ROCKWELLPLC和变频器在酒钢转炉倾动自动控制中的应用
日期：2009-4-9 22:23:24 来源：中国自动化网
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酒钢自动化公司 自动化系统研究所 李东晓 常红霞
摘要：本文针对酒钢200万炼钢转炉倾动系统电机的机械特性和工艺要求，结合生产实际，对ControlLogix PLC系统和1336 Force交流变频器在酒钢200万炼钢转炉倾动系统的使用情况进行分析了和阐述。
关键词：PLC 变频器 倾动 自动控制
1 引 言
酒钢200万炼钢有3座120t顶底复吹转炉，1#转炉已经于2005年4月份投产，2#和3#转炉于2006年初投产，三座转炉的倾动和氧枪系统均采用罗克韦尔自动化公司的Allen-Bradley Logix平台控制系统-ControlLogix，NetLinx网络架构ControlNet，和基于磁场定向矢量控制技术的1336 Force交流变频器，实现转炉倾动和氧枪系统的自动控制，其自诊断和保护功能可靠，降低了设备故障停机时间，大大提高了生产效率。
2 转炉倾动负载特性分析
2.1 转炉倾动负载特性分析
在转炉系统中，炉体倾动部分采用四台倾动电机，通过减速机刚性连接，并采用全悬挂固定方式和扭力杆力矩吸收方式，如图1所示。
图1 转炉倾动结构示意图
根据工艺要求，转炉的倾动角度为正反360°。转炉炉口和炉底方向轴线与地平面垂直时为零位状态。故炉子倾动负载力矩为角度的函数Mfz=f(θ) ，属于反阴性的位能负载。另外，据工艺设计说明，转炉按正力矩设计，即炉子耳轴下部比上部高，下部比上部重。从而确保转炉电控系统失灵或抱闸力不够时，能靠炉体自身的正力矩来确保炉口向上，这样不至于发生倒钢等事故。但当维修炉拆除炉底后以及炉口粘钢渣太多时，炉体可能出现上部较下部重，由于液体钢水重心随转炉倾角的变化而变化，这样在修炉和出渣或出钢时，可能出现负力矩。当炉体处于正力矩状态时，电动机处于电动运行状态，当炉体处于负力矩状态时，电动机处于回馈制动状态，电动机的机械特性和负载特性如图2 。
(a)正力矩状态 (b)反力矩状态
图2 倾动电动机的机械特性和负载特性
倾动机构工艺要求：
主要特性及参数：工作倾动力矩：240t.m；
过载倾动力矩：660t.m；
倾动速度：0.10-1.0r/min；
倾动角度：+/-360°；
倾动电机：变频电动机：YTSZ315L-10，4台；
额定功率/电压：110kW/AC380V；
额定转速/频率：585r/min / 50Hz；
额定力矩/电流：1750Nm/230A；
速度反馈用编码器：30-3641IA-1024；
3 变频调速的原理
我们知道，交流电动机的同步转速表达式为：
n＝60f(1－s)/p
式中 n———异步电动机的转速；
f———异步电动机的频率；
s———电动机转差率；
p———电动机极对数。
由上式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，这就是变频调速。
按照电力拖动原理，在基频以下属于“恒转矩调速”，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”。由于转炉倾动和氧枪升降属重起动或满载起动负载，故要求电动机在起动时要有足够大的起动转矩和足够大的过载能力。采用恒磁通变频调速，在低频时（低速时）可通过人为地提高电压来保证电机具有最大恒转矩调速特性，因而可以满足重载起动负载要求。另外由于转炉倾动为位能负载，故有发电制动工作状态。而变频器可通过加“过压保护放电阻”提供这种“回馈”通路。
由于变频调速可以得到几乎与直流电机调速相同“硬度”的机械特性，因而可以说，变频调速传动系统完全具备了用于转炉倾动这种位能负载上的可能性。在本项目中使用的A-B 1336FORCE变频器，采用FORCE磁场定向控制技术，能够获得交流电动机速度和转矩的卓越控制性能。FORCE技术是使交流电动机真正获得“类似直流调速”性能的变频技术。
4 系统功能
4.1控制功能
转炉倾动变频系统各变频器的控制分两种方式：
（1）变频装置的单机调试、检修在人机接口操作面板（HMI）上完成；
（2）设备联动运行通过PLC系统实现（操作地点：正常生产时在中控室或机旁，联机调试时在变频器柜柜门）。
在任何一种情况下，均能保证控制方式的唯一性，而且控制方式的切换通过柜门上转换开关、按钮实现，方便、可靠。
转炉4台倾动变频器在正常工作时以1主3从方式进行工作；当其中1台故障时，余下3台装置转换调整后以1主2从方式进行工作；进一步当其中2台故障时，余下2台装置转换调整后以1主1从方式进行工作。
4.2 系统配置和功能实现
根据倾动机构工艺要求及控制功能，每座转炉倾动变频系统配置了一套相对独立的PLC（1#转炉为PLC12）系统，通过控制总线Control Net网络接口实现转炉变频器及PLC间的通讯（如图3）, 同时实现与转炉主PLC（1#转炉为PLC11）系统的通讯（如图4）。系统主要硬件配置如下：
倾动变频器：1336T-B250-AA-GT3EN-L4 四台（含制动组件）
ControlNet光纤模块：1786-RPFS 四块
控制系统：1756-L55M22 Logix5555控制器 一个
在转炉传动变频控制系统中，4台变频器通过光纤连接，构成主从应用工作组，工作时其中一台设为主传动工作方式，另三台工作在从传动方式，从传动变频器以转矩模式工作，主变频器速度由PLC系统通过变频器I/O口给定，主变频器通过Drive-to-Drive Link通讯向从机发送运行信息，内容包括主机转速，转矩及开关状态等，由主从装置参数设定自动实现与主传动的速度/转矩跟踪和转矩准确分配，实现了多电机传动中速度同步和转矩分配。
图3 变频器系统通讯配置图
图4 转炉变频器系统I/O配置图
系统正常运行时， PLC系统通过CNB总线与转炉倾动变频器正常通讯，实现控制和数据采集。当因某种原因引起故障时，例如某台从变频器或电机故障时，故障变频器自动停止工作，另外三台变频器继续工作，主变频器控制负载在这三台变频器之间平均分配；当主变频器或电机出现故障时，主变频器停止工作，并发出故障信号，此时可设置另外一台变频器为主传动，组成新的主/从工作组，按主/从方式继续工作，新的主变频器负责速度控制和负载分配。
另外，转炉倾动需严格监控，防止出现“溜车”故障，在转炉传动变频控制系统中，利用了PLC控制程序，使抱闸在系统起动后转矩建立在一定的输出转矩时松开，在系统停止后转矩下降至一定的输出转矩时抱紧，大大提高了系统应用的可靠性。
为了监控转炉的倾动的位置，在设备主轴上安装有编码器，通过现场总线将信号传送到PLC系统，通过PLC来计算、转换，在画面上显示。
5 1336 FORCE变频器的参数设置及链接
5.1 术语
(1) 参数（parameter）：存储在装置中包含有信息的内存区域。包括参数号，参数数据，以及和该参数有关的所有其余信息
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酒钢自动化公司 自动化系统研究所 李东晓 常红霞
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摘要：本文针对酒钢200万炼钢转炉倾动系统电机的机械特性和工艺要求，结合生产实际，对ControlLogix PLC系统和1336 Force交流变频器在酒钢200万炼钢转炉倾动系统的使用情况进行分析了和阐述。
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关键词：PLC 变频器 倾动 自动控制
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1 引 言
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酒钢200万炼钢有3座120t顶底复吹转炉，1#转炉已经于2005年4月份投产，2#和3#转炉于2006年初投产，三座转炉的倾动和氧枪系统均采用罗克韦尔自动化公司的Allen-Bradley Logix平台控制系统-ControlLogix，NetLinx网络架构ControlNet，和基于磁场定向矢量控制技术的1336 Force交流变频器，实现转炉倾动和氧枪系统的自动控制，其自诊断和保护功能可靠，降低了设备故障停机时间，大大提高了生产效率。
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2 转炉倾动负载特性分析
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2.1 转炉倾动负载特性分析
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在转炉系统中，炉体倾动部分采用四台倾动电机，通过减速机刚性连接，并采用全悬挂固定方式和扭力杆力矩吸收方式，如图1所示。
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图1 转炉倾动结构示意图
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根据工艺要求，转炉的倾动角度为正反360°。转炉炉口和炉底方向轴线与地平面垂直时为零位状态。故炉子倾动负载力矩为角度的函数Mfz=f(θ) ，属于反阴性的位能负载。另外，据工艺设计说明，转炉按正力矩设计，即炉子耳轴下部比上部高，下部比上部重。从而确保转炉电控系统失灵或抱闸力不够时，能靠炉体自身的正力矩来确保炉口向上，这样不至于发生倒钢等事故。但当维修炉拆除炉底后以及炉口粘钢渣太多时，炉体可能出现上部较下部重，由于液体钢水重心随转炉倾角的变化而变化，这样在修炉和出渣或出钢时，可能出现负力矩。当炉体处于正力矩状态时，电动机处于电动运行状态，当炉体处于负力矩状态时，电动机处于回馈制动状态，电动机的机械特性和负载特性如图2 。
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(a)正力矩状态 (b)反力矩状态
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图2 倾动电动机的机械特性和负载特性
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倾动机构工艺要求：
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主要特性及参数：工作倾动力矩：240t.m；
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过载倾动力矩：660t.m；
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倾动速度：0.10-1.0r/min；
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倾动角度：+/-360°；
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倾动电机：变频电动机：YTSZ315L-10，4台；
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额定功率/电压：110kW/AC380V；
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额定转速/频率：585r/min / 50Hz；
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额定力矩/电流：1750Nm/230A；
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速度反馈用编码器：30-3641IA-1024；
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3 变频调速的原理
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
我们知道，交流电动机的同步转速表达式为：
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n＝60f(1－s)/p
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式中 n———异步电动机的转速；
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f———异步电动机的频率；
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s———电动机转差率；
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p———电动机极对数。
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由上式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，这就是变频调速。
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按照电力拖动原理，在基频以下属于“恒转矩调速”，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”。由于转炉倾动和氧枪升降属重起动或满载起动负载，故要求电动机在起动时要有足够大的起动转矩和足够大的过载能力。采用恒磁通变频调速，在低频时（低速时）可通过人为地提高电压来保证电机具有最大恒转矩调速特性，因而可以满足重载起动负载要求。另外由于转炉倾动为位能负载，故有发电制动工作状态。而变频器可通过加“过压保护放电阻”提供这种“回馈”通路。
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由于变频调速可以得到几乎与直流电机调速相同“硬度”的机械特性，因而可以说，变频调速传动系统完全具备了用于转炉倾动这种位能负载上的可能性。在本项目中使用的A-B 1336FORCE变频器，采用FORCE磁场定向控制技术，能够获得交流电动机速度和转矩的卓越控制性能。FORCE技术是使交流电动机真正获得“类似直流调速”性能的变频技术。
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4 系统功能
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4.1控制功能
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转炉倾动变频系统各变频器的控制分两种方式：
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（1）变频装置的单机调试、检修在人机接口操作面板（HMI）上完成；
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（2）设备联动运行通过PLC系统实现（操作地点：正常生产时在中控室或机旁，联机调试时在变频器柜柜门）。
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在任何一种情况下，均能保证控制方式的唯一性，而且控制方式的切换通过柜门上转换开关、按钮实现，方便、可靠。
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转炉4台倾动变频器在正常工作时以1主3从方式进行工作；当其中1台故障时，余下3台装置转换调整后以1主2从方式进行工作；进一步当其中2台故障时，余下2台装置转换调整后以1主1从方式进行工作。
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4.2 系统配置和功能实现
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根据倾动机构工艺要求及控制功能，每座转炉倾动变频系统配置了一套相对独立的PLC（1#转炉为PLC12）系统，通过控制总线Control Net网络接口实现转炉变频器及PLC间的通讯（如图3）, 同时实现与转炉主PLC（1#转炉为PLC11）系统的通讯（如图4）。系统主要硬件配置如下：
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倾动变频器：1336T-B250-AA-GT3EN-L4 四台（含制动组件）
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控制系统：1756-L55M22 Logix5555控制器 一个
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在转炉传动变频控制系统中，4台变频器通过光纤连接，构成主从应用工作组，工作时其中一台设为主传动工作方式，另三台工作在从传动方式，从传动变频器以转矩模式工作，主变频器速度由PLC系统通过变频器I/O口给定，主变频器通过Drive-to-Drive Link通讯向从机发送运行信息，内容包括主机转速，转矩及开关状态等，由主从装置参数设定自动实现与主传动的速度/转矩跟踪和转矩准确分配，实现了多电机传动中速度同步和转矩分配。
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图3 变频器系统通讯配置图
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图4 转炉变频器系统I/O配置图
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另外，转炉倾动需严格监控，防止出现“溜车”故障，在转炉传动变频控制系统中，利用了PLC控制程序，使抱闸在系统起动后转矩建立在一定的输出转矩时松开，在系统停止后转矩下降至一定的输出转矩时抱紧，大大提高了系统应用的可靠性。
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为了监控转炉的倾动的位置，在设备主轴上安装有编码器，通过现场总线将信号传送到PLC系统，通过PLC来计算、转换，在画面上显示。
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