直流调速装置在轧机中的应用

400直流调速装置在轧机中的应用【摘要】本文对西门子公司6RA70直流调速装置的特点和功能作了介绍，以某厂单机架可逆式冷轧机组为背景，结合轧制过程中的速度控制，对整个传动控制系统的结构和工作原理作了详细阐述。【关键词】6RA70直流调速冷轧机速度控制在冷轧薄板轧制过程中，要求有较大的调速范围，过载能力大，并能适应频繁的起、制动及正反转。由于直流电机调速性能好，转矩控制简单可靠，过载能力强[1]，加上配套的西门子6RA70系列全数字直流调速装置，以其优越的性能，在冷轧生产中得到广泛应用。1.工艺简介1.1单机架冷轧机组简单介绍图1冷轧机传动系统示意图轧制时钢带速度的控制是轧机过程自动化控制系统的重点之一。图1是某厂单机架四辊可逆式冷轧机组电气传动系统简单示意图。轧制过程是靠旋转的轧辊与钢带之间形成的摩擦力将钢带拖进辊缝之间，并使之受到压缩产生塑性变形的过程[2]。入、出口卷取电机通过减速箱分别连接到卷取机膨胀芯轴上，钢卷被芯轴胀紧，钢带经过导向辊穿过轧机上下工作辊。当轧制方向由左到右时，入口卷机电机速度给定相对于轧制方向速度相反，即电机转矩方向同实际运动方向相反，从而形成入口张力；出口卷取电机速度给定超前轧制方向速度，处于堵转状态，形成出口张力。上部电机和下部电机输出轴通过减速箱分别连接上、下支撑辊，支撑辊和工作辊之间通过轧制力紧紧压靠在一起，支撑辊的旋转带动工作辊的旋转，通过调整上下部电机速度，来实现轧制过程中的穿带、加速、稳速轧制和减速等状态。1.2直流电机调速方法根据直流电机转速方程[1]eKIRUn（1）式中，n为转速（r/min），U为电枢电压（V），I为电枢电流（A），R为电枢回路总电阻（），为同出取卷口部电机1500A×36RA702250HP650VDC下同800HP500VDC轧机1200A×26RA70出口卷取入口卷取401励磁磁通（Wb），eK电机常数。有三种方法调节电动机的转速[3]：(1)调节电枢供电电压U；(2)减弱励磁磁通；(3)改变电枢回路电阻R。目前直流电机的主要调速方式，在电机基速以下时，是通过对电枢电压的调节来实现电机速度从零到基速的调节，磁通量保持恒定；而在电机基速以上时，电枢电压达到了额定值，将不可能再上升，而采用调节励磁电流的方式来改变磁通量，通过降低磁通（即弱磁）的方式来提高电机转速，实现电机速度从基速到最大速度的调节[3]。2.西门子6RA70直流调速技术2.1西门子6RA70介绍德国西门子公司的6RA70系列通用全数字直流调速装置是一个以电流环为内环，速度环为外环的双闭环调速系统，采用逻辑无环流调速方案。弱磁调节采用与反电动势相关的非独立弱磁控制方式[4]。它采用高性能微处理器完成电枢和励磁回路所有从速度设定到触发脉冲形成的各种调节、传动控制功能，及监控、通讯控制等各种辅助功能。控制软件以控制功能块的形式存放在Flash-EPROM中，通过参数设置，可以方便地将软件功能块连接起来实现各种驱动控制功能、逻辑控制功能等。2.2西门子6RA70特点(1)全数字直流调速，抗干扰性好，运行可靠。(2)具有故障自诊断和处理功能，可对缺相、过流、过压、欠磁、超速等各种故障进行监视和处理。并能模拟电动机的温升曲线，对电动机过热进行监视。(3)完全开放的通讯协议功能，支持包括SIMOLINK、PROFIBUS、CAN、USS等通讯协议。(4)根据工艺要求，通过选件安装，扩展系统功能，如通讯板、张力板等特殊控制。(5)通过装置并联，实现扩容。2.3并联应用技术西门子6RA70系列装置额定电枢电流范围为15至2000A，额定励磁电流3到85A，但通过并联整流装置的方式扩展，输出额定电枢电流可达到12000A[4]。并联装置其中1台被设置为主装置，具有电流、速度双环的完整调节系统，其余设置为从装置，它们采用主装置的脉冲方式工作。主装置接受速度给定及各种控制指令后，经过处理，通过并行通信接口，向从装置实时传递脉冲角度信号及各相关控制信号，从而使从装置能同步触发与主装置上位置相同的晶闸管，从装置也通过并行接口向主装置传输本身状态字等数据。并联连接的技术要求：(1)最多可并联连接6台装置；(2)并联连接的装置必须是同型号同规格；(3)为保证电流分配，并联连接的每台装置必须配进线电抗器；(4)电源主回路进线1U1/1V1/1W1之间必需要相同相序；(5)电枢回路1C1/1D1之间必需要相同相序；3.单机架轧机传动配置某冷轧厂单机架四辊可逆冷轧机控制系统结构如图2所示，包括三级控制系统：基础自动化Level1网络，采用PROFIBUS-DP现场总线，将西门子6RA70系列直流调速装置连接到一起，再通过第三方支持该协议的5136-PFB-VME通讯卡，同控制中心APC机架通讯。Level2网络有两条，一是APC机架同GE9070机架之间，通过映像卡（RFM）光纤通讯；二是通过GE9070总线通讯卡（BUS），采用GENIUS总线通讯协议，402连接现场所有的PLC模块。Level3网路为工业以太网，通过交换机将APC机架、工程师站、操作员站等连接到一起。本文主要讨论的是Level1网路。图2冷轧机控制系统示意图3.1直流电机参数入（出）口卷取机电机参数：功率，800HP；转速，250/750RPM；电枢电压，500VDC；电枢电流，1383A；励磁电流，50/13A；过载能力，100%（连续），125%（2小时），200%（1分钟）。上（下）部支撑辊电机参数：功率，2250HP；转速，325/650RPM；电枢电压，650VDC；电枢电流，2762A；励磁电流，28.8/8.5A；过载能力，100%（连续），125%（2小时），200%（1分钟）。3.2电机装置配置西门子6RA70装置单台最大额定电流为2000A，同时考虑电机过载运行，因此需要多台6RA70整流器并联连接运行，具体如下：入（出）口卷取电机选择两台额定电流1200A整流器并联运行，型号为1P6RA7091-6FV62-O-Z。由于电机调速范围较宽，励磁电流范围大，还需单独配置励磁电源，选择一台6RA24整流器作为励磁电源，型号为1P6RA7025-6DS22-O-Z。上（下）支撑辊电机选择三台额定电流1500A的整流器并联运行，型号为1P6RA7093-6KV62-O-Z。励磁电源利用6RA70装置自带励磁电源。可以看出，每台直流电机采用两（三）台整流器并联运行，工作方式为主从工作模式，1台被设置为主装置，其余设置为从装置，考虑信号传输时间原因，主控整流器应放在中间[5]。每台装置都配置端子扩展板CUD2，主从装置之间通讯通过“并行接口”实现。3.36RA70装置参数设置装置在出厂时，所有参数均是默认值。根据实际应用，需要对一些参数进行调整，才能实现各种驱动控制和逻辑控制功能。主要有：电机铭牌基本参数，如电机电枢额定电流P100、电机电枢额定电压P101、电机额定励磁电流P102等。电机优化自动检测的参数，如电枢回路电阻P110、电枢回路电感P111、励磁回路电阻P112电枢电流调节器增益P155、电枢电流调节器积分时间P156、速度调节器实际值滤波时间P200、速度调节器增益P225、速度调节器积分时间P226等。CBP6RA702×1200A3×1500A6RA70CBPCBP6RA703×1500A2×1200A6RA70CBP403编码器参数，如编码器类型P140、编码器脉冲数P141、速度实际值选择P083等。其他参数，如弱磁激活P081、励磁方式P082、CB总线地址P918，并行接口参数U800、U806等。3.4西门子6RA70装置速度控制西门子6RA70装置速度环控制简图见图3，经过APC计算后的速度值送到装置，作为速度给定值，同电机速度编码器反馈的速度值比较，速度偏差为调节值[6]，对电机进行控制。从装置到电机，是一个完整的PI速度闭环控制系统。图3速度环框图4.单机架可逆轧机速度控制轧制速度是指与钢带接触的传动辊线速度[7]，由操作人员通过操作台工控机设定，数据发送到APC（控制器），经过计算后传送到各个传动装置。轧制速度有“爬行”，“穿带”，“加减速”，“保持”等，控制轧制速度的实质就是对上（下）部电机的速度控制。但轧制过程中，还必须考虑上（下）部电机同入（出）口卷取机之间的速度匹配。4.1上（下）部电机速度控制为（v＞0），将线速度v转换成上下辊角速度，再考虑减速箱变比，就计算假设设定轧制速度出上部和下部电机速度给定值，1111iRvkn（2）2222iRvkn（3）式中，1k、2k为常数，v为轧制速度，1n为上部电机转速，1R为上支撑辊半径，1i为上部电机减速箱变比，2n为下部电机转速，2R为下支撑辊半径，2i为下部电机减速箱变比。在实际应用中，由于支承辊和减速箱的数据不可能达到理论上的精确，因此计算出的上下部电机速度给定值，无法保证在轧制过程中上下辊线速度一致，可能造成上下部电机电流值差值大，出现“搓辊”、“打滑”等现象[8]。由此我们又引入了上下部电机电流差值这一参数。电机的电流值能够实际反应负载情况，也就直接反映了上下辊线速度。根据电机电流差值的变化来对上下部电机速度给定值进行修正，对实际电流值小的，增大其速度给定值，对实际电流值大的，减小速度给定值，修正后的速度值xn作为速度给定值setn。4.2入（出）口卷取电机速度控制可逆轧机可以往复轧制，在奇道次和偶道次，入口卷取机和出口卷取机的控制完全一样，本文只讨论v速度给定值nset-＋0%01快速停车setn斜坡nset.smooth速度反馈通道选择10编码器0%234斜坡nfeedbackfb.smoothnndev速度偏差nTkp比例积分outn内部EMF404奇道次。钢带速度分入口钢带速度1v和出口钢带速度2v，根据秒流量相等原则，1v＜v＜2v[7]。入（出）口卷取机速度和入（出）口钢带速度关系为：3133ivkn（4）4244ivkn（5）式中，3k、4k为常数，3i、4i为入（出）口卷取机减速箱变比，3n、4n为入（出）口卷取电机转速。在奇道次轧制，入口卷取电机速度给定值与轧制方向速度相反，被上（下）部电机“强制”反方向运动，即电机转矩方向同实际运动方向相反，从而形成入口张力[9]。工程实际应用中，入口卷取机速度给定值为80r/min。出口卷取电机速度给定值必须超前4n，即出口卷取机实际速度永远达不到给定速度，一直处于“堵转”工作状态，形成出口张力[9]。工程实际应用中，出口卷取机速度给定值为4n加上常数（一般100―200r/min）。西门子6RA70直流调速装置由电流内环和速度环外环组成，当电机反馈速度值达不到给定值时，电流值将增加，因此，对于入（出）口卷取电机，必须限制装置电流值。入（出）口卷取电机装置电流限幅值，决定了钢带入口张力和出口张力值，即可以通过调节入（出）口卷取电机装置电流限幅值，实现钢带张力控制。从以上分析可以看出，对于单机架可逆轧机机组，上部和下部电机采用速度控制，实现轧制速度的控制，入出口卷取电机采用电流控制，实现了钢带张力的控制。5.结束语西门子6RA70全数字直流调速装置在该厂冷轧和平整直流电机上得到应用，目前使用已经超过5年，其稳定性和可靠性完全满足设计要求，对于生产规模较小的，需要节省投资的单机架轧机，有很广的应用前景。参考文献[1]宋银宾，电机拖动基础[M]，北京：冶金工业出版社，1984.6。[2]丁修堃，轧制过程自动化[M]，北京：冶金工业出版社，1986年10月第一版。[3]赵刚等，轧制过程的计算机控制系统[M]，北京：冶金工业出版社，2002.1。[4]SIEMENS,6RA70全数字直流调速装置。[5]刘青松，江山，西门子6RA70系列全数字直流调速装置在中板2800轧机主传动电气系统改造中的应用[J]，电气自动化，2001，（5）。[6]李世卿主编，自动控制系统，冶金工业出版社，1990。[7]金兹伯格（GinzburgV.B），高精度板带材轧制理论与实践[M