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變頻器主從控制在高爐上料系統(tǒng)控制中的實施

來源:www.mfnryd.cn 發(fā)布時間:2021-07-16 ?點擊量:

通過變頻器主從控制在高爐上料系統(tǒng)控制中應用案例,介紹變頻器主從控制原理、控制方案的選擇和具體實施細節(jié),為儀表工和電工深入了解變頻器主從控制相關知識。

1、變頻器主從控制原理
變頻器主從控制即使用多個變頻器控制一個或一組負載,負載之間通過剛性或柔性耦合。外部信號(包括起動、停止、給定信號等)只與主機變頻器相連,主機通過光纖將從機控制字和轉速給定值、轉矩給定值廣播給所有的從機,實現對從機的控制。從機一般不通過主從通訊鏈路向主機發(fā)送任何反饋數據,從機的故障信號單獨連至主機的運行使能信號端,形成聯鎖。一旦發(fā)生故障,聯鎖將停止主機和從機的運行。
ABB變頻器主從連接
圖1 ABB變頻器主從連接(
注:T=發(fā)送器;R=接收器;RMIO=I/O和控制電路板)

ABB從機故障信息配線
圖2 ABB從機故障信息配線

變頻器主從控制應用注意點:一般主機采用速度控制,而從機采用速度還是轉矩控制要視主從電機軸是采用什么方式耦合,主從之間采用剛性連接時從機需采用轉矩跟隨,柔性連接時要采用速度跟隨。因為前者兩組傳動裝置間不能存在速度差異,后者會存在速度差異。

2、高爐上料工藝對傳動系統(tǒng)的要求
在高爐上料系統(tǒng)控制中,上料小車的控制是整個電控系統(tǒng)的核心部分。它是根據生產工藝的要求,把槽下備好的不同料類和不同重量的原料及時、安全、準確定位地運送到高爐爐頂,保證高爐的正常生產,一但控制出現故障,將直接影響高爐的生產。

高爐原料從槽下輸送到爐頂。小車輸送方式是:小車卷揚機采用交流電動機拖動,電機正、反轉控制,牽引通過鋼絲繩連接的兩臺料車在斜橋上一上一下交替工作,為了能對小車做到精確控制,控制系統(tǒng)必須具備以下條件:
①系統(tǒng)能頻繁起動、停止。
②系統(tǒng)能正、反雙向控制。
③系統(tǒng)能做到無極調速,調速范圍大、平滑性較高,做到平穩(wěn)起動-加速-穩(wěn)定運行-減速-平穩(wěn)停車。
④系統(tǒng)起動轉矩大,做到平穩(wěn)起動。
⑤系統(tǒng)在停車時做到穩(wěn)定、精確定位,防止料車過頭。
⑥在零速時維持大轉矩輸出,防止料車起動和停車時重載下滑。
高爐料車系統(tǒng)
圖3 高爐料車系統(tǒng)

上料工藝對料車控制的最主要的要求是:在起動或停車的瞬間也就是在零速時,變頻器必須有最大的轉矩輸出,以防止料車下滑,因此在起動時對轉矩的要求大于對速度的要求。

3、傳動系統(tǒng)的方案選擇
當前交流變頻調速系統(tǒng)主要為矢量控制和直接轉矩控制(Direct torque control,簡稱DTC)。直接轉矩控制是利用空間矢量坐標的概念,在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型,控制電動機的磁鏈和轉矩,通過檢測定子電阻來達到觀測定子磁鏈的目的,因此省去了矢量控制等復雜的變換計算,系統(tǒng)直觀、簡潔,計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下,也能輸出100%的額定轉矩,因此DTC直接轉矩控制系統(tǒng)可以做到轉矩的建立優(yōu)先于速度。市面上各種品牌的變頻器控制方式大多采用矢量控制,而ABB采用獨特的DTC直接轉矩控制方式,因此在設計中選用ABB的ACS800系列變頻器。

本案例中,根據生產工藝負載的需要,計算出拖動負載電機的容量為700KW。如果采用單電機傳動,電機、減速機等機械設備體積和重量龐大,對安裝和日后的維護帶來不方便,而且工作量大,同時控制系統(tǒng)的變頻器所需的容量大、價格昂貴。在啟動和運行過程中,電機電流大,對電氣設備、電纜要求等級高,這都增加了投資成本。最后決定采用多傳動控制方案。

4、變頻器主從控制方案的實施細節(jié)
4.1 本案例中主要設備如下:
①4臺ACS800-07-0770-3變頻器,每兩臺為一組主從控制系統(tǒng),雙套機組為“一用一備”;
②兩臺ABB 380V 355kW(HXR450L G8)交流電機;
③兩臺ZSY710-22.4減速機(中硬齒面,減速比22.4);
④4臺 YWZ9-800/301料車機械制動器(三相AC380V);
⑤2只庫伯勒(kuebler) 絕對單圈軸型編碼器8.5852 1232 G121;
⑥4套LK4-188/3主令控制器(i=1:20,10A,380V,24路出點);
⑦兩套保護控制柜;
⑧4套制動電阻柜;
⑨兩套電源切換柜。

4.2 變頻器主從參數設置
在高爐上料傳動系統(tǒng)中,主機和從機的電機軸通過減速箱、鋼絲繩卷筒進行剛性連接在一起,因此主機應該采用速度控制模式,從機應該采用轉矩控制模式,以使傳動單元之間不存在速度差異。所有的外部控制信號將只連接到主機上數字輸入口DI1—DI6,而從機的控制信號通過光纖從主機通訊獲得,不需另接外部控制信號。由于從機不會通過串行主/從機的連接向主機反饋任何數據。因此單獨使用一根電纜將從機故障信息端口RO3傳送給主機的啟動聯鎖端口X22組的8和11號端子。該連接在從機出現故障時,主機和從機都會停止運行。

表1列出了在主、從控制應用中需要調整的參數。
ACS800主從控制參數更改表
表1 ACS800主從控制參數更改表


4.3 電機運行方向和多步速度控制的實現
以下的線路連接和參數設定只在主機上完成。

4.3.1 電機起動、運行方向的控制
高爐上料計算機控制系統(tǒng)是由一套施耐德Quantum PLC控制的。料車的控制分為自動和手動兩種方式,自動由PLC完成,手動由操作箱完成。由于上料小車是一個重載負荷系統(tǒng),考慮到控制的安全性問題,在設計中采用通過電纜一對一信號傳輸控制,PLC輸出兩個正、反向運行數字信號I0.1、I0.2以及手動開關信號通過控制選擇,通過必要的保護聯鎖后,連接到變頻器的DI1和DI2兩個輸入點,完成變頻器的起動、正反轉、停車的控制。在完成了外部連線后必須對變頻器內部相應參數進行設置,主要設置參數如表2:

表2 ACS800主從控制參數更改表


4.3.2 料車運行過程中的速度控制
上料小車在整個運行過程中,要經過五個不同速度階段,速度運行圖如圖4所示。
①起動加速階段:料車在坑底從零速以較小的加速度上升至于鋼軌斜橋拐點a處;
圖4 料車運行速度
②從鋼軌斜橋拐點a處以較大的加速度直接加速到高速(450r/min)階段;
③高速運行450rpm/min階段;
④在距爐頂10米處,減速運行到150rpm/min階段,b點到d點;
⑤ 停車運行階段,d點到e點。

上料系統(tǒng)小車在不同速度階段和停車點的位置控制是非常重要的,若減速位置滯后,在停車時速度太快、設備竄動大,會造成料車“掛頂”,損壞設備;若停車點提前造成料車不到位,原料不能到受料斗。為了實現料車的精確定位,通過凸輪式主令控制器和絕對式編碼器來實現精確定位。

凸輪式主令控制器經過減速機連接在料車鋼絲繩卷筒的軸上,由于卷筒軸的轉動帶動主令控制器凸輪的轉動,導致主令控制器各個相應機械觸點的閉合或斷開,就可不斷給出料車的各個位置信號,分別有:“料車在底部”、“料車減速”、“停車”、“抱閘”、“減速檢查點”、“超極限”、“上密檢查點”等行程位置信號。

料車在底部時,主令控制器“料車減速點”位置信號為常閉點,連接到變頻器的DI4 數字輸入端子,此時變頻器速度設置值為450r/min。在料車距爐頂10M時,主令控制器“料車減速點”信號斷開,變頻器DI4信號消失,變頻器速度設置值切換為150rpm/min,料車開始減速運行。

在料車減速運行的c點為“減速檢查點”,PLC將通過編碼器位置信號檢測料車是否超速;同時,通過變頻器內部編程,用變頻器內部檢測電機是否超速,輸出繼電器DO3從電氣回路連鎖料車超速。一旦檢測到料車超速,上述兩個措施都會立即停止變頻器輸出。
為了實現料車的平穩(wěn)起動,在ABB變頻器自定義編程里定義了料車加速的“斜坡切換”:在料車啟動后的18秒內,以較長的加速時間加速,從0點運行到a點;料車在平穩(wěn)經過鋼軌斜橋拐點后再以較短的加速時間加速到450rpm/min。

料車停車位置由主令控制器在離爐頂0.5M的d點處將信號發(fā)給PLC,PLC將輸出給變頻器的正反運行信號設置為“00”,此時變頻器通過斜坡減速后到轉速1rpm/min時實現平穩(wěn)、精確停車。

主令控制器的“超極限”信號,是料車到高爐頂部的超極限保護點f,也通過電氣回路,串聯到變頻器的“零壓”保護信號點。是最后一個保護點,以防料車沖頂。
表3為變頻器實現速度控制的主要參數和自定義編程:
ACS800速度控制參數
表3 ACS800速度控制參數


5、制動方式的選擇和實現
為防止料車在起動時后退下滑事故的發(fā)生和實現爐頂的精確停車,電機的制動措施的實施是關鍵。

5.1 變頻器起動、停車方式的選擇
根據高爐上料系統(tǒng)中料車的起動是重載起動,而且電機起動必須與機械制動釋放同時進行,因此在變頻器中選擇電機起動的方式的參數“21.01 START FUNCTION”必須選擇為“CNST DC MAGN”(恒定直流勵磁方式),為確保在需要高瞬時轉矩應用場合的需要,恒定預勵磁時間要設置到足夠長,以產生足夠的勵磁和轉矩。預勵磁時間在參數“21.02: CONST MAGN TIME”中根據實際需要設定。

為保證料車的平穩(wěn)、精確停車,減少電機和機械設備的竄動,變頻器中選擇電機停車方式的參數“21.03: STOP FUNCTION”必須選擇為“RAMP”(斜坡減速停車方式)。

5.2 電氣制動方式的選擇
ACS800變頻器內部有電磁制動和直流制動兩種電氣制動方式,我們?yōu)榱吮WC料車的平穩(wěn)、精確停車,減少電機和機械設備的竄動,電機停車方式選擇為斜坡減速停車方式,而斜坡減速過程是在運行信號斷開以后。而運行信號斷開以上兩種制動方式立即失效,達不到制動目的。因此采用制動斬波器和制動電阻器進行制動,可以通過變頻器的“27 BRAKE CHOPPER”(制動斬波器控制)中的6組參數對有效性、控制模式、電阻值、熱時間常數、過載保護、功率值等進行設置。

5.3 制動的控制
上料料車在停車后或運行過程中可能發(fā)生突然停電等故障,這時電機處于無力矩狀態(tài),重車將下滑,必須有外部的機械制動才能控制,可采用大推力液壓抱閘制動器。而液壓抱閘制動器在松開和閉合過程中都有滯后性,同時起動過程是重載,電機需要建立足夠的轉矩和電流,制動器才能松開,所以對制動器的控制是非常關鍵的。ACS800變頻器機械制動控制功能就可以實現對外部制動器的精確控制。

在料車啟動瞬間,首先要檢測變頻器輸出力矩是否足夠。在判斷建立了足夠的轉矩和電流后,變頻輸出繼電器DO2得電,加入抱閘接觸器得電條件的連鎖,控制液壓抱閘的打開。參數設置如下:
啟動力矩判斷的自定義編程
表4 啟動力矩判斷的自定義編程


為了保證系統(tǒng)的安全運行,外部制動器除了受變頻器控制外,在其控制線路上還必須串入位置檢測保護信號、超極限保護信號、變頻器故障信號、零壓保護信號、急停開關、鋼絲繩“松繩”、“變頻低速”等聯鎖保護信號,做到某一故障發(fā)生時能即時制動。選擇停車方式是斜坡減速停車同時使用了機械制動功能,在故障需要立即停車也就是在參數“21.07 RUN ENABLE FUNC”選擇“OFF3 STOP”(急停停車)功能時,變頻器也是以“斜坡減速停車”為主,無法立即停車,但在變頻器上有一個啟動聯鎖端口X22組的8和11號端子,在正常工作時必須短接,如果斷開,變頻器立即封鎖輸出,因此我們把急停開關、故障停車等信號接入8和11號端子之間,需要立即停車時斷開這兩個端子之間的連接,保證了料車的安全。
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