控制意圖

3 結(jié)語(yǔ)

該生產(chǎn)線是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的解決了6SE 70 整流器與國(guó)產(chǎn)匯川HCE 880 逆變裝置配合使用問(wèn)題的軋鋼生產(chǎn)線，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。該項(xiàng)目可以為類似使用西門子6SE 70 產(chǎn)品并需要與國(guó)產(chǎn)HCE 880 逆變裝置配合使用的生產(chǎn)線提供技術(shù)借鑒。