SINAMICS S120變頻器在轉爐傳動上的研究與應用

　　1.前言

　　秦皇島安豐鋼鐵有限公司第三煉鋼廠新建2#150噸轉爐煉鋼工程，其低壓電氣、現場儀表、電氣傳動及PLC三電一體控制系統的現場施工及調試由萊鋼電子公司所承擔，并于2011年9月1日順利投產。

　　該工程中所涉及的變頻器均采用西門子SINAMICS系列，特別是轉爐傾動，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動系統，具有模塊化的設計。各模塊間通過高速驅動通訊接口drive-cliq相互連接，可以實現快速的數據交換，滿足了工藝對電氣傳動設備的要求。

　　2.S120與PLC通訊方式

　　本項目中PLC系統采用西門子S7-400系列，通過ProfibusDP擴展ET200M，同時通過ProfibusDP與SINAMICSS120變頻器通訊，控制變頻器啟停，并監視變頻器運行狀態。在針對變頻器調試的過程中，可以選用CP5512，CP5513或者CP5613等配件與上位機直接通訊。本項目中選用的CU320-2附帶有一個LAN口，可使用網線與變頻器直接連接。項目的基本組態如圖1所示：

　　3.S120變頻器的特性

　　之所以選擇S120變頻器作為轉爐傾動機構的控制設備，一方面是考慮到S120優秀的性能，還一方面考慮到轉爐工藝的特性。根據轉爐的工藝要求，轉爐爐體需能進行土360°的傾動。一般情況轉爐處于平衡力矩工作狀態，也就是說爐體本身重量集中在爐體下部，也就是鋼水所在的位置。這樣就可以確保轉爐事故狀態下，爐體能實現自復位功能。傾動機構可以平衡慣性勢能負載。在正常生產的情況下，當轉爐傾動至幾個固定的位置時(兌鐵位、吹煉位、出鋼位等)，要求轉爐處于靜止的狀態，爐體由靜→動以及由動→靜時，要求爐身過渡平穩，無明顯的沖擊現象。由此可見，被控對象具有一定的動態，靜態指標要求。

　　SINAMICS S120的核心控制單元CU320(V2.2版本)可以控制4個矢量軸或者是6個伺服軸。S120擁有出色的矢量控制能力，所謂的矢量控制就是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制電動機轉矩的目的。具體是將電動機的定子電流矢量通過3/2坐標變換分解為勵磁電流和轉矩電流，分別加以控制，并同時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。簡單的說，矢量控制就是將磁鏈與轉矩解耦，分別設計出針對于兩者的調節機構，以實現對電動機的高性能調速。利用矢量控制，可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調速系統同樣的靜、動態性能。如圖為矢量控制的原理圖，ω為轉速實際值，ω*為轉速指令值;ψrd為定轉子磁鏈轉換值， ψrd*為定轉子磁鏈估算值;isq為定轉子電流轉換值，isq*是與之相對應的計算值。

　　4.可視化調試的過程

　　S120有非常豐富的控制方式和控制模式，為我們實現轉爐傾動的各種工藝需求提供了強有力的支持。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。在本項目中，我們選用了矢量控制模式(P0107)。我們將傾動系統四臺變頻設置為主從控制方式，主機采用速度環控制，從機采用力矩環控制。在空爐時，四變頻器拖四電機主從控制效果良好。然后分批增加配重，同時調試變頻參數。我們通過DP通訊把變頻器的實際力矩和實際速度讀入到PLC，由PLC系統判斷后再生成抱閘信號。由于轉爐傾動屬于重載設備，且傾動過程中，實際轉矩的大小和方向始終在變化，需要對變頻器的PI參數、斜坡時間和抱閘等參數進行反復調試。前期，在大配重的情況下，爐體運行時有明顯的抖動現象，后來經過我們多次嘗試，在變頻參數中增加了變比例調節，最終解決了爐體抖動的難題，使轉爐傾動系統達到了預期的效果。

　　在調試過程中，我們使用了Starter軟件來對S120參數進行設置。Starter軟件是西門子SCOUT平臺的重要組成部分，可以通過DriveES與Step7進行無縫連接，將項目中的傳動設備集成到自控系統中。通過Starter工具調試SINAMICS S120變頻器，可以用網線直接將PC連接到CU320-2自帶的LAN口，使用TCP/IP協議進行通訊，快速方便。在Starter中設置DP地址后，會自動顯示DP撥碼的位置，此外，通訊報文應使用相同的設置才能正常連接，使用“Transfer to HWconfig”功能可以將在Starter中配置好的報文設置直接傳送到PLC的組態中。利用Starter工具圖形化界面的特點，可以對變頻器參數進行在線修改，并隨時觀察調試效果和變頻器的運行狀態，給我們調試工作帶來了極大的方便，明顯縮短了調試時間，有力保障了工程的進度。

　　5.實際效果總結

　　SINAMICS S120變頻器用于轉爐煉鋼項目，使用Starter調試工具與PLC相結合的方式進行調試，縮短了工程建設周期，又改善了調試效果。由于SINAMICS S120采用ALM和AIM的組合，可自動調節直流母線電壓，有效避免了直流母線電壓過高引起的故障停機，而且ALM和AIM的組合帶有電能回饋功能，使轉爐的制動時間明顯減小，既節能又提高了傾動機構的利用率，取得了明顯的經濟效益，相對于傳統變頻器優勢明顯。