1、負(fù)荷平衡控制在連鑄機(jī)中的應(yīng)用【摘 要】本文闡述了連鑄扇形段的負(fù)荷平衡控制在板坯連鑄生產(chǎn)中的應(yīng)用。采用微調(diào)單個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值的方法來(lái)調(diào)整電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，使總的拉坯力按照一定的比例分配到驅(qū)動(dòng)扇形段的各個(gè)電機(jī)上。該控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中起到了節(jié)約能源，提高板坯質(zhì)量的作用?！娟P(guān)鍵詞】連鑄機(jī) 變頻調(diào)速 矢量控制 PLC PROFIBUS_DP網(wǎng)絡(luò) PID調(diào)節(jié)1.前言連鑄機(jī)的負(fù)荷平衡控制是板坯連鑄傳動(dòng)控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)連鑄生產(chǎn)、提高板坯質(zhì)量和降低能源消耗都具有重要的意義。板坯連鑄機(jī)的扇形段一般有十幾個(gè)段，一般情況下每個(gè)段都有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輥，每個(gè)驅(qū)動(dòng)輥都由一個(gè)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。負(fù)荷平衡控制的目的就是要扇形段的二十

2、多臺(tái)電機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)不同的鋼種和拉速，生產(chǎn)工藝要求使這些電機(jī)根據(jù)其所處的位置該出力大的出力大，該出力小的出力小，共同提供一個(gè)穩(wěn)定的拉坯力，以保證所生產(chǎn)板坯的質(zhì)量。同時(shí)還要速度一致，負(fù)荷和電流分布適當(dāng)。否則，會(huì)造成這些電機(jī)有的負(fù)荷太重，有的負(fù)荷太輕甚至出反力，會(huì)導(dǎo)致功率內(nèi)耗造成能源浪費(fèi)。目前，國(guó)內(nèi)做的連鑄機(jī)對(duì)負(fù)荷平衡控制應(yīng)用的還不廣泛，處于起步階段。在國(guó)外做的連鑄機(jī)上，負(fù)荷平衡控制應(yīng)用的非常廣泛。負(fù)荷平衡控制已逐漸成為連鑄機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)和亮點(diǎn)。2.負(fù)載的機(jī)械性和控制方式2.1 負(fù)載的機(jī)械性負(fù)載的機(jī)械特性是指生產(chǎn)機(jī)械工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，負(fù)載根據(jù)其機(jī)械特性的不同可分為：恒

3、轉(zhuǎn)矩負(fù)載、風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載、恒功率負(fù)載。反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是由摩擦力產(chǎn)生的，它的絕對(duì)值大小不變，但作用方向總是與旋轉(zhuǎn)方向相反，是阻礙運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)速為正時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為正且為常數(shù)，是阻礙運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)速為負(fù)時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也為負(fù)，且負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小不變。在nm、Tm坐標(biāo)系中，反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的機(jī)械特性是位于I、III象限且與縱軸平行的直線。位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的轉(zhuǎn)矩是由重力作用產(chǎn)生的。其特點(diǎn)是工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩絕對(duì)值大小恒定不變，而且作用方向也保持不變。當(dāng)轉(zhuǎn)速為正時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為正，是阻礙運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)速為負(fù)時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩變成幫助運(yùn)動(dòng)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩了。在nm、Tm

4、坐標(biāo)系中，位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性是穿過(guò)I、IV象限的直線。2.2 風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載機(jī)械特性。鼓風(fēng)機(jī)、水泵、輸油泵等流體機(jī)械，其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，即TLn2。這類(lèi)生產(chǎn)機(jī)械只能單方向旋轉(zhuǎn)。2.3 恒功率負(fù)載機(jī)械特性恒功率負(fù)載在不同速度下負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速差不多成正比。2.4 連鑄扇形段的負(fù)載特性扇形段輥?zhàn)域?qū)動(dòng)裝置利用液壓缸驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)輥壓緊鑄坯或引錠桿，電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)輥旋轉(zhuǎn)，將鑄坯拉出或送、拉引錠桿。送引錠桿時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要是由重力作用產(chǎn)生的，此時(shí)屬于位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。拉坯時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要是由重力轉(zhuǎn)矩和結(jié)晶器與鑄坯之間的磨擦力合成的，重力作用變成拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩了。此時(shí)重力作用要小于結(jié)晶器與鑄坯之間的磨擦力

5、，負(fù)載轉(zhuǎn)矩還是與轉(zhuǎn)速方向相反的。也就是說(shuō)連鑄機(jī)扇形段是反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的合成。連鑄扇形段負(fù)荷平衡控制的實(shí)施方案負(fù)荷平衡控制應(yīng)用在連鑄扇形段的輥?zhàn)域?qū)動(dòng)系統(tǒng)。在澆注期間驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)減速機(jī)和萬(wàn)向聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)扇形段的驅(qū)動(dòng)輥插入引錠桿和拉出熱坯。通過(guò)液壓缸將驅(qū)動(dòng)輥壓下到鑄坯或引錠桿上，確保板坯和驅(qū)動(dòng)輥之間的正確接觸。通過(guò)驅(qū)動(dòng)輥與鑄坯或引錠桿之間的靜磨擦力插入引錠桿和拉出熱坯。3.負(fù)荷平衡控制扇形段驅(qū)動(dòng)裝置間的負(fù)荷平衡，用于在鑄流上產(chǎn)生一個(gè)恒定的拉坯力。一般情況下，在弧形段和矯直段內(nèi)弧側(cè)的拉坯力比外弧側(cè)的大。在水平段，兩側(cè)的拉坯力相同。就連鑄扇形段負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法而言有方案：3.

6、1 扇形段的電機(jī)通過(guò)變頻器控制，以作為負(fù)荷平負(fù)控制器，通過(guò)微調(diào)各個(gè)變頻器的頻率設(shè)定值控制每個(gè)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。采集各個(gè)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，然后求和，再除以扇形段電機(jī)的數(shù)量，作為各個(gè)扇形段轉(zhuǎn)矩設(shè)定的參考值。該參考值再乘上各段相應(yīng)的負(fù)荷系數(shù)就是各扇形段電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)定值?？赏ㄏ鄳?yīng)的過(guò)負(fù)載系數(shù)來(lái)調(diào)整每個(gè)電機(jī)的負(fù)荷分配。負(fù)載系數(shù)的取值范圍在-100 - 0 - +100 %之間。如果負(fù)載系數(shù)為負(fù)則產(chǎn)生與拉速方向相反的轉(zhuǎn)矩。負(fù)荷平衡控制器根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)矩與參考轉(zhuǎn)矩之差，連續(xù)調(diào)整各個(gè)傳動(dòng)裝置的速度?？刂圃砣鐖D1所示，在負(fù)荷平衡控制中，對(duì)每個(gè)電機(jī)而言近似于是串級(jí)控制。在中執(zhí)行的是轉(zhuǎn)矩控制，在變頻器中執(zhí)行的是轉(zhuǎn)速控

7、制。轉(zhuǎn)矩控制的輸出修改轉(zhuǎn)速控制的設(shè)定值。圖13.2 如圖2所示，負(fù)荷平衡用各個(gè)變頻器內(nèi)的速度環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？偟膮⒖妓俣扔筛鶕?jù)實(shí)際所需的板坯拉速給出。將電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩反饋到轉(zhuǎn)速的設(shè)定值上，其它別的控制都由變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大時(shí)速度就將低一些，當(dāng)轉(zhuǎn)矩減少時(shí)速度就升高一些。這樣就能保持各個(gè)扇形段電機(jī)的負(fù)荷相同。最后實(shí)際的電機(jī)速度要比設(shè)定的電機(jī)速度低10。Segment .# +1drive roll motor SlabTorque signalSpeed droop-+Motor RegulationVector ControlM3 Speed ref.Speed feedbackV.S. D

8、RIVESegment .# Ndrive roll motor Torque signalSpeed droop-+Motor RegulationVector ControlM3 Speed ref.Speed feedbackV.S. DRIVEOther segmentsPLCroll roll 圖2圖23.3 在本方案中，可確保扇形段上各個(gè)電機(jī)按照預(yù)定的比例分配總的拉坯力。負(fù)荷平衡主要通過(guò)變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，從控制扇形段電機(jī)的24個(gè)變頻器中選一個(gè)變頻器作為主變頻器，其它變頻器作為從變頻器。主變頻器采用速度控制，從變頻器采用轉(zhuǎn)矩控制。主變頻器實(shí)際轉(zhuǎn)矩乘以作為從變頻器轉(zhuǎn)矩控制的設(shè)定值。如圖3所

9、示：圖3每個(gè)變頻器都可能是主或從，也可能不參與負(fù)荷平衡控制。這些狀態(tài)由鑄流自動(dòng)選擇。通常主變頻器是用于跟蹤系統(tǒng)的變頻器。一旦當(dāng)前的主變頻器出現(xiàn)故障，自動(dòng)化系統(tǒng)將自動(dòng)的將主變頻器切換到別的變頻器上。上述方案，從功能上來(lái)講第一種方案和第二種方案差不多，都能實(shí)現(xiàn)在扇形段各電機(jī)上按比例分配總拉坯力的功能。第二種方案與其它兩種方案相比在功能性方面要差一些。不能實(shí)現(xiàn)按預(yù)定的比例分配總拉坯力，只能實(shí)現(xiàn)總拉坯力的平均分配，只能啟到節(jié)約能源的作用，不能起到開(kāi)發(fā)新鋼種提高板板質(zhì)量的作用。由于純轉(zhuǎn)矩控制容易飛車(chē)，故第一種方案與第二種方案相比具有可靠性高、可操作性強(qiáng)，不需主從切換控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。在各方案中，天鐵熱軋1

10、#連鑄控制系統(tǒng)中采用第一種方案。采用串級(jí)調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行負(fù)荷平衡控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)控制轉(zhuǎn)矩，用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，用變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。PLC采用德國(guó)西門(mén)子公司s7 400系列，變頻器采用西門(mén)子masterdriver系列工程型變頻器。變頻器采用帶速度閉環(huán)的矢量控制。PLC和變頻器之間通過(guò)PROFIBUS_DP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。4.調(diào)試和投運(yùn)調(diào)試和投動(dòng)步驟：4.1 變頻器的接線及安裝完成后，進(jìn)行打點(diǎn)校驗(yàn)，經(jīng)校驗(yàn)無(wú)誤后對(duì)變頻器柜進(jìn)行上電。4.2 將變頻器恢復(fù)出廠設(shè)置，對(duì)變頻器進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置。4.3 通過(guò)變頻器操作面板操作變頻器驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的電機(jī)運(yùn)行，這次運(yùn)行是開(kāi)環(huán)運(yùn)行，主要是為了對(duì)電機(jī)進(jìn)行試轉(zhuǎn)。4.4 對(duì)變頻器進(jìn)行專家參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行變頻器的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)變頻器所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)進(jìn)行模型辨識(shí)。4.5 投變頻器的速度閉環(huán)。4.6 PLC的接線及安裝完成后，進(jìn)行打點(diǎn)校驗(yàn)，經(jīng)校驗(yàn)無(wú)誤后對(duì)PLC柜進(jìn)行上電。4.7 下裝PLC的程序。4.8 做PLC與變頻器之間的通訊。