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 摘 要：介紹了對陜西省寶雞市某軋鋼廠原軋機電氣控制系統的改造方案，通過用臺達CT2000系列變頻器替換原系統的旋轉變流機組，克服了原系統設備多、體積大、費用高、效率低等缺點，獲得了良好的控制效果及經濟效益。
1原軋機設備簡述
本軋機是用來把高碳鋼從一塊熱板軋成一個冷軋的帶圈，并且能以2重或4重輥型進行工作。主傳動電機是通過一個傳送比為2的齒輪箱同支承輥或工作輥連接，電動機的速度從零速到基速是調節發電機的輸出直流電壓值來變動的，而基速至最高速則是通過提高輸出頻率(即超過基頻頻率)來實現的。在進行熱軋時，可以用2重或4重，而且只使用主傳動機構，兩個圈卷機不運轉，位于主傳動電動機和支承工作輥之間的變速箱有兩種速率，高速時6:4:1，低速時12:8:1。在進行冷軋時軋機通常處于4重情況，使用6:4:1的比率的齒輪傳動。圈取機的傳動與此相同，每個驅動裝置由一個發電機和電動機機組組成，用兩個電動機目的是為了方便的調節可控張力的調節的范圍，在低張力范圍，把一個電動機脫離連接，而兩個連接在一起的電動機被供高張力范圍使用。電動發電機組由三個傳動發電機組成，它們分別給主傳動裝置、左、右圈取機供電。全部發電機組由一個三相感應電動機驅動。系統如圖1所示。

圖1 原軋機電控系統
2軋機電氣系統改造方案
2.1原軋機的技術數據：
主傳動電動機：一臺，SC06/2020型350V，686A，400/1200轉/分;
圈取傳動電動機：四臺，CF2805型250V，168A，1000/1250轉/分;
主傳動電機工作車速：250米/分;
寸動引帶速度：25米/分。
2.2傳動系統的改造方案[1]
原控制系統采用的是旋轉變流機組供電的直流調速系統是屬于五六十年代的產品，該方式設備多、體積大、費用高、效率低、運行噪音大、維護不方便、輸出回路采用分離元件作的模擬控制，控制精度差，無法實現智能化控制，對于軋鋼機的控制系統主軋鋼機、卷饒機、開卷機在工作時是個時變的，非線性的，采用模擬控制方法非常不便。
改造后系統采用臺達CT2000系列變頻器，CT2000系列變頻器支持DEB，在軋機工作過程中如果出現緊急制動時方便能量在直流母線上饋送，而且其支持多種總線通訊協議，適用于惡劣的工作環境，控制裝置使用交流380V的3相標準交流輸入電壓，提供SPWM輸出電壓，可用于交流電機的調速控制，其具有眾多優點：
(1)裝置可以實現復雜的控制算法，這是簡單模擬技術無法實現的;
(2)標準軟件模塊與可組態的軟件控制電路相結合;
(3)通過串行線路，可其他裝置或主機通訊;
(4)再生控制功能，可以通過組建公共直流母線的運行方式，在公共直流區接入制動電阻，方便軋機快速往復工作的需要;
(5)發生故障時，人機接口便自動顯示報警，同時自動保護停機。
2.2.1主軋機的控制
主軋機的控制采用恒轉矩控制方式，將原來的變流旋轉機組控制直接改為用一臺CT2000變頻器拖動交流電動機來實現。由于負載較重，所以在工作過程中上升時采用一個S斜坡函數發生器這一模塊來實現給定積分器的功能，使實際加到速度環的輸入信號是一個平穩上升的斜坡信號，改變給定積分器的積分時間即可改變斜坡信號的上升斜率。
2.2.2可逆軋機的控制
可逆軋機有兩個相同的卷筒，根據軋制方向能起卷取和開卷作用，兩組傳動裝置是相同的，只是在卷取和開卷時的操作方法上有所不同。帶鋼的張力控制可分為間接張力控制和直接張力控制。
間接張力就是充分利用CT2000豐富的內部模塊，把卷取或開卷的線速度給定、張力給定信號轉換成電機的電流和轉矩控制信號，以達到恒張力的控制的目的。
直接張力控制是用實測張力作為反饋信號，與給定信號相比較，用張力調節器，組成張力閉環對張力進行調節。從理論講直接張力控制系統是在轉速閉環基礎上套上一個張力環，組成雙閉環系統。但是比一般的系統復雜，主要表現在以下幾個方面：卷徑和轉動慣量均為變參數;張力矩在雙閉環系統的設計中，負載力矩是外部擾動，但在軋鋼系統中張力是系統輸出量，張力矩是系統內部固有的反饋量。當考慮張力矩時，轉速環的設計不能按一般的雙閉環設計方法;卷取開卷機與主軋機間的帶鋼的動力學特性及數學模型都較復雜，在動態過程中帶鋼的張力與動態速變存在一個時間滯后的關系，其參數是變量。故我們采用間接張力控制的方法，通過前向通道把在一定的卷徑、張力給定下需要的電機轉矩計算出來，再把它轉換成特定磁通下的電流給定值輸出，同時檢測張力值，把張力偏差經張力調節器計算后再折算成實際卷徑下的調節張力矩加到前面的力矩上，對張力進行調節。這種控制方法實際上也是直接控制電機的力矩，通過控制力矩來實現對張力的控制。由于由前向通道輸出的轉矩值是經過補償的方法計算出來的比較精確的值，它能夠基本保持張力恒定。再加上直接張力控制環的調節作用，以達到張力的精確控制。      
動態補償：在實際運行中常有加、減速的，如單靠張力調節器進行調節，可能會因調節不及時造成張力波動，這就要求在加速過程中為了保持張力不變，電磁轉矩中應該附加負的動態轉矩以補償需要放出的能量;在減速中則應附加正的動態轉矩以補償卷繞機構慣性所吸收的能量。
3控制系統組成及功能實現[2]
五臺臺達變頻裝置通過軟件組態，由西門子s7-300PLC 進行速度設定、張力設定，運行程序控制及各種連鎖順序操作等。輸入和參數修改通過一臺西門子的OP270操作屏來完成。五臺變頻調速裝置采用公共直流母線的接法，通過內部電氣連接和軟件使五臺裝置成為一個整體。S7-300與變頻調速器、OP270操作屏組成現場總線控制網絡，協議采用RS485，完成整個軋機操作控制,，控制系統組態圖如圖2所示。

圖2 改造后的軋機控制系統
本系統主要有以下幾部分：
(1)軋機、開卷機、卷取機分別由五臺交流電動機拖動，由臺達公司生產的VFD-CT2000系列高性能矢量型變頻器輸出來控制電機;
(2)為達到所規定的張力范圍，開卷機及卷取機分別有兩臺電機組成，這兩臺的變頻裝置采用公共直流母線的方式通過內部電氣連接和軟件配合使兩臺裝置成為一個控制整體，通過速度反饋實現轉矩控制;
(3)軋機的速度給定，寸動速度、張力大小可直接在操作屏進行調節;
(4)在速度變換的過程中可自動進行慣性補償，補償量可在操作屏上進行設置;
(5)在操作屏上實時顯示線速度，電機電流，張力值。壓下噸位顯示;
(6)當帶材斷裂，有警鈴工作，電機自動停止運行。
4所選用的變頻器應用設置及說明
4.1變頻器的接線結構圖
為實現上述功能，所選用的五個傳動點變頻器接線結構如圖3所示。

圖3 五個傳動點的電氣連接示意圖
4.2變頻器主要參數設置[3]
為實現上述的控制功能，對變頻器的主要參數設置如下，由于篇幅限制，本次只列出部分主要的參數，如附表所示。
5改造后運行效果
經過改造后，軋機系統可以去掉一個420馬力電機，一臺240kW的發電機，四個84kW的發電機，節能效果非常明顯，一年可節約電費將近二十萬元。本套系統于2011年11月投入使用，經實際驗證，其控制方法簡單、體積小、精度高，各項性能指標均達到或優于用戶的要求，是一個值得推廣的老系統改造方法。
作者簡介
陳景文 男，陜西科技大學副教授，陜西科達電氣有限公司總工程師，主要研究方向為電力電子與運動控制。
參考文獻
[1] 陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2010.
[2] 廖常初.S7-300/400 PLC應用技術 [M].北京：機械工業出版社，2012.
[3] 中達電通股份有限公司.臺達CT2000變頻器使用手冊[Z].2010