交流伺服控制系統在連鑄結晶器調寬中的應用

濟鋼集團第三煉鋼廠是濟鋼集團“十五”期間的重點投資項目，引進的是國內外一流的先進設備和自動化控制技術，其裝備屬于“國內一流，國際先進”水平。二期工程ASP1700連鑄連軋是鞍鋼集團與濟鋼集團合作開發的項目，在該項目中，連鑄機結晶器調寬系統采用了新型全數字交流伺服控制系統，是當今世界最先進伺服控制技術。

結晶器調寬工藝及設備配置

連鑄機結晶器采用直結晶器，由兩個寬面和兩個窄面構成，長1200mm，內腔厚度最寬150mm，調寬范圍:100mm-150mm。其中窄面是可以活動的，以便在連鑄機準備和澆注期間調節結晶器的寬度和錐度。結晶器采用一組拉桿夾緊兩個寬面和兩個窄面，拉桿通過彈簧組保持夾緊力，拉桿上的液壓缸可以在調寬過程中壓縮彈簧，以使窄面能容易移動，快速打開寬面。液壓缸壓力可連續調節，隨板坯的寬度變化來調節夾緊力，實現軟夾緊。由于該壓力不是夾緊寬面，因此在液壓壓力失效時，彈簧能夠保持夾緊力而不會有危險。
　　
結晶器調寬系統包括:4套絲杠機構，每個窄面2套;4套帶有旋轉變壓器的交流異步伺服電動機，固定在澆注平臺下的冷卻室外;4個萬向軸、4套交流伺服控制單元。

每一個窄面使用伺服單元控制調寬電機驅動，可以改變兩邊寬度和每個面的錐度。由于調寬時生產的板坯窄面不是直的，這意味著在調寬期間窄面銅板與坯殼之間的氣隙的產生，避免漏鋼，在調整寬度的同時必須調整錐度。為了減小凝固坯殼的應力，窄面的調整應緩慢進行。為保證坯殼與銅板緊密接觸，結晶器錐度隨寬度的減小而減小，隨寬度增加而加大。控制系統根據鋼種、澆注速度、要求的錐度和板坯定尺，在澆注期間為各邊的運動選擇不同的算法。

結晶器調寬控制系統組成與原理

結晶器調寬控制系統采用西門子S7-400PLC，伺服單元選用西門子MASTERDRIVES MC 全數字運動控制器，具有過載能力大，調速范圍寬等特點，設有TP270人機界面，可設定和故障監視功能。每個伺服電機自有一套伺服單元，采用位置環、速度環、電流環三環控制，是一種高動態響應、高精度的運動控制方式。傳動系統經Profibus總線和PLC及TP270相連。伺服電機采用倫茲（MDSKARS090-22）三相交流異步伺服電動機，功率2.6kW， 額定速度2300r/min。生產工根據生產鋼種結晶器寬度、錐度設定值輸入到人機界面上，經Profibus總線傳輸給調寬PLC，PLC運算后，給各個伺服單元發出位置控制信號，伺服單元將伺服電機旋轉變壓器信號換算出的實際位置信號和實際速度信號分別作為位置環反饋信號和速度環反饋信號實現三環控制，而使系統快速平滑地跟隨位置設定值，保證結晶器上下口電機的恒定速度差，實現窄面銅板的精確定位。整個控制系統是以伺服電機電流環、電機速度為內環，窄面銅板位置為外環的三環控制結構，系統精度高，速度響應快，運行平穩可靠，定位準確.

交流伺服控制系統

結晶器調寬交流伺服控制系統應用的是典型的基礎自動化（PC或PLC）＋運動控制器的控制結構。西門子運動控制器是一個帶位置環的高性能矢量變頻器，它通過電機帶的測速裝置與裝置內的伺服單元構成位置環，是典型全數字交流伺服控制器。具體說，MC運動控制器是電壓源型帶加速度、速度前饋位置控制器、轉矩內環轉速、磁鏈閉環的交流異步矢量控制器，其構成的系統為交流伺服控制系統.

基礎自動化

基礎自動化采用PLC和人機界面組成，主要完成結晶器調寬的操作，數據的設定和基本運算，現場信號的采集、監測信號的顯示，以及報警功能等等。

伺服控制器

MC控制器主回路

主回路由不可控三相橋式整流器、三相橋式PWM逆變器和中間直流環節等三部分構成。在電網和變頻器之間加一個進線電抗器，消除尖峰電壓、消除諧波。在直流母線側增加制動單元，用于消除電動機產生的回饋到電網的能量。PWM逆變器功率器件采用全控型IGBT管。變頻器輸出側加電抗器，能改善變頻器輸出電流的波形，降低電動機的噪聲。伺服電機使用的是感應伺服電動機。

MC控制器控制回路
　　
控制回路主要有兩部分組成:控制板CUMC板和 F01工藝板，F01工藝板實際就是采用帶速度、加速度預控制的位置前饋控制器，控制器集成了定位、轉速和同步角控制等功能，可以在驅動器內部直接實現電子軸和電子變速箱功能。F01工藝板有6種操作模式，根據工藝需要可以任意選擇。在每種模式下，F01工藝板根據實際需要有位置控制、帶速度予控制的位置控制、帶速度、加速度予控制的位置控制，顯示了MC運動控制器強大的軟件功能。在結晶器調寬交流伺服控制系統中應用了F01工藝板，分別選用SET-UP（手動模式） HOMING （校驗模式）MDI（自動模式）三種模式，這三種模式分別是帶速度予控制的位置前饋控制器、帶速度、加速度予控制的位置前饋控制器、帶速度、加速度予控制的位置前饋控制器。
　　
控制板CUMC板主要完成矢量變換功能，其內部主要有五部分組成:位置控制器APR、速度控制器ASR、電流調節器（ACR）、位置反饋器，空間電壓矢量變換器。
　　
位置反饋信號經過計算后，分成兩路，一路作為位置信號實際值，進入位置控制器（APR）;另一路作為速度反饋實際值進入速度控制器（ASR）。
　　
位置控制器（APR）采用P調節器和PI調節器，將位置偏差作為輸入，完成位置控制策略功能，輸出作為速度的給定。速度控制器（ASR）采用PI調節器，輸入信號來自位置控制器和反饋信號的偏差，完成速度變化范圍的調速控制，滿足負載的工作需求。
　　
電流調節器（ACR）由四部分組成:磁鏈控制器（AψR）、轉矩控制器（ATR）、磁鏈觀測器、電壓轉換器。
　　
磁鏈控制器（AψR）采用PI調節器，AψR的給定值由函數發生器GF與轉子磁鏈觀測器的偏差，其輸出信號作為定子電流磁鏈分量的電流值;
　　
轉矩控制器（ATR）采用PI調節器，轉速調節器輸出Tei與取自于轉子磁鏈觀測器的轉矩反饋信號的偏差作為內環調節器ATR的給定值，其輸出信號作為定子電流轉矩分量的電流值;
　　
磁鏈觀測器選用的是電流計算模型，計算在矢量變換模型中的轉子磁鏈ψr和它的定向相位角φ;
　　
電壓轉換器的輸入來自AψR 和ATR的輸出，把電流值計算為磁鏈分量的電壓值和轉矩分量的電壓值。
　　
西門子PWM調制方法采用空間電壓矢量法，空間電壓矢量變換器主要完成PWM調制，其輸入信號來自電壓變換器的磁鏈分量的電壓值、轉矩分量的電壓值和來自磁鏈觀測器計算所得的磁鏈相位角，經矢量變換后得到定子三相每相指令電壓。

交流伺服控制系統硬件技術

基礎自動化

PLC系統
　　
結晶器調寬PLC系統作為連鑄機L1系統的一個子系統，其系統設計本著可靠、先進、開放的原則，綜合考慮系統的性能價格比，根據工藝方案和機械設備條件，系統結構盡可能統一，同時應與其它L1級子系統保持一致。連鑄L1級PLC系統選用的是SIEMENS S7-400系列PLC。根據調寬工藝性能要求，PLC系統CPU 選擇S7-414-3，通過CP443通訊模塊與L1級工業以太網通訊，也可以通過PROFIBUS-DP接口與MC運動控制器和TP270通訊。

人機界面
　　
根據工藝特點及現場環境，結晶器調寬人機界面選擇TP270操作面板。TP270屬于SIMATIC HMI（人機界面）產品系列中文本圖形觸模式操作面板，在性能上有以下特點:簡單快速配置，配置數據是可以恢復的;可用標準WINDOWS工具進行配置;使用軟鍵、功能鍵或觸模控制，簡化了操作，也保障了操作的安全性，易于使用;和西門子PLC完美結合，使整個系統在硬件和軟件均達最優化，尤其是通訊支持PROFIBUS-DP總線協議。

伺服控制系統

MC控制器
　　
結晶器調寬伺服控制器選用的是西門子公司MASTERDRIVES MC運動控制器，該控制器是應用于高動態響應循環機械控制的控制器，是完全智能化的控制系統。 MC控制器有以下特點:
　　
高動態響應，高過載能力:MC驅動器使用了32位DSP數字控制技術，DSP器件內部具有功能強大的硬件計算電路和特殊的總線結構，具有強大的數字信號處理功能;MC運動控制驅動器同時具有極高的過載因數，250ms內300%的過載能力。
　　
通用性強:它能夠控制任何型號的電機，具有的模塊化、插入式可選編碼器功能模板可以完成所有的驅動任務，有支持脈沖編碼器（TTL/HTL）的SBP板，支持旋轉變壓器的SBR2板，支持多圈編碼器（ EQN，EQI， EnDat/SSI或Sin/Cos）編碼器的SBM2 板，都可以非常容易地與系統相連接。
　　
優良的矢量控制驅動器:智能性就驅動處理技術和控制功能而言，自動控制系統相當可靠。它簡化了配置和服務工作，降低了系統成本和工程管理成本，是具有最高動態響應和分布式智能化的 VectorControl矢量控制驅動器。
　　
強大的通訊能力:MC運動控制驅動器具有支持各種現場總線的可選模板，這些接口模板的設置，顯著地增強了伺服單元與其它控制設備間的互聯能力。MC運動控制驅動器的各種通訊模板中有支持Profibus總線的CBP2板，支持CAN總線的CBC板，支持DeviceNet總線的CBD板，支持CC-Link總線的CBL板。其中Profibus-DP是當今世界上最為成功和流行的現場總線標準，在Profibus CBP2功能模板上同級模塊之間能相互通訊，尤其在西門子產品系統集成中，更顯示其優點。

伺服電機
　　
交流伺服電機采用倫茲（MDSKARS090-22）三相交流異步伺服電動機，交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，特別是交流伺服電機的過負荷特性和低慣性更體現出交流伺服系統的優越性，感應式異步電動機結構堅固，制造容易，價格低廉。

位置反饋裝置
　　
AC伺服系統中常用的位置傳感器不但要完成系統的位置檢測，而且同時實現電動機速度測量與轉子磁極位置檢測，但在目前并不是所有的位置傳感器都能同時完成這三種檢測功能。各種位置傳感器都有其自身的固有特點，要針對具體控制對象要求，選擇合適的位置傳感器。在結晶器調寬應用環境，溫度高、振動大，對于反饋裝置需要有較高環境適應能力。旋轉變壓器的特點是本身結構堅固耐用，不怕振動沖擊，可在高溫下工作。具有很強的適應環境能力。隨著電子技術的發展，利用軟件技術代替了旋轉變壓器的運算電路，使其精度更高，可以作為磁極位置、電動機速度和系統位置檢測用，結晶器調寬系統采用了旋轉變壓器做為位置檢測裝置。

交流伺服控制系統軟件技術特點

應用軟件STEP7 和PROTOOL的技術特點
　　
在結晶器調寬系統中，PLC編程使用STEP7 V5.3，STEP7是用于SIMATIC可編程邏輯控制器組態和編程的標準軟件包，它是SIMATIC工業軟件的組成部分，可以使用于帶有各種功能的SIMATIC S7-300/400系列PLC。軟件主要編程語言使用STL（語句表）、LAD（梯形圖）和FBD（功能框圖）。結晶器調寬操作界面TP270使用PROTOOL進行組態及編程，PROTOOL是用于可視化過程的使用簡單、高性能的可視化軟件，可在Windows95/98，2000下運行。
應用軟件STEP7功能
　　
結晶器調寬PLC軟件由OB（組織塊）、FC（功能塊）、DB（數據塊）、SFB和 SFC（系統功能塊和系統功能）四部分組成 。
　　
OB（組織塊）是操作系統和用戶程序之間的接口。它們由操作系統調用并控制循環和中斷驅動的程序的執行以及PLC啟動，處理對錯誤的響應。調寬程序由五個OB塊組成，分別完成程序執行和循環中斷以及對站故障的處理;
　　
SFC（系統功能）是S7CPU為用戶提供了一些已經編好程序的塊，可在程序中進行調用。例如在DP通訊中使用了兩個SFC塊“DPRD_DAT”和”DPWR_DAT”，用于PLC和MC控制器之間的PROFIBUS DP 的數據傳輸;
　　
DB（數據塊）用于存放程序工作時的變量數據，每個FB、FC、或OB可以從共享DB中讀取數據，或將數據寫入共享DB。程序中DB塊主要有三種，操作數據（TP270），通訊數據用于MC控制的DB和與L1級PLC和L2級服務器的DB塊;
　　
FC（功能塊）是完成各種工藝功能的塊，一個FC包含一個程序部分。例如調寬程序FC有用于完成手動操作的MANULLY的FC塊，完成校驗操作的“CALIBRATION”FC塊，見圖4所示。

應用軟件PROTOOL功能

　　結晶器調寬系統TP270應用PROTOOL設計了10個畫面來實現各種操作。
　　ALARM:系統報警畫面，顯示系統報警信息;
　　Main_screen :主畫面，顯示各系統的狀態，可選擇模式操作畫面;
　　Calibration :校驗模式操作，進行結晶器校驗操作;
　　MANUAL:手動模式選擇，進行結晶器手動操作;
　　Menu菜單選擇;
　　PIC_12:MC故障復位操作;
　　Preconditon條件顯示，自動操作條件顯示;
　　SET-POINTS:自動控制，進行結晶器自動操作;
　　Trend1 電流趨勢監控Trend2電流趨勢監控。

交流伺服控制系統的優點

傳統的結晶器調寬伺服控制系統一般由人機界面、PLC系統、執行機構（伺服閥或變頻器）、反饋裝置組成，在這種系統中，PLC系統承擔了伺服控制器的功能，大量的伺服控制算法均由PLC實現，應說傳統伺服控制主要由PLC完成。而交流伺服結晶器調寬控制系統也是由人機界面、PLC系統、執行機構（MC控制器）、反饋裝置組成，在交流伺服控制系統中，MC控制器內部有位置控制單元，主要的伺服算法由MC運動控制器完成，執行單元是MC控制器，MC控制器在系統中實現主要伺服功能，而PLC在系統中，僅僅做一般作用數值計算、數據通訊，不承擔伺服控制運算，在結晶器調寬伺服控制系統中伺服控制是由MC運動控制器來完成。
　　
液壓伺服控制系統易出現管路漏油、元器件損壞、故障率高的弊端，而且備件昂貴，出現問題難以查找。與液壓伺服控制系統相比，交流伺服系統控制精度高、響應快，故障率低，強大報警的功能便于查找問題和處理問題，降低維護工作的強度。
　　
液壓伺服控制系統在連鑄機拉鋼期間可能出現結晶器錐度發生變化，造成的連鑄機停拉甚至漏鋼的事故。交流伺服系統控制系統中結晶器不可能出現錐度發生變化，所以不會造成生產事故。

結語

結晶器調寬交流伺服控制系統應用以來，表現出優越的控制性能:
　　
控制精度高、操作簡單，深受操作人員的好評;
　　
控制系統故障率低，MC控制器強大的報警功能也方便維護人員查找故障，快速解決問題;
　　
避免了連鑄機拉鋼期間出現結晶器錐度發生變化，造成的連鑄機停拉甚至漏鋼事故，保證了生產順利進行。
　　
交流伺服控制在濟鋼連鑄機結晶器調寬系統的成功應用，實現了濟鋼1700連鑄-連軋系統不停機改變鑄坯斷面的要求，從而為鑄坯熱裝和直接連軋創造了條件，充分滿足了軋鋼每個單元內多規格的要求，大大提高了連鑄及連軋的生產能力和增加金屬收得率。