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案例頻道

西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)變頻器在方坯連鑄中的應(yīng)用
    1 引言

    隨著工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活對(duì)鋼材需求量的日益增加,連鑄生產(chǎn)能力已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的重要指標(biāo)之一。同時(shí)近年來(lái),由于交流變頻調(diào)速技術(shù)有了突飛猛進(jìn)地發(fā)展,變頻器在調(diào)速范圍、調(diào)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、低速轉(zhuǎn)矩等方面的優(yōu)異性能,是其它的交流調(diào)速方式所無(wú)法比擬的,甚至可以完全取代直流調(diào)速技術(shù),因此使得變頻器深受鋼鐵行業(yè)用戶的歡迎,特別是在連鑄生產(chǎn)中有了廣泛的應(yīng)用。

    本文介紹的連鑄為8m弧形,六機(jī)六流,考慮到現(xiàn)代高效連鑄生產(chǎn)線對(duì)電氣傳動(dòng)控制的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及可靠性都有很高的要求,因此決定連鑄機(jī)主生產(chǎn)線的傳動(dòng)系統(tǒng)全部采用基于變頻器的交流驅(qū)動(dòng)。

    2 系統(tǒng)介紹

    在煉鋼連鑄生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)中,采用西門(mén)子plc作為系統(tǒng)的控制中心,傳動(dòng)部分分為公用部分、鑄流部分、冷卻水部分和火焰切割幾部分。由于連鑄機(jī)生產(chǎn)的特殊性,它對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的要求較高,要求調(diào)速無(wú)靜差,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快,抗干擾能力強(qiáng)。mm4系列變頻器具有通用性強(qiáng)、保護(hù)功能完善、可靠性高、性價(jià)比出色等特點(diǎn),同時(shí)在通信功能、工作效率、使用方便等方面也很優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)場(chǎng)照片如附圖所示。

 

附圖 現(xiàn)場(chǎng)照片 


    3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

    驅(qū)動(dòng)設(shè)備:所有主生產(chǎn)線傳動(dòng)設(shè)備全部采用了變頻器驅(qū)動(dòng),連鑄機(jī)從鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)直至橫向移鋼車(chē)以及二冷水壓力調(diào)節(jié)等機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)中共使用了68臺(tái)變頻器,功率范圍從1.1kw到110kw。

    控制器:采用西門(mén)子s7系列控制器,通過(guò)profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)級(jí)總線,將生產(chǎn)線各部分的信號(hào)集合到plc完成出口及收集區(qū)自動(dòng)化控制,繼電連鎖以及故障檢測(cè)。并實(shí)現(xiàn)了多種設(shè)備之間的聯(lián)系。

    4 運(yùn)行原理及功能

    在連鑄機(jī)的不同部位,既有在普通條件下運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備,如輥道、切割車(chē)、水泵,也有一些機(jī)械設(shè)備對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)有著特殊要求,需要對(duì)變頻器功能正確利用。下面就對(duì)一些此類(lèi)設(shè)備的應(yīng)用進(jìn)行說(shuō)明。如:

    (1) 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)

    鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)是連鑄機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備之一,起著連接上下兩道工序的重要作用。鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)情況基本上包括兩側(cè)無(wú)鋼包、單側(cè)有鋼包、兩側(cè)有鋼包三種情況,而單個(gè)鋼包重量已超過(guò)140噸。三種情況下,鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)受力有很大不同,但無(wú)論在何種情況下,都要保證鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)平穩(wěn),定位準(zhǔn)確,起停時(shí)要盡可能減小對(duì)機(jī)械部分的沖擊,為減少中間包液面波動(dòng)和溫降,要縮短旋轉(zhuǎn)時(shí)間。因此,我們?cè)谧冾l器的容量選擇上,留有余地,即比電機(jī)功率加大一級(jí)。同時(shí)利用變頻器的s曲線加速功能,通過(guò)調(diào)整s曲線保證加、減速曲線平滑快速,減少對(duì)減速機(jī)的沖擊,再通過(guò)plc判斷變速限位、停止限位實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中高、低速自動(dòng)變換及到位停車(chē),同時(shí)滿足了對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)間和平穩(wěn)運(yùn)行的要求。

    (2) 結(jié)晶器

    結(jié)晶器是連鑄機(jī)的核心設(shè)備之一,直接關(guān)系到連鑄坯的質(zhì)量。結(jié)晶器的振動(dòng)頻率要求準(zhǔn)確,并根據(jù)拉坯速度自動(dòng)調(diào)整,在高振頻時(shí),由于電機(jī)負(fù)載率上升,轉(zhuǎn)差率增加,導(dǎo)致振動(dòng)頻率有所降低,而為了保證振動(dòng)頻率的精確,需要打開(kāi)變頻器的轉(zhuǎn)差補(bǔ)償控制,在負(fù)載增加時(shí),使變頻器自動(dòng)增加輸出頻率以提供在沒(méi)有速度降低情況下所需要的電機(jī)轉(zhuǎn)差率,補(bǔ)償量正比于負(fù)載的增加量,并在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都起作用。 

    另外,結(jié)晶器的振動(dòng)是由電機(jī)帶動(dòng)偏心機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此表現(xiàn)為輸出電流及母線電壓呈現(xiàn)周期性震蕩,在振動(dòng)頻率較高時(shí)有引起母線過(guò)電壓故障的可能,通過(guò)允許變頻器的母線調(diào)節(jié)功能,使變頻器會(huì)基于直流母線電壓自動(dòng)調(diào)整輸出頻率,監(jiān)測(cè)到母線電壓瞬時(shí)升高時(shí)變頻器會(huì)適當(dāng)增加輸出頻率以減小引起母線電壓升高的再生能量,這樣做降低了出現(xiàn)變頻器過(guò)壓故障的可能性。同時(shí)高速區(qū)矢量控制同樣可以弱磁運(yùn)行,進(jìn)行恒功率調(diào)速,其速度力矩精度響應(yīng)頻率性能和指標(biāo),可達(dá)到直流調(diào)速系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)。

    (3) 拉矯機(jī)

    在連鑄工藝中,連鑄機(jī)拉坯輥速度控制是連鑄機(jī)的三大關(guān)鍵技術(shù)之一,拉坯速度控制水平直接影響連鑄坯的產(chǎn)量和質(zhì)量,而拉坯輥電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的性能又在其中發(fā)揮著重要作用。交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)日益成熟,交流變頻驅(qū)動(dòng)調(diào)速平穩(wěn),調(diào)速范圍寬,對(duì)機(jī)械沖擊低,交流電機(jī)維護(hù)量低,交流變頻調(diào)速已取代直流調(diào)速,完全能夠滿足拉坯輥速度控制的需要。

    連鑄機(jī)的拉矯機(jī)為五輥雙機(jī)架三驅(qū)動(dòng),上拉坯輥、下拉坯輥、矯直輥由三臺(tái)同型號(hào)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng),完成引錠桿的上下傳送運(yùn)行和連鑄坯牽引,三臺(tái)電機(jī)必須保持同步,與一般的同步要求不同的是要保證三個(gè)輥面的線速度相同,而不是三臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同,以避免出現(xiàn)負(fù)載分配不均引起母線過(guò)壓、欠壓、過(guò)載故障。 

    三臺(tái)變頻器接受相同的速度指令,按照同一頻率運(yùn)行,但由于三輥處于一個(gè)半徑8m的圓弧段的不同位置上,若要保持三個(gè)輥面的線速度相同,則三臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)際應(yīng)有輕微差別,加上三臺(tái)電機(jī)的參數(shù)不可能完全相同,這就造成了三臺(tái)電機(jī)同步的困難。如果打開(kāi)母線調(diào)節(jié)功能,雖然可以在一定程度上避免由于不同步造成的母線電壓升高,但會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定,從而使拉速值波動(dòng),進(jìn)一步影響到結(jié)晶器鋼水液面和二冷配水的穩(wěn)定,甚至有造成事故的危險(xiǎn)。為此,我們利用變頻器內(nèi)置的pi控制功能,使三臺(tái)電機(jī)構(gòu)成主從驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),即以上拉坯電機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)電機(jī),工作在速度調(diào)節(jié)方式,下拉坯電機(jī)和矯直電機(jī)作為從動(dòng)電機(jī),工作在帶有速度修正的速度調(diào)節(jié)方式下,通過(guò)比較主從電機(jī)的力矩電流產(chǎn)生偏差信號(hào),從而修正從動(dòng)電機(jī)的速度。變頻器間的力矩電流信號(hào)傳送可以通過(guò)變頻器內(nèi)置的模擬量輸入、輸出通道來(lái)實(shí)現(xiàn),無(wú)需另外添加硬件。這種方法構(gòu)成的主從驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,完全利用變頻器內(nèi)置功能實(shí)現(xiàn),可以連續(xù)自動(dòng)完成速度修正,應(yīng)用在多輥傳動(dòng)的拉矯機(jī)上效果非常理想。 

    (4) 切割機(jī)

    本項(xiàng)目應(yīng)用的切割機(jī)是火焰切割機(jī),其主要作用是將鑄坯切割成定尺或倍尺長(zhǎng)度,并可進(jìn)行坯頭、坯尾及試樣切割。與引錠桿分離后的鑄坯按拉坯速度進(jìn)入切割區(qū),火焰切割機(jī)切掉300mm左右長(zhǎng)度的切頭,掉入下部的切頭收集箱內(nèi),切頭切割以后的鑄坯按要求的三倍尺長(zhǎng)度切割。切割期間,靠夾持裝置,火焰切割機(jī)與鑄坯同步行走,鑄坯長(zhǎng)度通過(guò)測(cè)量輥測(cè)量,切割自動(dòng)進(jìn)行,并且考慮二級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)的長(zhǎng)度優(yōu)化。

    切割機(jī)主要傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括;切割機(jī)的行走:由一臺(tái)mm440型變頻器拖動(dòng)兩臺(tái)電機(jī),電機(jī)帶熱開(kāi)關(guān)保護(hù),每臺(tái)電機(jī)帶有一個(gè)電磁抱閘線圈,行程控制是由一個(gè)增量型編碼器和行程限位開(kāi)關(guān)組成; 切槍的行走驅(qū)動(dòng):每個(gè)切槍的行走是由一臺(tái)mm440型變頻器拖動(dòng)1臺(tái)電機(jī)進(jìn)行的,切槍行走的位置分別由兩個(gè)增量型編碼器和接近開(kāi)關(guān)控制。

    (5) 移鋼車(chē)

    移鋼車(chē)用來(lái)推動(dòng)鑄坯進(jìn)入步進(jìn)冷床,由于多根鑄坯與軌道之間的摩擦較大,因而移鋼車(chē)要有足夠的推力,為滿足快節(jié)奏的生產(chǎn)需要,移鋼車(chē)還要保持較高的行走速度,以滿足工藝對(duì)時(shí)間的要求,而空間的限制又使得移鋼車(chē)必須在很短的距離內(nèi)進(jìn)行制動(dòng),以免與橫梁發(fā)生碰撞,損壞設(shè)備。為達(dá)到以上要求,通過(guò)適度增加啟動(dòng)力矩,行程中plc根據(jù)人員操作和接近開(kāi)關(guān)判斷移鋼車(chē)運(yùn)行方向、所在位置,及時(shí)改變變頻器速度,制動(dòng)時(shí)打開(kāi)直流制動(dòng)功能以配合抱閘,充分滿足了工藝要求,保護(hù)了設(shè)備,同時(shí)避免了變頻器出現(xiàn)報(bào)警、故障。

    (6) 增壓泵

    增壓泵用來(lái)為二次冷卻水加壓,使水壓穩(wěn)定在設(shè)定值,以保證調(diào)節(jié)閥能夠穩(wěn)定的調(diào)節(jié)二次冷卻水量,冷卻鑄坯。這可以通過(guò)變頻器的內(nèi)置的pi控制功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí),增壓泵功率較高,并且?guī)缀跏?4小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn),有較大的節(jié)能潛力,配合變頻器的自動(dòng)節(jié)能功能,在空載或輕載時(shí),變頻器將自動(dòng)降低其輸出給電動(dòng)機(jī)的電壓,以減少電機(jī)空載時(shí)的勵(lì)磁電流,從而減少了電能的消耗。

    5 變頻器的主要調(diào)試參數(shù)

    考慮到高線生產(chǎn)的技術(shù)保密問(wèn)題,僅將涉及到的主要參數(shù)做簡(jiǎn)單羅列于附表。

    6 結(jié)束語(yǔ)

    自連鑄機(jī)投產(chǎn)以來(lái),mm440變頻器在連鑄機(jī)的各類(lèi)傳動(dòng)設(shè)備上表現(xiàn)良好,充分滿足了生產(chǎn)工藝和機(jī)械設(shè)備的要求,它的優(yōu)良性能和極高可靠性在連鑄生產(chǎn)中得到了充分發(fā)揮,為客戶的按時(shí)投產(chǎn)、達(dá)產(chǎn),生產(chǎn)出質(zhì)量合格的連鑄坯,發(fā)揮了不可替代的作用。大大提高了連鑄機(jī)生產(chǎn)能力和增加金屬收得率。

    作者簡(jiǎn)介

    何林 現(xiàn)任西門(mén)子(中國(guó))有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)部行業(yè)拓展經(jīng)理。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 王雅貞,張巖. 新編連續(xù)鑄鋼工藝及設(shè)備. 北京:冶金工業(yè)出版社

    [2] siemens.micromaster 440標(biāo)準(zhǔn)變頻器使用大全,2007

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