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      ABB ACS800變頻器在高爐上料系統中的應用

      放大字體  縮小字體 發布日期:2016-03-02   瀏覽次數:50624
      針對高爐上料系統上料小車工作流程和控制特性,詳細介紹了系統組成,剖析ABB ACS800變頻器DTC直接轉矩控制技術,主從控制技術,機械制動控制技術,給出了ACS800實踐中具體應用和相關參數設置,并介紹了與PLC和編碼器相結合,對速度控制和精確定位實現。最后分析了調試和實踐中出現幾個關鍵問題,并提出了相應解決方案

      ABB ACS800變頻器在高爐上料系統中的應用


      摘 要
      :針對高爐上料系統上料小車工作流程和控制特性,詳細介紹了系統組成,剖析ABB ACS800變頻器DTC直接轉矩控制技術,主從控制技術,機械制動控制技術,給出了ACS800實踐中具體應用和相關參數設置,并介紹了與PLC和編碼器相結合,對速度控制和精確定位實現。最后分析了調試和實踐中出現幾個關鍵問題,并提出了相應解決方案。
       

      煉鐵高爐上料系統控制中,上料小車控制是控制核心部分,它是生產工藝要求,把槽下備好不同料類和不同重量原料及時、安全、準確定位運送到高爐爐頂,保證高爐正常生產,一但控制出現故障,將直接影響高爐生產。

      本文上料小車卷揚機負載特性,采用ABB變頻器主-從控制技術、DTC直接轉矩控制技術、機械抱閘控制技術、多步速控制技術,結合西門子PLC控制,實現了對小車精確控制,取了滿意效果,完全滿足了高爐生產工藝要求。

      1 控制工藝要求

      高爐原料從槽下輸送到爐頂有兩種輸送方式:一是皮帶輸送、二是小車輸送。這次設計是采用小車輸送方式,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,牽引鋼絲繩連接兩臺料車斜橋上一上一下交替工作,能對小車做到精確控制,控制系統必須具備以下條件:

      1)、系統能頻繁起動、停止。
      2)、系統能正、反雙向控制。
      3)、系統能做到無極調速,調速范圍大、平滑性較高,做到平穩起動-加速-穩定運行-減速-平穩停車。
      4)、系統起動轉矩大,做到平穩起動。
      5)、系統停車時做到穩定、精確定位,防止料車過頭。
      6)、零速時維持大轉矩輸出,防止料車起動和停車時重載下滑。

      2 變頻器選型

      上料工藝對料車控制最主要要求是:起動或停車瞬間也就是零速時,變頻器必須有最大轉矩輸出,止料車下滑,起動時對轉矩要求大于對速度要求。當前交流變頻調速系統主要為矢量控制和DTC直接轉矩控制。眾所周知,DTC直接轉矩控制系統由電機電壓和電流計算出定子磁鏈和轉矩,采用砰-砰控制來實現變頻器PWM控制,DTC直接轉矩控制系統沒有電流控制環路,,DTC直接轉矩控制系統著眼點是電壓,而電流。而矢量控制原理是基于交流電機電流控制,把交流電流按磁場坐標軸分解為轉矩分量和磁場分量,分別加以控制,故矢量控制著眼點是電流控制。交流電機來講,要想獲快速轉矩響應,磁鏈不變條件下,就要求電流快速變化,而電流變化是由電壓快速變化引起。矢量控制系統輸出電壓是由電流調節器輸出產生,這就存電流調節時間滯后。而DTC直接轉矩沒有電流控制環路,砰-砰控制產生輸出電壓,沒有任何電流限制,電壓可以出現過沖現象,故電機可以獲較大du/dt, 較大加速電流,產生較快電流響應及轉矩響應就不言而喻了。故采用DTC直接轉矩控制交流調速系統可以獲比矢量控制要快多轉矩響應,圖(1)a為矢量控制系統轉矩階躍響應,大約為6~7ms,而圖(1)b直接轉矩控制系統轉矩階躍響應可以達到1ms左右。DTC直接轉矩控制動態控制精度比矢量控制系統高出五個數量級,特別低速運行、電網供電質量不好、波形發生畸變時,DTC仍然能保持較高控制精度。

       

      從以上兩種控制方式比較出,DTC直接轉矩控制系統可以做到轉矩建立優先于速度,這正是我們所期待,市面上各種品牌變頻器控制方式大多采用矢量控制,而ABB采用獨特DTC直接轉矩控制方式,我們設計中選用了ABBACS800系列變頻器。該變頻器具有以下功能:①直流勵磁功能,該功能保證電機能具有高達200%電機額定轉矩最大啟動轉矩。②直流抱閘功能,使用直流抱閘保持功能可將電機轉子鎖定零速。③主、從功能,它是為多傳動應用而設計。④專用機械制動控制功能,傳動單元停止或未通電時,可用機械制動將電機和被驅動設備鎖停零速狀態。⑤輸入、輸出可編程功能,實現了用戶要求對設備靈活控制。⑥多步速功能,用戶可以設定不同速度曲線,實現設備平穩加減速控制。⑦可以設定不同啟動轉矩,開環和閉環時轉矩響應時間均小于5ms,速度靜態精度可以到0.01%,動態精度可以到0.1%。⑧完善報警功能。ACS800系列變頻器特點完全滿足了高爐上料系統料車控制特殊要求。

      3 控制系統設計

      這一次設計中,生產工藝負載需要,計算出拖動負載電機容量為700KW,采用單電機傳動,電機、減速機等機械設備體積和重量龐大,對安裝和日后維護帶來不方便且工作量大,同時控制系統變頻器所需容量大、價格昂貴,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。存這些問題,多種方案比較,最后決定采用多傳動控制方案,選擇采用兩臺容量為400KW電機進行拖動,同時降低啟動和運行過程中電流,選擇了電壓等級為690VABBACS800系列變頻器。

      3.1 主、從控制方案應用

      ACS800變頻器主、從功能是為多傳動應用而設計,,其中系統由若干個ACS 800 變頻器驅動,同時電機軸齒輪、鏈條或傳送帶等相互耦合一起。這種主、從功能,負載可以均勻分配傳動單元之間。

      高爐上料傳動中,主機和從機電機軸減速箱、鋼絲繩卷筒進行剛性連接一起,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速度差異。所有外部控制信號將只連接到主機上數字輸入口DI1—DI6,而從機控制信號光纖從主機通訊獲,不需另接外部控制信號。從機不會串行主/ 從機連接向主機反饋任何數據。單獨使用一根電纜將從機故障信息端口RO3傳送給主機啟動聯鎖端口X22組8和11號端子。該連接從機出現故障時,主機和從機都會停止運行。表1列出了主、從控制應用中需要調整參數。

       

      表1 調整參數
      Table 1 adjusting parameters

       

      3.2 電機運行方向和多步速度控制實現

      主、從控制原理要求以下線路連接和參數設定只主機上完成。

      3.2.1 電機起動、運行方向控制

      高爐上料計算機控制系統是由一臺西門子S7-400PLC控制,對料車控制有自動和手動兩種方式,自動由PLC 完成,手動由操作臺開關完成,上料小車是一個重載負荷系統,考慮到控制安全性問題,設計中采用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同手動開關信號控制選擇,必要保護聯鎖后,連接到變頻器DI1和DI2兩個輸入點,完成變頻器起動、正反轉、停車控制。完成了外部連線后必須對變頻器內部相應參數進行設置,主要設置參數為:①10.01:選擇DI1 F DI2 R,它主要功能是數字輸入DI1 和DI2 四種組合00停車、10正向起動、01反向起動、11停車實現料車起動、正反轉、停車控制。②10.03:選擇REQUEST,它功能是實現允許用戶定義轉向。

      3.2.2 變頻器多步速實現

      上料小車整個運行過程中,要四個不同速度階段:①起動低速運行200rpm/min階段;②高速運行590rpm/min階段;③減速運行100rpm/min階段;④停車運行10rpm/min階段。速度運行圖如圖2所示。

       

      3.2.2.1 不同速度階段位置實現

      上料系統小車不同速度階段和停車點位置控制是非常重要,若減速位置滯后,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。實現料車精確定位,采用歐姆龍多圈光電編碼器和西門子S7-200PLC相配合來實現。編碼器直接安裝料車鋼絲繩卷筒軸上,這樣編碼器轉一圈發出1024個脈沖和卷筒一圈鋼絲繩長度相對應,可以計算出一個脈沖數對應鋼絲繩長度=卷筒周長/1024,我們把某料車料坑最低點位置設為“0”,編碼器信號送入PLC中,當料車上行時過程中PLC中計數值不斷增加,這樣可以不同值來換算出料車軌道上運行實時位置,我們把料車料坑“0”點和到爐頂停車點做為總長度圖2運行圖分為不同階段:“0”點、加速點a、減速點b、減速檢查點c、停車點d、超極限保護點f。另料車上行時也有相對應5個點,用與S7-200PLC相配合操作面板TD200料車實際運行中精確位置進行設置,PLC十個數字輸出點I0.0-I2.1輸出,提供給變頻器和控制系統用,同時PLC還料車方向信號和計數加減判斷出料車是否故障,編碼器是否故障等輸出信號做為報警信號,保證控制系統安全。

      3.2.2.2 變頻器不同速度控制實現

        變頻器多步速功能就是不同數字輸入端子組合和不同軟件參數設定,很簡單實現不同運行速度,我們把圖2中a、b、d三點S7-200PLC數字輸出點方向聯鎖后對應點,分別接到變頻器DI3、DI4、DI5 三個輸入點,完成了外部連線后必須對變頻器內部相應參數進行設置,主要設置參數為:①12.01:選擇DI3,4,5,它主要功能是數字輸入DI3、DI4和DI5八種組合進行速度選擇。②12.06:200、12.07:100、12.08:590,它主要功能是由不同選擇相對應參數設定運行速度。本方案中,實現料車平穩起動和準確停車,料車“0”點起動時,設定速度為200轉實現平穩起動,料車運行8M后a點進行加速到590轉,離爐頂15M時b點進行減速到100轉,離爐頂0.8M停車點c處停車,斜坡減速后10轉速度時實現平穩、精確停車。需要注意是以上每個點位置參數一定要多次調整才能保證精確定位。

      3.3 制動方式選擇和實現

      主、從控制原理要求以下線路連接和參數設定必須主、從機上完成。
      防止料車起動時后退下滑事故發生和實現爐頂精確停車,電機制動措施實施是關鍵。設計上,我們考慮將選擇正確起動、停車方式,同時采用電氣制動方式和機械制動方式相結合來實現,真正保證了系統穩定運行。

      3.3.1 變頻器起動、停車方式選擇

      高爐上料系統中料車起動是重載起動,它最大負荷將達到25噸,電機起動必須與機械制動釋放同時進行,變頻器中選擇電機起動方式參數“21.01 START FUNCTION”必須選擇為“CNST DC MAGN”(恒定直流勵磁方式),為確保需要高瞬時轉矩應用場合需要,恒定預勵磁時間要設置到足夠長,以產生足夠勵磁和轉矩。預勵磁時間參數“21.02: CONST MAGN TIME”中實際需要設定。保證料車平穩、精確停車,減少電機和機械設備竄動,變頻器中選擇電機停車方式參數“21.03: STOP FUNCTION”必須選擇為“RAMP”(斜坡減速停車方式)。

      3.3.2 電氣制動方式選擇

      ACS800變頻器內部有電磁制動和直流制動兩種電氣制動方式,我們保證料車平穩、精確停車,減少電機和機械設備竄動,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。我們采用制動斬波器和制動電阻器進行制動,可以變頻器“27 BRAKE CHOPPER”(制動斬波器控制)中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。

      3.3.3 機械制動控制

      上料料車停車后或運行過程中可能發生突然停電等故障,這時電機處于無力矩狀態,重車將下滑,必須有外部機械制動才能控制,設計中我們采用大推力液壓抱閘制動器。而液壓抱閘制動器松開和閉合過程中都有滯后性,同時起動過程是重載,電機需要建立足夠轉矩和電流制動器才能松開,對制動器控制是非常關鍵。ACS800變頻器機械制動控制功能就可以實現對外部制動器精確控制。變頻器“42 BRAKE CONTROL”(機械制動控制)中10組參數對有效性、監控功能、制動器松開和閉合延時時間、制動器閉合速度、電機起動轉矩信號源、電機起動轉矩、電機起動電流等進行設置。設計方案中,以電機最大能拖動20噸原料重量來多次進行調試,最后設定電機起制動器釋放點電流為520A,電機轉矩為130%,電機起動轉矩信號源為AI1通道,制動器松開延時時間為0.1S, 制動器閉合延時時間為3S,制動器閉合速度為10轉,變頻器機械制動控制功能輸出通道為RO1,保證系統安全運行,外部制動器受變頻器控制外,其控制線路上還必須串入減速機潤滑泵起動信號、電機冷卻風機起動信號、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、急停開關等聯鎖保護信號,做到某一故障發生時能即時制動。

      4實際應用中幾個關鍵問題

       了理論設計后,實踐調試過程中,不斷碰到了一些失敗和原先沒有細致考慮到問題,查找資料和多次實踐,總結了以下幾個應用經驗。

      4.1 幾個關鍵連線

      這次應用中,首先變頻器選擇是一個整流單元光纖帶兩個并聯逆變單元,兩個逆變單元到電機接線端子之間主回路電纜一定要保證相同長度,不然做變頻器電機識別功能時就不能建立正確電機模型。其次變頻器到制動單元之間連線一定要小于5M,制動單元到制動電阻之間連線一定要小于10M,不然做變頻器電機識別功能減速時會產生很大浪涌電流,損壞變頻器和制動單元,開始調試時沒有注意到電纜長度就造成了變頻器和制動單元同時損壞。最后變頻器與電機之間連線必須采用屏蔽電纜,減小對其它電氣、儀表設備干擾。

      4.2 停車方式問題

      這次應用中,我們選擇停車方式是斜坡減速停車同時使用了機械制動功能,故障需要立即停車也就是參數“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,料車最高速590轉時候發出停車指令時,料車滑行13M后停車,最高速100轉時候發出停車指令時,料車滑行1M后停車,無法滿足要求,但變頻器上有一個啟動聯鎖端口X22組8和11號端子,正常工作時必須短接,斷開變頻器立即封鎖輸出,我們可以把急停開關、故障停車信號接入8和11號端子之間,需要立即停車時斷開,保證了料車安全。

      4.3 料車位置信號安全問題

      這次應用中,我們對料車位置檢測是采用編碼器和PLC結合方式來實現,一定要保證其供電與變頻器起動信號是同一路電源供電,這樣才能保證不出現萬一編碼器和PLC檢測系統開關沒有合上,無法提供正確位置信號而使料車直接沖上爐頂造成重大設備事故,同時保證料車安全,必須安裝一個機械式LK4主令控制器,兩個方向各提供一個點做為最后超極限保護,保證萬一編碼器和PLC檢測系統出現故障時,料車也能安全停車。

      4.2 電機起動轉矩方向問題

      上料系統控制中,我們要求變頻器能正反兩方向運行,也就是要求變頻器起動時電機制動釋放點最大轉矩也能是正反兩個方向,參數“42.08 START TORQ REF”設置時,監控可以發現釋放點上電機轉矩只能是一個固定方向無法改變,不能滿足要求,解決這個問題,實際應用中我們把變頻器主板上X20組1號端子和X21組1號端子提供±10V電壓信號,同料車運行方向選擇信號聯鎖后并接入AI1通道端子,參數“42.07: STRT TORQ REF SEL”和“13.03: SCALE AI1”設定,為電機起動提供了方向相一致±150%轉矩。

      5 結束語

      ABB變頻技術高爐上料中使用,特別是DTC直接轉矩控制技術和機械制動控制技術應用,很好解決高爐料車重載起動和精確定位問題。而主、從控制技術應用,解決了多傳動同步問題,減小了設備大型化,降低了維護工作量和設備投資。其簡明參數設定、完善控制和故障保護報警功能為控制系統提供了保障,與PLC、編碼器相結合組成控制系統,控制簡單,控制精度高,維護方便,完全滿足高爐上料系統要求。

      參 考 文 獻

      [1]陳伯時.電力拖動自動控制系統.北京:機械工業出版社.2004
      [2]ABB公司.ACS800主、從控制手冊.2006
      [3]ABB公司.ACS800標準軟件固件手冊.2006
      [4]西門子公司.STEP 7 V5.2編程手冊[M>.2003
       

       
       
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