21年專注傳動技術
動力傳動與控制解決專家!
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交流變頻器在不銹鋼橫切線上的應用
不銹鋼橫切線主要由開卷機、卷紙機、張力輥、圓盤剪、卷邊機、矯直機、擠干輥、飛剪和真空垛板機等單機設備組成。其中矯直機、飛剪和真空垛板機從國外引進。所有調速電機均采用交流變頻電機，變頻傳動電機總功率506kW。調速裝置除飛剪為美國UNICO公司的產品外，其他均采用西門子公司SIMOVERT MASTER DRIVES 6SE70系列全數字矢量型交流變頻調速裝置。本文著重介紹SIMOVERT MASTER DRIVES 6SE70（SIMOVERT VC）全數字矢量型交流變頻調速裝置在橫切機組中的應用。
1、SIMOVERT VC功能及特點
1.1 技術指標和硬件特點
SIMOVERT MASTER DRIVES 6SE70根據控制方式的不同，共分3種系列：V/F頻率控制型、矢量控制型和伺服控制型。主回路部分為交直交電壓型，功率單元采用IGBT組件，最大輸出功率達1500kW。該系列變頻器具有功率因數高、輸出紋波小、性能可靠、系統穩定性好等特點。調速裝置主板上配有較豐富的數字、模擬量輸入/輸出接口及兩路串行數據通信口。除主板外，控制器中還留有兩個插槽供附加工藝板或通信板使用。西門子6SE70還可以將變頻器的整流、逆變兩部分以獨立裝置形式提供，即整流器和逆變器。這樣可以選用1套大容量整流器通過直流母線給多套逆變器供電。
1.2 通信能力
SIMOVERT VC具有較強的通信能力。它擁有3種途徑與外部通信。
主板上有兩個串行通信口，用于與手操器、計算機（帶SIMOVIS軟件）或上位機通信。使用USS協議，通信總線最高可帶31個從站，通信速率最高可達38.4Kb/s。
通過配備附加板SCB1、SCB2可以進行傳動裝置之間點對點聯接通信或與上位機之間通信。使用USS協議，通信總線最高可帶31個從站，通信速率最高可達38.4Kb/s。
對于高水平自動化系統，通過配備附加通信板CB1使傳動裝置通過PROFIBUS-DP網與上位機通信。PROFIBUS-DP網是一種功能很強的工業現場局域網，符合ENSO 170標準。通常用雙芯帶屏蔽電纜，也可以用光纖通信。如用雙芯帶屏蔽電纜，在200m距離內通信速率可達1.5Mb/s，最多可帶127個從站。
1.3 控制軟件功能
SIMOVERT VC變頻器的矢量控制方式可以精確地測定和控制電機電流的力矩分量和勵磁分量，其控制性能可與直流傳動相媲美，具有調節參數自動優化，自動故障顯示與報警，可以靈活設定和更改過程數據通道等特點。
2、傳動系統的設計與配置
2.1 主回路配置
全數字交流變頻調速系統主回路由進線電抗器，可逆整流器，自耦變壓器，逆變器，輸出電抗器和三相異步交流電動機組成。進線電抗器既可避免電網諧波對調速系統的影響，也可減少整流裝置產生的高次諧波對電網的影響。系統共用1套可逆整流裝置及公共直流母線，取消了能耗制動單元。在正常工作時開卷機的逆變器處于整流工作狀態，即能量由電動機回饋到直流母線上，而其他逆變器則均處于逆變工作狀態，將直流母線上的電能輸送到對應的電機中。這樣通過直流母線實現了逆變器之間以及逆變器和整流器之間的能量交換；將處于整流狀態的逆變器發出的電能通過直流母線輸送到其他處于逆變狀態的逆變器中，若逆變器逆變所需的總能量大于逆變器整流發出來的總能量時，可通過整流器從電網補充電能；反之，利用可逆整流器將電能回饋給電網。這樣將原本需通過能耗制動器消耗的電能用于驅動其他電機或回饋到電網，大幅度地節省了電能。自耦變壓器將可逆整流器逆變產生的電流經過電壓提升，回饋給電網。逆變器為交流變頻調速系統的核心裝置，在本次設計中全部選用矢量控制型逆變器。每套逆變器裝置均用脈沖編碼器測量電機轉速，構成閉環速度控制系統。每臺逆變器與電機之間均配有輸出電抗器，以防止逆變器輸出電壓的dV/dt太大對交流電機產生不良影響。
2.2 控制回路配置
2.2.1 PROFIBUS-DP網通信
在本次設計中，傳動裝置的上位控制器選用西門子S7-400系列PLC。PLC主要通過PROFIBUS-DP網實現對傳動裝置的控制和監測。傳動系統的可逆整流器和逆變器均配有CB1通信板。在PROFIBUS-DP網上，整流器和逆變器作為從站通過CB1板實現與主站PLC之間快速、準確的數據傳遞。PLC與裝置之間通信的數據結構為PPO（參數過程數據體）形式。PPO分5種類型，以PP01-PP05表示。我們根據實際情況選用PP04，即PLC依次可以向每臺裝置發送6個過程數據字，再從裝置接受6個過程數據字。通過過程數據字，PLC將各裝置的起、停命令等邏輯控制量和速度給定、力矩給定及開卷機的張力給定、初始卷徑設定等數字控制量作為過程數據傳給調速裝置，而整流器和逆變器通過CB1板將直流母線的電壓、電流等，電機的實際轉速、力矩、輸出電壓、電流以及調速裝置的狀態字等過程數據傳送到PLC。
2.2.2 工藝板
為了實現帶鋼和紙卷的恒張力卷繞控制，在開卷機（開卷控制）、卷紙機（卷取控制）逆變器的插槽中配置工藝板T300及MS320卷繞控制模塊。MS320是含有多種恒張力控制程序的軟件包，我們采用其中的間接閉環張力控制程序。該程序的特點是機械設備不需額外增加張力檢測裝置，只需通過測量卷徑，閉環控制電機的輸出力矩，實現恒張力控制。但在速度發生變化時，為保證張力的恒定，需根據加速度及設備當時的轉動慣量計算動態補償力矩。
2.2.3 急停控制
由于PLC是通過PROFIBUS-DP網來實現對變頻器控制的，而該網是一種用帶屏蔽雙絞線作為傳輸媒體將各個分布站點串聯起來的工業現場局域網，一旦通信線路發生損壞，可能會造成全線失控。為保證在意外情況下設備能安全停車， “ 急停 ” 控制信號除了通過 PROFIBUS-DP網發送到變頻器外，還必須有由PLC的邏輯輸出口直接聯到變頻器邏輯輸入口的急停控制專線，實現急停、控制雙保險。
3、變頻器參數設定
在變頻器啟動運行前，需要對變頻器進行必要的參數設定。通常只需對基本板（主板）的參數進行設定，對于安裝有工藝板的變頻器（如開卷機）還需設定工藝板的有關參數。變頻器主板共有各種參數近千個，另外工藝板的參數還有約300個左右。這些參數大多在出廠前做了工廠設定，一般情況下只需對很小部分參數進行重新設定即可。設定參數可以在裝置的參數設定器（PMU）上進行，也可以在手操器（OPI）或計算機（帶SIMOVIS軟件）上進行。需要設定的參數大致可分為以下幾個方面：
（1）硬件配置參數 首先設定變頻器硬件配置參數，說明在變頻器插槽中配有CB1通信板，在開卷機和卷紙機變頻器中還需說明在插槽中配置了工藝板T300。如果在變頻器輸出側裝有正弦波濾波器或dV/dt濾波器，也必須進行硬件配置參數設定。
（2）電機參數 設定變頻器所帶電機的基本參數，如電機的種類、額定電壓、電流、頻率、轉速和極對數等。
（3）工藝參數 設定電機控制方式為閉環轉速控制并設定測速傳感器有關參數。設定電機在系統中運行時的額定頻率、最高頻率及反向最高頻率，轉速上升、下降斜率及系統額定力矩等。變頻器控制軟件根據以上設定的電機和工藝參數及辨識到的電機數據整定調節器參數，保證電機在工藝要求的運行范圍內穩定工作。對開卷機、卷紙機，還需設定工藝板的有關參數，如動態、靜態轉動慣量指標參數、卷徑變化范圍等，以保證在加減速時能準確地進行動態力矩補償。
（4）設定給定通道 變頻器的給定通道可以有多種選擇，如模擬量輸入通道、邏輯量輸入通道以及串行通信口通道等。我們在這次設計中除設定 “ 急停 ” 控制信號的通道為常規邏輯量輸入口外，所有給定通道均設定為 CB1板上的PROFIBUS-DP通信口。變頻器通過CB1板接受由PLC發出的控制命令與給定數據。
4、結束語
在本次設計中橫切線采用了一系列西門子新近推出的先進技術和裝置，產生很大的綜合效益：主回路采用公共可逆整流裝置及直流母線形式，比以前帶能耗制動器省電15%以上；控制回路通過使用PROFIBUS-DP網，用一根雙絞線替代了常規控制系統中繁多的模擬量、邏輯量控制信號線，給安裝、調試和維護工作帶來很大方便，不銹鋼由于其硬度和韌性都很強，剪切非常困難，傳動系統控制性能的優劣對刀具的壽命、剪切質量和產品產量影響很大。調試和生產運行表明，整個系統具有控制精度高、運行穩定、操作簡便、維護方便等特點，可以滿足生產高質量、高精度不銹鋼產品的要求。
