劉二龍

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西太原030024）

限動(dòng)齒條是三輥連軋管機(jī)組的重要組成部分，具有“軋制前將芯棒穿入毛管”和“在軋制時(shí)限動(dòng)芯棒”的功能。限動(dòng)齒條帶上下齒和滾輪在跑床上運(yùn)行，由4臺(tái)交流電機(jī)、減速機(jī)和小齒輪箱傳動(dòng)。在TCM180 三輥連軋管機(jī)組中，限動(dòng)齒條本身重33 t，質(zhì)量和慣性大，同時(shí)工藝上要求高：加速度最高4.5 m/s2、運(yùn)行速度最高4.5 m/s、速度控制靜態(tài)精度≤0.1%、動(dòng)態(tài)速降波動(dòng)范圍在（-15～2）r/min 內(nèi)且恢復(fù)時(shí)間小于300 ms。這就要求傳動(dòng)裝置在保證性能、精度的同時(shí)還要具有足夠的穩(wěn)定性，因?yàn)橄迍?dòng)齒條一旦失控容易造成很大的設(shè)備損失。

Sinamics S120系列變頻器是一種高性能、高精度的傳動(dòng)裝置，其控制單元提供了全面的開環(huán)和閉環(huán)控制軟件包、腳本技術(shù)、靈活的BICO連接技術(shù)以及豐富的自由功能塊，可以實(shí)現(xiàn)較為強(qiáng)大的功能。而且經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)，Sinamics S120系列變頻器故障率低、穩(wěn)定性好，可以滿足限動(dòng)齒條的控制需求。

因此在韓國(guó)日進(jìn)TCM180 項(xiàng)目中，我公司采用Siemens Sinamics S120 系列變頻器作為三輥連軋管機(jī)組限動(dòng)齒條的傳動(dòng)裝置。該機(jī)組已于2012 年9 月投產(chǎn)，所生產(chǎn)鋼管實(shí)測(cè)外徑公差在±0.3%內(nèi)（外徑不小于100 mm），壁厚公差在±5.0%內(nèi)，性能指標(biāo)滿足了API（美國(guó)石油學(xué)會(huì)）和國(guó)標(biāo)［1］對(duì)高品質(zhì)無(wú)縫鋼管的要求。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)，限動(dòng)齒條自投產(chǎn)至今運(yùn)行狀況良好，滿足工藝要求。

1 傳動(dòng)方案

Sinamics S120 變頻器，具有AC/AC 單機(jī)變頻和DC/AC 多機(jī)傳動(dòng)兩種形式。本方案采用DC/AC 多機(jī)傳動(dòng)類型。多機(jī)傳動(dòng)基于公共直流母線系統(tǒng)［2］，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和特殊的性能專為完成最復(fù)雜的傳動(dòng)任務(wù)而開發(fā)。

多機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由控制單元、整流裝置和逆變裝置組成。

控制單元用于多傳動(dòng)系統(tǒng)的智能控制，還配有與上位控制器的通訊接口。根據(jù)要控制的傳動(dòng)數(shù)量和需要的性能水平，可選擇不同的控制單元。

整流裝置分為基本整流BLM、整流回饋SLM和有源整流ALM?；菊髦粸閱渭冋鞴╇娫O(shè)計(jì)；整流回饋可以整流供電并能將能量反饋給電網(wǎng)；有源整流除具備整流回饋的能力以外，輸出直流電壓在一定的電源電壓波動(dòng)范圍內(nèi)可控。根據(jù)再生反饋能力以及能量回饋的要求來(lái)選擇整流裝置。

逆變裝置共享直流母線，互相之間可以進(jìn)行能量交換，一個(gè)運(yùn)行于發(fā)電機(jī)模式的逆變裝置產(chǎn)生的能量可以被運(yùn)行于電機(jī)模式的其它逆變裝置使用。中間回路的直流母線由整流裝置供電。

圖1為限動(dòng)齒條傳動(dòng)單線圖。由圖1中可以看出，方案采用4個(gè)1 000 kW的整流回饋裝置并聯(lián)為直流母線供電，4 個(gè)1 000 kW 逆變裝置各自驅(qū)動(dòng)1個(gè)限動(dòng)電機(jī)。整流回饋裝置和逆變裝置由控制單元CU320-2DP控制，采用Drive_Cliq電纜進(jìn)行連接。

圖1 限動(dòng)齒條傳動(dòng)方案單線圖Fig.1 Reatining rack drive sing-line diagram

限動(dòng)電機(jī)為SIEMENS電機(jī)，參數(shù)如下：電壓AC 397 V，功率400 kW，電流730 A，頻率23.6 Hz，額定/最大轉(zhuǎn)速460/1 530 r/min，連接方式△，功率因數(shù)0.86。

根據(jù)工況，電機(jī)最大電流應(yīng)為額定的1.7倍，即1.7×730 A=1 241 A。

逆變裝置選用SIEMENS多軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊6SL3320-1TG41-0AA0，額定功率1 000 kW，直流側(cè)額定輸入電流為1 230 A，額定輸出電流1 025 A，最大輸出電流1 500 A，滿足使用要求。

電機(jī)最大1.7倍輸出電流出現(xiàn)在反向回饋狀態(tài)，給4 臺(tái)逆變裝置供電的整流回饋裝置至少需要1 230×（1 241/1 025）×4=5 956.8 A 的電流回饋能力，故選擇4 臺(tái)型號(hào)為6SL3330-6TG41-2AA0的整流回饋裝置，其功率為1 000 kW，最大輸出或回饋電流為1 800 A，并聯(lián)后總輸出或回饋電流為（1 800×4）×0.925=6 660 A（0.925為并聯(lián)降容系數(shù)），滿足使用要求。

本方案有以下技術(shù)特點(diǎn)。

1）采用分裂式3 繞組整流變壓器。變壓器2個(gè)副邊繞組1個(gè)三角形連接，1個(gè)星形連接，電壓相位差30°，有效減少電流的3 次諧波分量，改善電網(wǎng)波形畸變，提高變壓器利用率［3］。

2）采用整流回饋裝置。限動(dòng)齒條在鋼管純軋過(guò)程中以限動(dòng)速度前行，低于軋機(jī)的軋制線速度，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)格不同時(shí)長(zhǎng)約為6～8 s。另外，限動(dòng)齒條在制動(dòng)時(shí)也處于發(fā)電狀態(tài)，整個(gè)軋制周期內(nèi)時(shí)長(zhǎng)約為2 s。連軋管機(jī)組的鋼管軋制周期為30 s/根，限動(dòng)齒條電機(jī)發(fā)電狀態(tài)占軋制周期的26.7%～33.3%，采用整流回饋裝置，將發(fā)電狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的能量回饋至電網(wǎng)，避免浪費(fèi)，節(jié)能增效。

3）整流回饋裝置采用Sinamics S120 系列。Sinamics S120系列整流回饋裝置SLM，在正常工作狀態(tài)時(shí)整流通過(guò)二極管來(lái)完成，再生反饋時(shí)通過(guò)IGBT 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)換流并提供100%連續(xù)的再生能量反饋［4］。這種再生反饋無(wú)需自耦變壓器，還可以防止在回饋過(guò)程中輸入電壓不穩(wěn)定造成的逆變顛覆燒毀功率器件問題。和傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，節(jié)省投資、占地少、維護(hù)方便。

4）采用控制單元CU320-2DP。在多機(jī)傳動(dòng)中，通常由上位控制系統(tǒng)對(duì)每臺(tái)傳動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。這就要求在控制器與傳動(dòng)之間進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)交換。在之前的傳動(dòng)設(shè)計(jì)中，這一數(shù)據(jù)交換往往通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)，從而需要復(fù)雜的硬件和配置。

本方案采用1個(gè)控制單元CU320-2DP控制4個(gè)逆變裝置并在各傳動(dòng)點(diǎn)間建立起工藝聯(lián)系，所需數(shù)據(jù)均保存在控制單元內(nèi)部，無(wú)需實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，在控制單元內(nèi)就能建立軸間連接。

5）Drive_Cliq 連 接。Drive_Cliq 采 用100 Mbit/s 以太網(wǎng)技術(shù)。CU320-2DP 中含有電子銘牌數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)行時(shí)，通過(guò)Drive_Cliq連接的設(shè)備可被自動(dòng)識(shí)別，不需要手動(dòng)輸入。

2 傳動(dòng)調(diào)試

Sinamics S120 變頻器用Starter 軟件進(jìn)行傳動(dòng)調(diào)試，主要特性有：自動(dòng)進(jìn)行基本組態(tài)、幫助助手對(duì)調(diào)試進(jìn)行指導(dǎo)、圖形化的畫面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)功能應(yīng)用、跟蹤記錄、測(cè)試和診斷功能等。

限動(dòng)齒條傳動(dòng)調(diào)試的主要步驟為：項(xiàng)目配置、電機(jī)優(yōu)化、通訊參數(shù)設(shè)定、設(shè)置控制模式切換、Trace跟蹤記錄。

2.1 項(xiàng)目配置

在Starter 軟件中新建項(xiàng)目，物理連接傳動(dòng)裝置，搜索到可用站地址及CU 版本后，聯(lián)機(jī)在線。傳動(dòng)裝置聯(lián)機(jī)在線后，首先恢復(fù)工廠設(shè)置，然后自動(dòng)配置讀取傳動(dòng)裝置及附件信息，然后離線配置補(bǔ)充相關(guān)電機(jī)、編碼器信息。整個(gè)配置過(guò)程都由配置向?qū)е敢瓿?，過(guò)程清晰明了。

2.2 電機(jī)優(yōu)化

1）電機(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算P340。P340 是基于電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)的計(jì)算（定/轉(zhuǎn)子阻抗感抗等），該過(guò)程不必使能變頻器。計(jì)算完成后P340自動(dòng)恢復(fù)為0。

2）電機(jī)數(shù)據(jù)靜態(tài)辨識(shí)P1910。執(zhí)行P1910 需要使能變頻器，該過(guò)程需要使能變頻器。辨識(shí)過(guò)程中，變頻器有輸出電壓、電流，電機(jī)可能最大轉(zhuǎn)動(dòng)90°，軸端無(wú)轉(zhuǎn)矩，辨識(shí)結(jié)束后P1910 自動(dòng)恢復(fù)為0。

3）觀測(cè)編碼器反饋方向。電機(jī)選用V/f 開環(huán)模式運(yùn)行，觀察測(cè)速編碼器反饋信號(hào)是否平穩(wěn)、方向是否和電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致。若編碼器反饋信號(hào)方向和電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，將P410 設(shè)置為1，即可實(shí)現(xiàn)編碼器反饋信號(hào)方向的反轉(zhuǎn)，不需要改動(dòng)編碼器的A，B通道接線。

4）電機(jī)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)辨識(shí)P1960。電機(jī)選擇編碼器反饋模式，動(dòng)態(tài)測(cè)量電機(jī)特性，優(yōu)化速度環(huán)、電流環(huán)參數(shù)，該過(guò)程需要使能變頻器，辨識(shí)結(jié)束后P1960自動(dòng)恢復(fù)為0。

5）觀測(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。限動(dòng)齒條為上下雙面齒的結(jié)構(gòu)。4 個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)中，2 個(gè)位于齒條上方，2個(gè)位于齒條下方，上下電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向要相反才能使齒條朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。觀測(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，根據(jù)需要將P1821 設(shè)置為0 或1，可以改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，不需要改動(dòng)電機(jī)主接線或者部分電機(jī)給負(fù)的速度設(shè)定（速度設(shè)定有正有負(fù)會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)矩值有正有負(fù)，不利于觀測(cè)轉(zhuǎn)矩的主從特性）。

2.3 通訊參數(shù)設(shè)定

選擇上位機(jī)通訊的報(bào)文結(jié)構(gòu)為自由報(bào)文，根據(jù)需要設(shè)定通訊字長(zhǎng)和通訊數(shù)據(jù)。完成后，新建自定義參數(shù)表，將通訊數(shù)據(jù)另存為可執(zhí)行腳本文件。腳本文件會(huì)自動(dòng)添加到驅(qū)動(dòng)對(duì)象的Scripts文件夾下。該腳本可以復(fù)制到其它驅(qū)動(dòng)單元下執(zhí)行，省去重復(fù)工作。

2.4 設(shè)置控制模式切換

限動(dòng)齒條的控制方案一般是轉(zhuǎn)矩主從［5］，主裝置的轉(zhuǎn)矩給定傳遞給3 個(gè)從裝置。該控制方案的優(yōu)點(diǎn)是負(fù)荷平衡性能好；缺點(diǎn)是當(dāng)主裝置出現(xiàn)故障時(shí)，輸出脈沖封鎖，轉(zhuǎn)矩給定為零，從裝置接收到的轉(zhuǎn)矩給定也就為零，這樣即使從裝置沒有故障，也無(wú)法正常制動(dòng)停車，只能靠抱閘制動(dòng)。

Sinamics S120 系列變頻器的控制單元CU320-2DP 具有靈活的BICO 連接技術(shù)以及豐富的自由功能塊，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩主從和速度控制的切換，當(dāng)裝置有故障時(shí)，4個(gè)電機(jī)切換為各自為主的速度控制，以轉(zhuǎn)矩限幅制動(dòng)停車。控制模式切換的主要調(diào)試界面如圖2所示。

圖2 控制模式切換調(diào)試界面Fig.2 Control mode switch diagram

圖2 中，設(shè)置P1503=UP_1：r79；P1501=CU：r20079.0。其中：UP_1.r79為主電機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定；CU：r20079.0 為4 個(gè)裝置的故障信號(hào)或后取非。有故障時(shí)，CU：r20079.0信號(hào)為0，切換到各自為主的速度控制，從的速度環(huán)輸出的力矩設(shè)定生效，無(wú)故障裝置正常制動(dòng)停車；無(wú)故障時(shí)為1 主3 從控制，從的速度環(huán)輸出的力矩設(shè)定不生效，由主的力矩給定直接給定，轉(zhuǎn)矩主從特性好、負(fù)荷均衡。

2.5 Trace跟蹤記錄

Starter 軟件提供了強(qiáng)大的Trace 跟蹤記錄功能，它可以記錄一些重要參數(shù)（例如轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩，電流等），并以曲線形式記錄下來(lái)，以便于調(diào)試人員分析速度特性、轉(zhuǎn)矩主從特性。

通常情況下，Trace功能記錄這些參數(shù)的方法是PC 機(jī)與變頻器在線連接，激活Trace 功能，實(shí)時(shí)在線記錄這些參數(shù)值變化情況。但是在一些現(xiàn)場(chǎng)變頻器會(huì)偶然出現(xiàn)一些故障，調(diào)試人員很難知道故障發(fā)生前后變頻器的狀態(tài)。解決方法是，在線時(shí)設(shè)置Trace 功能并激活，Trace 功能記錄數(shù)據(jù)的條件是當(dāng)故障發(fā)生時(shí)記錄數(shù)據(jù)，即離線Trace；最后故障發(fā)生時(shí)，變頻器記錄數(shù)據(jù)并自動(dòng)保存，需要時(shí)可聯(lián)機(jī)讀取。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)2 年多的生產(chǎn)運(yùn)行，S120 傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)得到了充分體現(xiàn)，優(yōu)越的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、故障率低，滿足控制要求的同時(shí)又降低了維護(hù)量，為生產(chǎn)高品質(zhì)鋼管提供了有力保障。

［1］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).CB/T8162—2008 無(wú)縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［2］ 張堅(jiān)平.Sinamics S120 公共直流母排式變頻器的諧波計(jì)算［J］.冶金自動(dòng)化，2014，S1：279-282.

［3］ 袁歡媚，李俊平.1 450 mm六輥可逆冷軋機(jī)組整流變壓器的選用［J］.冶金自動(dòng)化，2007，31（2）：37-40.

［4］ 樊建忠，宋明.西門子S120在宣鋼棒材軋制中的應(yīng)用［J］.冶金自動(dòng)化，2013，37（2）：72-75.

［5］ 王瑾，高偉賢，劉樹兵，等.用S120 實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)刀盤主從控制的自動(dòng)切換［J］.電氣傳動(dòng)，2012，42（10）：62-65.