軋機和飛剪電氣設備系統國產化應用

武 濤

（河鋼宣鋼檢修公司，河北 張家口 075100）

0 引言

某鋼軋廠型材生產線于2007 年7 月投產，由于電控設計和安裝調試廠家對連軋中型生產線電控系統技術掌握的不成熟、經驗不豐富，導致投產后飛剪系統故障率逐漸增高，因此研究人員對飛剪電控系統進行技術攻關。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、穩定性能好，便于控制，且目前國內相關冶金自動化公司技術較為成熟。型材生產線的電控設計和安裝調試廠家對連軋中型生產線電控系統技術掌握得不成熟、經驗不豐富，導致投產后隨著型材生產線產能的不斷提高，飛剪系統重復性故障頻繁發生，嚴重影響生產正常進行。型材生產線已在線運行13 年，主傳動6SE70 逆變器出現老化現象，裝置故障率呈上升趨勢，但西門子公司產品更新換代，交流變頻調速產品6SE70 系列變頻器已于2011 年停產，6SE70 逆變器及其配件在市場上已很難采購到，即使能夠采購到價高且到貨期很長。權衡目前公司運營和型鋼市場情況，公司將1～5 架軋機及矯直機共7 臺6SE70 裝置升級為目前可以完全替代原裝置的國產系列變頻器，替下的原型號變頻裝置作為其他架次軋機備用，在確保型材正常生產的情況下，進行裝置更新升級。

1 項目主要內容（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。由于采用模塊化結構，大大減少了備件種類。比之前的6SE70擁有更加優化簡潔的結構。

總體思路如下：1）將飛剪直流傳動系統由西門子6RA70 系統升級改造為西門子6RA80 系統。2）將FM354模板升級為CERI TCU 飛剪控制模板。3）6SE70 整流裝置與國產匯川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ICU 相關組件模板選型。4）根據6SE70 和HCE880 整流器和逆變器上電容器組的分布和容量情況，通過計算、選型增補直流側電容柜，并對電容器組增設散熱冷卻風機、并增加散熱風機和柜超溫報警功能等項目。使6SE70 整流裝置與國產匯川HCE880逆變裝置配合使用，提高產品質量，采用模塊化結構，大大減少了備件種類。與之前的裝置相比，6SE70 擁有更加優化簡潔的結構，專門飛剪控制模板精度高、穩定性能好，便于控制。在提高產品質量的同時，降低維修人員勞動強度，達到了提高型材電氣自動化水平的目的，可為其他相類似生產線提供技術借鑒。

國產系列裝置不需要重新配置自動化的通信接口，HMI 保持原系統顯示內容，其通信變量不需發生變化。但主要技術參數必須滿足現場使用要求。主傳動裝置IGBT采用英飛凌品牌，開關頻率≥1.50 kHz，電流環掃描周期≤1 ms，轉矩上升時間小于5 ms，控制單元≥8 路DIO，≥6 路DI，≥3 路AI（差分輸入，±10 V 或±20 mA 可設置），≥2 路AO（±10V），≥2 路增量型編碼器接口。能夠安全可靠的無擾動替代原6SE70 裝置，替下的6SE70裝置能夠作為應急備件進行使用。升級后傳動裝置滿足現場工藝品中的軋制要求[1]。

2 項目特點及主要技術性能指標（技術方案）

2.1 飛剪傳動系統升級

原飛剪系統控制精度較差，故障率高，維護難度大，不能滿足生產需求。因此，將型材1#、2#飛剪直流傳動西門子6RA70 系統升級改造為西門子6RA80 系統。6RA80系列全數字調速系統采用2 個高效的微處理器承擔電樞和勵磁回路調節和傳動控制功能，運算精度高，實時性好。系統軟件結構模塊化，根據實際要求靈活組態?？梢詫﹄娏髡{節器、速度調節器、勵磁電流調節器、磁化曲線等進行自動優化，從而實現系統的最佳控制。裝置本身具有完善的故障診斷、報警、顯示和保護功能。同自動化系統聯網通信便捷，可進行參數的設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 改制擴容是對電樞電流、電樞電壓、勵磁電流回路擴容。擴容后，控制部分保留西門子6RA80 原有的控制板，增加勵磁擴容單元和監測信號的改制板；功率部分的擴容元件選用國產優質可控硅及保護回路。6RA80 實現了全部參數的連續無極修改，與原裝裝置參數及調試方法完全一致。目前已經在多條生產線上使用，運行效果良好。

對飛剪傳動6RA70 升級為6RA80 系統，采用以下改造措施：1）1#、2#飛剪傳動依然使用原主從控制，原傳動功率單元進行利舊處理。2）將原6RA70 控制器升級為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線路。便于系統精準檢測剪切電流，提高控制精度。4）升級脈沖放大版、以提高功率單元可控硅觸發強度。5）新增隔離變壓器，提高控制電源用電質量。6）升級脈沖分路器，提高飛剪聯動軋制精度。

2.2 飛剪控制系統升級優化

為了解決飛剪系統固有缺陷，頻發故障問題，將FM354模板升級為CERI TCU 飛剪控制模板。CERI TCU 為專門飛剪控制模板，其精度高、穩定性能好，便于控制，故障率低。且該模板的參數少，易掌握、維護較為簡單。飛剪系統采用北京京誠瑞達公司CERI-TCU-S7 起停式飛剪電氣控制系統，核心硬件由CERI TCU 控制器、SIEMENS S7PLC 和SIEMENS 6RA80 傳動控制器、現場操作站、檢測和執行設備3 個部分組成，CERI TCU 控制器為該系統的核心元器件。

新的飛剪系統有原位標定、原位投入、輥徑優先、速度強制、手動單剪切、模擬剪切、自動切頭、自動切尾、自動分段、診斷功能的作用[2]。系統提供參數設定：可設定飛剪剪切超前系數、測量輥前滑系數、剪切長度等參數。監控操作：顯示飛剪剪刃位置、軋件線速度、飛剪線速度、電機轉速、轉矩、電流和傳動故障碼；上游軋機機架號及上游軋機軋輥工作輥徑。診斷功能：提供熱檢診斷、測長記錄、模擬剪切、報警顯示等功能。飛剪系統在飛剪原位開關位置改變后或者飛剪電機編碼器更換后需要進行飛剪原位標定操作。CERI TCU 控制器為飛剪系統的核心元件，該控制器具備自診斷功能，診斷功能包括TCU 控制器I/O 模板的運行狀況，DP 網絡運行狀況，TCU運行溫度和TCU 工作中的實時運行情況。出現故障時，可直觀地通過TCU 診斷結果來判斷故障，便于系統故障的處理[3]。

2.3 逆變柜裝置更換

針對升級改造過程中須解決的問題，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構，體積小、重量輕、結構緊湊，便于拆卸和安裝，大大縮短更換時間；多單元并機產品在故障單元退出后，系統可以在降額工況下繼續工作，最大程度降低系統故障停機可能引發的風險。

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

根據原有1～5 架主軋機和矯直機裝置參數和其主電機參數選型：1～3 架原逆變器均是使用1 臺800kW 逆變裝置帶1 臺600kW 電機，該次改造使用國產匯川逆變器，型號為HCE880-50M-1710-4（輸出功率為500kW），由2 臺該型號逆變器并聯（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1 200 kW 逆變裝置帶1 臺900 kW 電機，該次改造使用國產匯川逆變器，型號為HCE880-50M-1710-4（輸出功率為500 kW），由3 臺該型號逆變器并聯（輸出功率為1 500 kW）。矯直機原逆變器是使用2 臺800 kW 逆變裝置帶1 臺雙繞組750kW 電機，該次改造改為國產匯川逆變器，型號為-HCE880-50M-1710-4（輸出功率為500 kW），每臺逆變器使用2 臺該型號逆變器并聯（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

逆變裝置控制系統選用中冶京城ICU 相關組件模板，該組件系統實時多任務內核可以保證嚴格的實時響應。能夠與舊系統無縫對接。

2.5 增加電容柜

由于原系統采用整流加逆變的方式，直流回路中沒有電容組，電容僅安裝于逆變裝置內，進線整流單元沒有直流回路電容。而改造后的逆變裝置屬于與原有西門子整流裝置混合運行，電容就成了一個需要著重考慮的關鍵因素。根據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，來計算、設計、選型增補直流側電容柜，以該方法來解決電容問題。電容柜的容量必須適合改造的整個系統，需要在現有基礎上增補電容器，保證設備的平穩運行。

改造前，1～3 架每臺逆變器共有3 件套電容組件，共有3 臺逆變器，每臺電容組件為10mF，則1～3 架直流側電容為10×3×3=90 mF。

4、5 架每臺逆變器共有3 套電容組件，共有2 臺逆變器，每臺電容組配件為15mF，則4、5 架直流側電容為15×3×2=90mF。

矯直機每臺逆變器共有3 件套電容組件，共有2 臺逆變器，每臺電容組件為10 mF，則矯直機直流側電容為10×3×2=60 mF。

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

選擇每個電容為 7500μF 的電容組件，電容串聯后再進行并聯，如圖2 所示。根據圖2 可計算電容組件為7500/3×8=20000μF=20 mF。

圖2 電容組件結構設計圖

1～3 架和矯直機可選擇2 組上述電容組件并聯，即為20×2=40 mF。

4、5 架可選擇3 組上述電容組件并聯，即

20×3=60mF。

電容柜增設了冷卻風機和超溫檢測報警以及相應的自動控制，如圖3 所示。

圖3 電容柜冷卻風機控制及風機運行和超溫檢測報警示控制意圖

3 結語

該生產線是國內為數不多的解決了6SE 70 整流器與國產匯川HCE 880 逆變裝置配合使用問題的軋鋼生產線，達到國內先進水平。該項目可以為類似使用西門子6SE 70 產品并需要與國產HCE 880 逆變裝置配合使用的生產線提供技術借鑒。