Rockwell 700s集成系统在转炉中的应用---低压变频器应用案例，尽在中国自动化网

华章电气公司 赵理行 徐小伟

摘要：文章根据武汉钢铁（集团）公司二炼钢易地改造2×180T转炉传动系统，分别从该系统的电气传动系统结构，工作模式、控制策略等方面详细的描述了Rockwell 700s集成系统在转炉控制中的应用。

关键词：转炉 变频器 速度控制 转矩控制 光纤

1 引 言

　　随着交流变频控制技术的不断发展，交流传动系统已经在国内各大钢厂的转炉控制中得到了广泛应用，同时针对转炉的负载特性，出现了多种系统配置和控制方案，使得转炉的传动控制性能得到了很大的改善。本文主要介绍Rockwell 700s 变频集成系统在武汉钢铁（集团）公司二炼钢易地改造2×180T转炉倾动控制中的应用。

2 系统要求

　　武汉钢铁（集团）公司二炼钢易地改造2×180T转炉传动均采用三相四线制交流进线的调速方式，传动变频装置按工艺2套转炉共分为2组，分别为1#及2#转炉控制系统。

　　其中每座转炉由四台倾动电机驱动，正常工作时以1主3从方式进行工作，转速为0.15~1.5r/min；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，可降速维持正常生产，转速为0.15~1.125r/min；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，可降速维持一炉钢炼完，转速0.15~0.75r/min。

　　正常生产时，每座转炉倾动由两路电源供电。两路电源均出现故障时，由事故电源供电，打开四台制动器，转炉由正力矩自动回零位。

　　倾动控制分外控，内控1，内控2三种控制方式，外控用于正常生产，外控信号是由转炉的系统PLC通过总线下达，当外控发生故障时，可及时用内控1，内控2两种方式实现转炉的手动运行。

　　为使转炉制动平稳，减少制动器的冲击，制动过程采取先电气能耗制动，再机械抱闸制动的控制时序。

3 倾动电气传动的系统组成

　　倾动的电气传动系统主要包括四台变频器、转炉的系统PLC、倾动的内部PLC、光纤通讯装置以及现场总线通讯装置，见图1。

　　其中倾动的所有变频装置均采用Rockwell 700s交流变频器，每台变频器控制主板集成了drivelogix（兼容rockwell logix5000的可编程逻辑控制器）。

　　倾动四台变频器与转炉的系统PLC则采用profibus系统总线建立通讯，主要用于外控模式；变频器之间则是通过光纤SynchLink（Rockwell的一种光纤通讯）建立通讯，用于主从变频器的信息传递；另外配合内控模式，配置的倾动内部PLC，仅在调试、检修时启用。

图1 倾动电气系统

4 工作模式

　　本转炉控制具体分为三个工作模式：外控、内控1、内控2。

　　当控制模式为外控时，由转炉的系统PLC通过profibus总线向主变频器给定启停指令和工作速度，从机的力矩给定则由光纤SynchLink去完成，这样使得转炉的系统PLC不再参与倾动主从电机之间的负荷平衡控制，提高了系统的响应特性。

　　当控制模式转为内控1、内控2时，倾动的内部PLC通过各个变频器的I/O完成控制指令和速度的给定，同样由光纤SynchLink去完成力矩的给定。内控1与内控2唯一的区别只是速度给定源的不同，内控1由柜门给定，内控2则由炉前手柄给定。

　　在以上三种模式中，当倾动电机有故障情况时，则由drivelogix根据切换指令自动完成变频器内部主从参数的快速切换；当光纤出现故障时，同样由drivelogix根据光纤状态自动完成参数的重新配置。

　　应该说这套系统把转炉控制系统的各个功能进行了细分：转炉的系统PLC用于外控的逻辑指令的给定；倾动内部的PLC用于内控的逻辑指令的给定；光纤SynchLink专门用于主从变频器之间的信息传递；drivelogix用于非正常工况的各种切换工作。

　　通过这种功能的细分，使得整个系统的响应实时性得到了很大程度的提高。

5 控制策略

　　随着转炉设计容量的不断大型化，整个转炉的传动系统结构发生了很大的变化，电气控制的策略也在不断的调整和最优化。

　　目前四电机驱动、全悬挂扭力杆平衡型式转炉已经成为转炉结构的主流设计型式，它的控制重点就是必须保证各电机的负荷平衡、电机有故障时主从间的自动切换、转炉启停响应的灵敏度等问题。

5.1 电机间的负荷平衡

　　电机的负荷平衡是很多行业自动化控制中一个非常重要的问题，也是衡量转炉控制优劣的一个重要指标。

　　目前在转炉控制中负荷平衡大致有以下几种形式：

　　(1)四台变频器全部速度控制，从机转矩限制；

　　(2)主机速度控制，从机速度控制＋外环补偿；

　　(3)主机速度控制，从机直接为转矩控制。

　　结合该项目的实际情况，武钢转炉控制模式选用了第三种形式，即主机纯速度控制，从机为转矩控制，这样按电机工作状况就分为1主3从，1主2从，1主1从。

　　当四台工作时，第一台变频器的速度环输出值，直接作为三台从机的转矩环的给定值；当三台工作时，已切换为主的变频器速度环输出值，作为另外两台从机的转矩环的给定值，依次类推；图2为主从间转矩电流给定的示意图。

图2 倾动电机转矩电流的给定

　　这样的优点在于，忽略了从机的速度环，利用其电流环的快速响应特性，在很大程度了保证了主从电机间的转矩电流传递的实时性，并且四台电机共用单个速度环，也消除了若启用四个速度环后，由于各个速度反馈差异所引起的各种问题。

5.2 转矩电流的传递

　　四台电机间如何进行数据的传递，也是保证负荷平衡的一个重要手段。

图3 Synchlink 通讯节点数据传输形式

　　随着现场总线技术的日益成熟，电机间速度和负荷给定也由以前模拟量的给定形式向总线给定转变，但是现场总线的传输速率对不同的现场环境、从站节点多少等因素，所受影响较大。这样对于转炉在四个像限循环工作的，大惯量的传动系统，当主机的控制信息不能实时的传给从机，就会由于这种通讯的滞后造成系统的不稳定。

　　而现在采用了光纤Synchlink作为主从信息传递的介质，正是利用它4个直接数据的传输时间50usec，18个缓冲数据的传输时间500usec这种高速的通讯性能，从而将在主从电机信息给定过程中，由通讯介质引起的滞后影响降到最低，保证了反馈、输出的实时性，进一步保证了主从间的负荷平衡，图3 为Synchlink 通讯节点数据传输形式示意图。

5.3 主从参数切换

　　鉴于转炉控制的特殊性，要求主从电机在非正常工况时能够自动切换，以保证生产的连续性。如何进行主从参数的切换，这也是转炉控制的一个基本功能。

　　由于本系统中700s 的控制主板集成了drivelogix，就使得转炉工作模式的切换和主从切换这些工作变得非常的简单，灵活。

　　Drivelogix是兼容Rockwell logix 5000开发平台的可编程逻辑控制器，它通过对700s的一些自由连接，能够方便的访问变频器内部各类参数，这样当变频器收到来自系统总线或外部I/O的各种故障信息、切换指令时，就会按照工艺要求去执行相应的工作。

　　由于配置了Drivelogix系统，对700s变频器的控制变得更为灵活，智能。即使没有上级PLC，用户也可以在变频器内部实现复杂的计算、控制逻辑等工作。

5.4 抱闸控制

　　转炉的安全性，启停快速性、定位准确性一直是转炉控制中另一个重要指标。

　　但由于700s 变频器内部提供了一些逻辑比较功能，这样用户就可按照抱闸控制的标准要求，通过一些逻辑指令，从而了保证启动时力矩达到设定值，停止时速度小于设定值，同时在系统中，充分利用了700s的自身的s曲线、惯量适应等功能，从而避免了启动时溜，制动时晃动很大等现象。

　　另外目前Rockwell 也有相应的抱闸控制程序块，在集成了Drivelogix 的系统中，只要调用这个程序块，就可对抱闸做出更为方便的控制。

6 结束语

　　武汉钢铁（集团）公司二炼钢易地改造2×180T转炉传动从2007年10月投产至今，运行良好，其控制功能完全满足了实际的生产要求。

　　这次700s 集成系统的成功应用，也是对这种内外两层网络协同控制模式在转炉控制中的应用提供了进一步的探索和验证。

参考文献

[1] 吕汀,石红梅.变频技术原理与应用.北京 ：机械工业出版社，2007

[2] 蒋慎言.炼钢生产自动化技术．北京：冶金工业出版社，2006

作者简介

赵理行 工程师，现任职于华章电气公司。

徐小伟 高级工程师，现任职于华章电气公司。