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交流變頻器在不銹鋼橫切線上的應(yīng)用

 不銹鋼橫切線主要由開(kāi)卷機(jī)、卷紙機(jī)、張力輥、圓盤(pán)剪、卷邊機(jī)、矯直機(jī)、擠干輥、飛剪和真空垛板機(jī)等單機(jī)設(shè)備組成。其中矯直機(jī)、飛剪和真空垛板機(jī)從國(guó)外引進(jìn)。所有調(diào)速電機(jī)均采用交流變頻電機(jī)，變頻傳動(dòng)電機(jī)總功率506kW。調(diào)速裝置除飛剪為美國(guó)UNICO公司的產(chǎn)品外，其他均采用西門(mén)子公司SIMOVERT MASTER DRIVES 6SE70系列全數(shù)字矢量型交流變頻調(diào)速裝置。本文著重介紹SIMOVERT MASTER DRIVES 6SE70（SIMOVERT VC）全數(shù)字矢量型交流變頻調(diào)速裝置在橫切機(jī)組中的應(yīng)用。 
1、SIMOVERT VC功能及特點(diǎn) 
    1.1   技術(shù)指標(biāo)和硬件特點(diǎn) 
    SIMOVERT MASTER DRIVES 6SE70根據(jù)控制方式的不同，共分3種系列：V/F頻率控制型、矢量控制型和伺服控制型。主回路部分為交直交電壓型，功率單元采用IGBT組件，最大輸出功率達(dá)1500kW。該系列變頻器具有功率因數(shù)高、輸出紋波小、性能可靠、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。調(diào)速裝置主板上配有較豐富的數(shù)字、模擬量輸入/輸出接口及兩路串行數(shù)據(jù)通信口。除主板外，控制器中還留有兩個(gè)插槽供附加工藝板或通信板使用。西門(mén)子6SE70還可以將變頻器的整流、逆變兩部分以獨(dú)立裝置形式提供，即整流器和逆變器。這樣可以選用1套大容量整流器通過(guò)直流母線給多套逆變器供電。 
    1.2   通信能力 
    SIMOVERT VC具有較強(qiáng)的通信能力。它擁有3種途徑與外部通信。 
    主板上有兩個(gè)串行通信口，用于與手操器、計(jì)算機(jī)（帶SIMOVIS軟件）或上位機(jī)通信。使用USS協(xié)議，通信總線最高可帶31個(gè)從站，通信速率最高可達(dá)38.4Kb/s。 
    通過(guò)配備附加板SCB1、SCB2可以進(jìn)行傳動(dòng)裝置之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)聯(lián)接通信或與上位機(jī)之間通信。使用USS協(xié)議，通信總線最高可帶31個(gè)從站，通信速率最高可達(dá)38.4Kb/s。 
    對(duì)于高水平自動(dòng)化系統(tǒng)，通過(guò)配備附加通信板CB1使傳動(dòng)裝置通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)與上位機(jī)通信。PROFIBUS-DP網(wǎng)是一種功能很強(qiáng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)，符合ENSO 170標(biāo)準(zhǔn)。通常用雙芯帶屏蔽電纜，也可以用光纖通信。如用雙芯帶屏蔽電纜，在200m距離內(nèi)通信速率可達(dá)1.5Mb/s，最多可帶127個(gè)從站。
    1.3   控制軟件功能 
    SIMOVERT VC變頻器的矢量控制方式可以精確地測(cè)定和控制電機(jī)電流的力矩分量和勵(lì)磁分量，其控制性能可與直流傳動(dòng)相媲美，具有調(diào)節(jié)參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化，自動(dòng)故障顯示與報(bào)警，可以靈活設(shè)定和更改過(guò)程數(shù)據(jù)通道等特點(diǎn)。 
2、傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與配置 
    2.1   主回路配置 
    全數(shù)字交流變頻調(diào)速系統(tǒng)主回路由進(jìn)線電抗器，可逆整流器，自耦變壓器，逆變器，輸出電抗器和三相異步交流電動(dòng)機(jī)組成。進(jìn)線電抗器既可避免電網(wǎng)諧波對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的影響，也可減少整流裝置產(chǎn)生的高次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響。系統(tǒng)共用1套可逆整流裝置及公共直流母線，取消了能耗制動(dòng)單元。在正常工作時(shí)開(kāi)卷機(jī)的逆變器處于整流工作狀態(tài)，即能量由電動(dòng)機(jī)回饋到直流母線上，而其他逆變器則均處于逆變工作狀態(tài)，將直流母線上的電能輸送到對(duì)應(yīng)的電機(jī)中。這樣通過(guò)直流母線實(shí)現(xiàn)了逆變器之間以及逆變器和整流器之間的能量交換；將處于整流狀態(tài)的逆變器發(fā)出的電能通過(guò)直流母線輸送到其他處于逆變狀態(tài)的逆變器中，若逆變器逆變所需的總能量大于逆變器整流發(fā)出來(lái)的總能量時(shí)，可通過(guò)整流器從電網(wǎng)補(bǔ)充電能；反之，利用可逆整流器將電能回饋給電網(wǎng)。這樣將原本需通過(guò)能耗制動(dòng)器消耗的電能用于驅(qū)動(dòng)其他電機(jī)或回饋到電網(wǎng)，大幅度地節(jié)省了電能。自耦變壓器將可逆整流器逆變產(chǎn)生的電流經(jīng)過(guò)電壓提升，回饋給電網(wǎng)。逆變器為交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心裝置，在本次設(shè)計(jì)中全部選用矢量控制型逆變器。每套逆變器裝置均用脈沖編碼器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，構(gòu)成閉環(huán)速度控制系統(tǒng)。每臺(tái)逆變器與電機(jī)之間均配有輸出電抗器，以防止逆變器輸出電壓的dV/dt太大對(duì)交流電機(jī)產(chǎn)生不良影響。 
    2.2   控制回路配置 
    2.2.1   PROFIBUS-DP網(wǎng)通信 
    在本次設(shè)計(jì)中，傳動(dòng)裝置的上位控制器選用西門(mén)子S7-400系列PLC。PLC主要通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)裝置的控制和監(jiān)測(cè)。傳動(dòng)系統(tǒng)的可逆整流器和逆變器均配有CB1通信板。在PROFIBUS-DP網(wǎng)上，整流器和逆變器作為從站通過(guò)CB1板實(shí)現(xiàn)與主站PLC之間快速、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳遞。PLC與裝置之間通信的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為PPO（參數(shù)過(guò)程數(shù)據(jù)體）形式。PPO分5種類型，以PP01-PP05表示。我們根據(jù)實(shí)際情況選用PP04，即PLC依次可以向每臺(tái)裝置發(fā)送6個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)字，再?gòu)难b置接受6個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)字。通過(guò)過(guò)程數(shù)據(jù)字，PLC將各裝置的起、停命令等邏輯控制量和速度給定、力矩給定及開(kāi)卷機(jī)的張力給定、初始卷徑設(shè)定等數(shù)字控制量作為過(guò)程數(shù)據(jù)傳給調(diào)速裝置，而整流器和逆變器通過(guò)CB1板將直流母線的電壓、電流等，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速、力矩、輸出電壓、電流以及調(diào)速裝置的狀態(tài)字等過(guò)程數(shù)據(jù)傳送到PLC。
    2.2.2   工藝板 
    為了實(shí)現(xiàn)帶鋼和紙卷的恒張力卷繞控制，在開(kāi)卷機(jī)（開(kāi)卷控制）、卷紙機(jī)（卷取控制）逆變器的插槽中配置工藝板T300及MS320卷繞控制模塊。MS320是含有多種恒張力控制程序的軟件包，我們采用其中的間接閉環(huán)張力控制程序。該程序的特點(diǎn)是機(jī)械設(shè)備不需額外增加張力檢測(cè)裝置，只需通過(guò)測(cè)量卷徑，閉環(huán)控制電機(jī)的輸出力矩，實(shí)現(xiàn)恒張力控制。但在速度發(fā)生變化時(shí)，為保證張力的恒定，需根據(jù)加速度及設(shè)備當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算動(dòng)態(tài)補(bǔ)償力矩。 
    2.2.3   急停控制 
    由于PLC是通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器控制的，而該網(wǎng)是一種用帶屏蔽雙絞線作為傳輸媒體將各個(gè)分布站點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)，一旦通信線路發(fā)生損壞，可能會(huì)造成全線失控。為保證在意外情況下設(shè)備能安全停車， “ 急停 ” 控制信號(hào)除了通過(guò) PROFIBUS-DP網(wǎng)發(fā)送到變頻器外，還必須有由PLC的邏輯輸出口直接聯(lián)到變頻器邏輯輸入口的急?？刂茖＞€，實(shí)現(xiàn)急停、控制雙保險(xiǎn)。 
3、變頻器參數(shù)設(shè)定
    在變頻器啟動(dòng)運(yùn)行前，需要對(duì)變頻器進(jìn)行必要的參數(shù)設(shè)定。通常只需對(duì)基本板（主板）的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，對(duì)于安裝有工藝板的變頻器（如開(kāi)卷機(jī)）還需設(shè)定工藝板的有關(guān)參數(shù)。變頻器主板共有各種參數(shù)近千個(gè)，另外工藝板的參數(shù)還有約300個(gè)左右。這些參數(shù)大多在出廠前做了工廠設(shè)定，一般情況下只需對(duì)很小部分參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定即可。設(shè)定參數(shù)可以在裝置的參數(shù)設(shè)定器（PMU）上進(jìn)行，也可以在手操器（OPI）或計(jì)算機(jī)（帶SIMOVIS軟件）上進(jìn)行。需要設(shè)定的參數(shù)大致可分為以下幾個(gè)方面：
    （1）硬件配置參數(shù)   首先設(shè)定變頻器硬件配置參數(shù)，說(shuō)明在變頻器插槽中配有CB1通信板，在開(kāi)卷機(jī)和卷紙機(jī)變頻器中還需說(shuō)明在插槽中配置了工藝板T300。如果在變頻器輸出側(cè)裝有正弦波濾波器或dV/dt濾波器，也必須進(jìn)行硬件配置參數(shù)設(shè)定。
    （2）電機(jī)參數(shù) 設(shè)定變頻器所帶電機(jī)的基本參數(shù)，如電機(jī)的種類、額定電壓、電流、頻率、轉(zhuǎn)速和極對(duì)數(shù)等。
    （3）工藝參數(shù) 設(shè)定電機(jī)控制方式為閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制并設(shè)定測(cè)速傳感器有關(guān)參數(shù)。設(shè)定電機(jī)在系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)的額定頻率、最高頻率及反向最高頻率，轉(zhuǎn)速上升、下降斜率及系統(tǒng)額定力矩等。變頻器控制軟件根據(jù)以上設(shè)定的電機(jī)和工藝參數(shù)及辨識(shí)到的電機(jī)數(shù)據(jù)整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，保證電機(jī)在工藝要求的運(yùn)行范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。對(duì)開(kāi)卷機(jī)、卷紙機(jī)，還需設(shè)定工藝板的有關(guān)參數(shù)，如動(dòng)態(tài)、靜態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量指標(biāo)參數(shù)、卷徑變化范圍等，以保證在加減速時(shí)能準(zhǔn)確地進(jìn)行動(dòng)態(tài)力矩補(bǔ)償。
    （4）設(shè)定給定通道   變頻器的給定通道可以有多種選擇，如模擬量輸入通道、邏輯量輸入通道以及串行通信口通道等。我們?cè)谶@次設(shè)計(jì)中除設(shè)定 “ 急停 ” 控制信號(hào)的通道為常規(guī)邏輯量輸入口外，所有給定通道均設(shè)定為 CB1板上的PROFIBUS-DP通信口。變頻器通過(guò)CB1板接受由PLC發(fā)出的控制命令與給定數(shù)據(jù)。 
4、結(jié)束語(yǔ) 
    在本次設(shè)計(jì)中橫切線采用了一系列西門(mén)子新近推出的先進(jìn)技術(shù)和裝置，產(chǎn)生很大的綜合效益：主回路采用公共可逆整流裝置及直流母線形式，比以前帶能耗制動(dòng)器省電15%以上；控制回路通過(guò)使用PROFIBUS-DP網(wǎng)，用一根雙絞線替代了常規(guī)控制系統(tǒng)中繁多的模擬量、邏輯量控制信號(hào)線，給安裝、調(diào)試和維護(hù)工作帶來(lái)很大方便，不銹鋼由于其硬度和韌性都很強(qiáng)，剪切非常困難，傳動(dòng)系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣對(duì)刀具的壽命、剪切質(zhì)量和產(chǎn)品產(chǎn)量影響很大。調(diào)試和生產(chǎn)運(yùn)行表明，整個(gè)系統(tǒng)具有控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、維護(hù)方便等特點(diǎn)，可以滿足生產(chǎn)高質(zhì)量、高精度不銹鋼產(chǎn)品的要求。