1.前言

　　秦皇島安豐鋼鐵有限公司第三煉鋼廠新建2#150噸轉(zhuǎn)爐煉鋼工程，其低壓電氣、現(xiàn)場(chǎng)儀表、電氣傳動(dòng)及PLC三電一體控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)施工及調(diào)試由萊鋼電子公司所承擔(dān)，并于2011年9月1日順利投產(chǎn)。

　　該工程中所涉及的變頻器均采用西門子SINAMICS系列，特別是轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)，更是選用了帶有源回饋功能的SINAMICSS120變頻器，集v/f控制、矢量控制、伺服控制為一體的多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有模塊化的設(shè)計(jì)。各模塊間通過(guò)高速驅(qū)動(dòng)通訊接口drive-cliq相互連接，可以實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換，滿足了工藝對(duì)電氣傳動(dòng)設(shè)備的要求。

　　2.S120與PLC通訊方式

　　本項(xiàng)目中PLC系統(tǒng)采用西門子S7-400系列，通過(guò)ProfibusDP擴(kuò)展ET200M，同時(shí)通過(guò)ProfibusDP與SINAMICSS120變頻器通訊，控制變頻器啟停，并監(jiān)視變頻器運(yùn)行狀態(tài)。在針對(duì)變頻器調(diào)試的過(guò)程中，可以選用CP5512，CP5513或者CP5613等配件與上位機(jī)直接通訊。本項(xiàng)目中選用的CU320-2附帶有一個(gè)LAN口，可使用網(wǎng)線與變頻器直接連接。項(xiàng)目的基本組態(tài)如圖1所示：

　　3.S120變頻器的特性

　　之所以選擇S120變頻器作為轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制設(shè)備，一方面是考慮到S120優(yōu)秀的性能，還一方面考慮到轉(zhuǎn)爐工藝的特性。根據(jù)轉(zhuǎn)爐的工藝要求，轉(zhuǎn)爐爐體需能進(jìn)行土360°的傾動(dòng)。一般情況轉(zhuǎn)爐處于平衡力矩工作狀態(tài)，也就是說(shuō)爐體本身重量集中在爐體下部，也就是鋼水所在的位置。這樣就可以確保轉(zhuǎn)爐事故狀態(tài)下，爐體能實(shí)現(xiàn)自復(fù)位功能。傾動(dòng)機(jī)構(gòu)可以平衡慣性勢(shì)能負(fù)載。在正常生產(chǎn)的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)至幾個(gè)固定的位置時(shí)(兌鐵位、吹煉位、出鋼位等)，要求轉(zhuǎn)爐處于靜止的狀態(tài)，爐體由靜→動(dòng)以及由動(dòng)→靜時(shí)，要求爐身過(guò)渡平穩(wěn)，無(wú)明顯的沖擊現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，被控對(duì)象具有一定的動(dòng)態(tài)，靜態(tài)指標(biāo)要求。

　　SINAMICS S120的核心控制單元CU320(V2.2版本)可以控制4個(gè)矢量軸或者是6個(gè)伺服軸。S120擁有出色的矢量控制能力，所謂的矢量控制就是通過(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量通過(guò)3/2坐標(biāo)變換分解為勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。簡(jiǎn)單的說(shuō)，矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，分別設(shè)計(jì)出針對(duì)于兩者的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的高性能調(diào)速。利用矢量控制，可以將一臺(tái)三相異步電機(jī)等效為直流電機(jī)來(lái)控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)態(tài)性能。如圖為矢量控制的原理圖，ω為轉(zhuǎn)速實(shí)際值，ω*為轉(zhuǎn)速指令值;ψrd為定轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)換值， ψrd*為定轉(zhuǎn)子磁鏈估算值;isq為定轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)換值，isq*是與之相對(duì)應(yīng)的計(jì)算值。

　　4.可視化調(diào)試的過(guò)程

　　S120有非常豐富的控制方式和控制模式，為我們實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的各種工藝需求提供了強(qiáng)有力的支持。S120提供了三種控制方式，分別為：扭矩控制、速度控制、位置控制。并且提供了三種控制模式：伺服控制，矢量控制，V/F控制。在本項(xiàng)目中，我們選用了矢量控制模式(P0107)。我們將傾動(dòng)系統(tǒng)四臺(tái)變頻設(shè)置為主從控制方式，主機(jī)采用速度環(huán)控制，從機(jī)采用力矩環(huán)控制。在空爐時(shí)，四變頻器拖四電機(jī)主從控制效果良好。然后分批增加配重，同時(shí)調(diào)試變頻參數(shù)。我們通過(guò)DP通訊把變頻器的實(shí)際力矩和實(shí)際速度讀入到PLC，由PLC系統(tǒng)判斷后再生成抱閘信號(hào)。由于轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)屬于重載設(shè)備，且傾動(dòng)過(guò)程中，實(shí)際轉(zhuǎn)矩的大小和方向始終在變化，需要對(duì)變頻器的PI參數(shù)、斜坡時(shí)間和抱閘等參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試。前期，在大配重的情況下，爐體運(yùn)行時(shí)有明顯的抖動(dòng)現(xiàn)象，后來(lái)經(jīng)過(guò)我們多次嘗試，在變頻參數(shù)中增加了變比例調(diào)節(jié)，最終解決了爐體抖動(dòng)的難題，使轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。

　　在調(diào)試過(guò)程中，我們使用了Starter軟件來(lái)對(duì)S120參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。Starter軟件是西門子SCOUT平臺(tái)的重要組成部分，可以通過(guò)DriveES與Step7進(jìn)行無(wú)縫連接，將項(xiàng)目中的傳動(dòng)設(shè)備集成到自控系統(tǒng)中。通過(guò)Starter工具調(diào)試SINAMICS S120變頻器，可以用網(wǎng)線直接將PC連接到CU320-2自帶的LAN口，使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊，快速方便。在Starter中設(shè)置DP地址后，會(huì)自動(dòng)顯示DP撥碼的位置，此外，通訊報(bào)文應(yīng)使用相同的設(shè)置才能正常連接，使用“Transfer to HWconfig”功能可以將在Starter中配置好的報(bào)文設(shè)置直接傳送到PLC的組態(tài)中。利用Starter工具圖形化界面的特點(diǎn)，可以對(duì)變頻器參數(shù)進(jìn)行在線修改，并隨時(shí)觀察調(diào)試效果和變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，給我們調(diào)試工作帶來(lái)了極大的方便，明顯縮短了調(diào)試時(shí)間，有力保障了工程的進(jìn)度。

　　5.實(shí)際效果總結(jié)

　　SINAMICS S120變頻器用于轉(zhuǎn)爐煉鋼項(xiàng)目，使用Starter調(diào)試工具與PLC相結(jié)合的方式進(jìn)行調(diào)試，縮短了工程建設(shè)周期，又改善了調(diào)試效果。由于SINAMICS S120采用ALM和AIM的組合，可自動(dòng)調(diào)節(jié)直流母線電壓，有效避免了直流母線電壓過(guò)高引起的故障停機(jī)，而且ALM和AIM的組合帶有電能回饋功能，使轉(zhuǎn)爐的制動(dòng)時(shí)間明顯減小，既節(jié)能又提高了傾動(dòng)機(jī)構(gòu)的利用率，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，相對(duì)于傳統(tǒng)變頻器優(yōu)勢(shì)明顯。