李雨儒，張冠偉，曹學(xué)旺，劉嵩，李曉龍

（1.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180；2.菲尼克斯（中國）投資有限公司，江蘇 南京 211100）

基于ACS800的鍍鋅生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的應(yīng)用

李雨儒1，張冠偉2，曹學(xué)旺1，劉嵩1，李曉龍1

（1.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180；2.菲尼克斯（中國）投資有限公司，江蘇 南京 211100）

主要介紹鍍鋅生產(chǎn)線的基本工藝流程及控制系統(tǒng)的解決方案。通過對采用ABB公司的ACS800系列變頻器的某鍍鋅生產(chǎn)線的基本描述，介紹該鍍鋅生產(chǎn)線的電氣控制系統(tǒng)解決方案及該控制系統(tǒng)解決方案中采用的典型控制系統(tǒng)。通過實(shí)際應(yīng)用，采用ABB公司的ACS800系列變頻器的解決方案工作狀況良好，能夠達(dá)到預(yù)期的控制要求。

熱鍍鋅；ACS800；主從控制；直接轉(zhuǎn)矩控制（DΤC）

熱鍍鋅是目前鋼材防蝕方法中應(yīng)用最普遍、最有效的工藝措施。隨著鍍鋅板在輕工、家電、汽車、建筑等領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用，高質(zhì)量鍍鋅板的市場需求大大增加。現(xiàn)代先進(jìn)控制技術(shù)的引入，不但提高了生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，更大大提升了鍍鋅板的綜合質(zhì)量。基于實(shí)用性、精準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性及熱鍍鋅生產(chǎn)線自身特點(diǎn)等多種因素綜合考慮，本項(xiàng)目傳動部分采用公共直流母線供電及制動器方案。系統(tǒng)選用ABB公司的多傳動控制系統(tǒng)：晶閘管整流單元（ΤSU）+ACS800系列工程型逆變器+動態(tài)制動單元（DBU），基本滿足了生產(chǎn)線的工藝要求。

1 熱鍍鋅生產(chǎn)線簡介

1.1 生產(chǎn)線設(shè)備構(gòu)成

熱鍍鋅生產(chǎn)線根據(jù)工藝流程以入口活套及出口活套為分界，可以劃分為3個部分：入口段，工藝段，出口段。工藝流程圖如圖1所示。

圖1 鍍鋅生產(chǎn)線基本工藝圖Fig.1 Galvanizing production line basic process diagram

以圖1為例，入口段由1#，2#開卷機(jī)、1S輥、入口活套組成。2個開卷機(jī)的應(yīng)用能夠有效地提升換卷上卷時的效率。1S輥提供入口段的基準(zhǔn)速度，開卷機(jī)提供生產(chǎn)所需的張力?；钐赘鶕?jù)結(jié)構(gòu)可以分為平套和立套2種?；钐装ɑ钐仔≤嚺c活套電機(jī)，可通過充放套量實(shí)現(xiàn)換卷等工作時的短時不停車。每個工作段的相對獨(dú)立，可以實(shí)現(xiàn)各個工作段的相對速度獨(dú)立。入口活套實(shí)現(xiàn)了入口段與工藝段的分割的作用，使入口段與工藝段可以相對獨(dú)立地控制。

工藝段由2S～8S輥、退火爐、冷卻塔、鋅鍋、拉矯機(jī)組成。工藝段是整個鍍鋅生產(chǎn)線的工藝處理部分，帶鋼在工藝段通過退火爐加熱后進(jìn)入鋅鍋，使其表面實(shí)現(xiàn)鍍鋅的工藝流程，然后經(jīng)過冷卻塔和拉矯機(jī)，實(shí)現(xiàn)板面的光潔平整。2S～8S輥在控制整個工藝段速度的同時也保障了工藝生產(chǎn)所需要的張力。

出口段由出口活套、9S輥、卷取機(jī)組成。9S輥控制出口段的生產(chǎn)線速度，出口活套保障卸卷時短時不停車及提供出口活套與9S輥之間的張力需求。卷取機(jī)除了滿足收卷帶鋼的生產(chǎn)需求，還提供9S輥與卷取機(jī)之間的張力控制需求。

1.2 生產(chǎn)線中的典型控制系統(tǒng)

由于鍍鋅生產(chǎn)線的加工對象是相對比較薄的帶鋼，所以其對于工藝上的要求相對比較高。要求整個生產(chǎn)線要處于有張力，且恒張力或是張力波動很小的狀態(tài)。為了滿足這樣的工藝要求，鍍鋅生產(chǎn)線的傳動電控系統(tǒng)就需要使用多種典型的控制系統(tǒng)來共同完成。

鍍鋅生產(chǎn)線中的主要傳動輥都采用2個或多個單輥組成S輥的控制形式，如圖2所示。這種形式的特點(diǎn)是有時有機(jī)械聯(lián)系（套上帶鋼正常工作時），有時無機(jī)械聯(lián)系（上料和下料時及打滑時），其聯(lián)系也有一定的彈性。

圖2 S輥示意圖Fig.2 Scrolls schematic

1.2.1 速度控制系統(tǒng)

在鍍鋅生產(chǎn)線的3個工作段，即入口段、工藝段、出口段，每個工作段都有各自相對獨(dú)立的S輥?zhàn)鳛樗俣瓤刂苹鶞?zhǔn)。速度輥采用的是典型的雙閉環(huán)基礎(chǔ)調(diào)速控制系統(tǒng)，如圖1所示的1S輥，5S輥，9S輥。典型的雙閉環(huán)基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)也是眾多工藝調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所有的系統(tǒng)都是在此基礎(chǔ)上衍生出來的。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3中，n*為速度給定值；n為速度實(shí)際值；ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；AΤL為轉(zhuǎn)矩控制環(huán)；M為電機(jī)；為編碼器。

圖3 典型雙閉環(huán)基礎(chǔ)調(diào)速框圖Fig.3 Typical double-loop speed control block diagram

速度輥的作用就是根據(jù)生產(chǎn)線速度給定和編碼器速度反饋等保證各個工作段速度相對獨(dú)立。由于之前介紹過的S輥的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，為了防止2個獨(dú)立控制的電機(jī)在帶鋼的連接下產(chǎn)生相互干擾，所以組成S輥的2個電機(jī)之間采用主從控制系統(tǒng)。2個單獨(dú)的典型控制系統(tǒng)，一主一從，將2個系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)器的輸出相比較，通過一定的比例積分環(huán)節(jié)來調(diào)節(jié)從輥的速度，從而實(shí)現(xiàn)2個相同的（或是不同的）電機(jī)在相同的線速度（生產(chǎn)線的同步，要求所有電機(jī)的線速度相同，但由于電機(jī)的減速比，輥徑等因素，線速度相同下電機(jī)的轉(zhuǎn)速不一定相同。）下出力百分比相同，這樣才能夠滿足2個電機(jī)控制一個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性，完成各個工作段的速度控制要求。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 主從控制示意圖Fig.4 Master-slave control schematic

圖4中，n*為速度給定值；n為速度實(shí)際值；T*為轉(zhuǎn)矩給定值；T為轉(zhuǎn)矩實(shí)際值；ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；AΤL為轉(zhuǎn)矩控制環(huán)；M為電機(jī)；為編碼器。

1.2.2 張力控制系統(tǒng)

鍍鋅生產(chǎn)線中的張力控制系統(tǒng)根據(jù)有無張力傳感器劃分為直接張力控制系統(tǒng)和間接張力控制系統(tǒng)。

直接張力控制系統(tǒng)需要張力傳感器，將張力傳感器測量的張力實(shí)際值引入張力閉環(huán)來控制轉(zhuǎn)速，如圖5所示。

圖5中，n*為速度給定值；n為速度實(shí)際值；T*為轉(zhuǎn)矩給定值；T為轉(zhuǎn)矩實(shí)際值；ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；AΤL為轉(zhuǎn)矩控制環(huán)；M為電機(jī)；為編碼器；Tact為張力實(shí)際值；Tset為張力測量值。

圖5 直接張力控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Direct tension control system block diagram

從圖5可以看出，鍍鋅生產(chǎn)線中的直接張力控制系統(tǒng)在速度輥主從控制的基礎(chǔ)上將張力實(shí)際值與測量值進(jìn)行比較來控制主從2個輥的轉(zhuǎn)速。圖1中加熱爐前的3S輥采用直接張力控制系統(tǒng)，保證加熱爐前及爐內(nèi)張力的精準(zhǔn)控制。

間接張力控制系統(tǒng)不需要張力傳感器，而是根據(jù)張力給定值計(jì)算轉(zhuǎn)矩給定，通過轉(zhuǎn)矩環(huán)來控制張力，如圖6所示。

圖6 間接張力控制系統(tǒng)框圖Fig.6 Indirect tension control system block diagram

圖6中，n*為速度給定值；n為速度實(shí)際值；T為轉(zhuǎn)矩實(shí)際值；ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；AΤL為轉(zhuǎn)矩控制環(huán)；M為電機(jī)；為編碼器；Max Τorque1為轉(zhuǎn)矩上限幅；Max Τorque2為轉(zhuǎn)矩下限幅。

在鍍鋅生產(chǎn)線中，生產(chǎn)工藝要求帶鋼繃緊并帶有一定的張力，這樣才能使整條生產(chǎn)線以速度基準(zhǔn)輥的速度工作，所以開卷機(jī)、卷曲機(jī)、活套及圖1中的2S輥、4S輥、6S輥、7S輥、8S輥采用的都是間接張力控制系統(tǒng)。間接張力控制系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)矩限幅使電機(jī)出力直接達(dá)到設(shè)定值，從而滿足工藝上繃緊帶鋼的張力需求。

2 ACS800變頻器的通用特性

ABB公司的ASC800系列變頻器的最大優(yōu)點(diǎn)就是在全功率范圍內(nèi)統(tǒng)一使用了相同的控制技術(shù)，例如啟動導(dǎo)向，自定義編程，直接轉(zhuǎn)矩控制，通用備件，通用的接口技術(shù)，以及用于選型，調(diào)試和維護(hù)的通用軟件工具。

2.1 ACS800變頻器的直接轉(zhuǎn)矩（DTC）控制方式

直接轉(zhuǎn)矩控制（DΤC）與矢量控制的區(qū)別是，它不是通過控制電流、磁鏈等間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制，其實(shí)質(zhì)是用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制的。這種方法不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而是直接在電機(jī)定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤實(shí)現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動態(tài)性能。

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)較矢量控制系統(tǒng)發(fā)明晚，但是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)有它獨(dú)有的控制特性。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)按定子磁鏈?zhǔn)噶慷ㄏ?，使用的電機(jī)參數(shù)只有定子電阻，定向準(zhǔn)。在轉(zhuǎn)矩控制方面，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用滯環(huán)控制，轉(zhuǎn)矩脈動略大，響應(yīng)快，僅為1～5 ms。所以直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)一樣，都是高性能系統(tǒng)，都能滿足工程應(yīng)用要求。

2.2 ACS800變頻器的控制特性

該生產(chǎn)線采用的ABB公司的ACS800系列變頻器全部內(nèi)置有進(jìn)線電抗器，EMC濾波器，制動斬波器等，有效地減少了電磁干擾，降低了變壓器及電纜的發(fā)熱量，還可以防止進(jìn)線側(cè)電壓瞬變給傳動設(shè)備造成的傷害，獲得最佳的制動效果，有效地降低了投資成本。軟件方面，完善的用戶界面，啟動導(dǎo)向的應(yīng)用，自定義編程的設(shè)置都大大方便及簡化了使用過程。

ACS800系列變頻器的控制方式完全滿足該鍍鋅生產(chǎn)線的工藝控制要求，能夠完成該生產(chǎn)線所需的各種控制系統(tǒng)的搭建。

3 鍍鋅生產(chǎn)線電控系統(tǒng)解決方案

該鍍鋅生產(chǎn)線電控系統(tǒng)分為自動化控制，傳動控制2部分。自動化部分采用的是西門子S7-400系列PLC。整個生產(chǎn)線系統(tǒng)采用2套西門子S7-400系列PLC，分別為入口PLC、工藝及出口PLC。傳動部分全線應(yīng)用的是ABB的系列產(chǎn)品，采用ABB的ACS800-704-1810-7整流單元，通過公共直流母線的方式，選用ACS800系列逆變器及自動單元Chopper-NBRA-659c組成傳動控制系統(tǒng)。整個生產(chǎn)線根據(jù)電機(jī)功率，整流裝置容量，采用2套整流裝置分別組成2段公共直流母線，分別為入口段公共直流母線，工藝及出口段公共直流母線。

3.1 系統(tǒng)的基本構(gòu)成

以入口段為例，該生產(chǎn)線由人機(jī)界面（上位機(jī)、觸摸屏）通過工業(yè)以太網(wǎng)與入口S7-400PLC連接。PLC通過DP網(wǎng)絡(luò)與傳動部分整流單元及各個逆變器連接通訊，PLC通過DP網(wǎng)絡(luò)與EΤ200遠(yuǎn)程站通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程I/O控制。供電部分整流單元通過公共直流母線為ACS800逆變器供電。圖7所示為入口段的基本結(jié)構(gòu)框圖。

圖7 入口段電控系統(tǒng)基本構(gòu)成Fig.7 Entrance section electric control system basic configuration

3.2 ACS800變頻器的功能實(shí)現(xiàn)

ACS800逆變器可以通過DriveWindow PC或控制盤進(jìn)行本地控制。遠(yuǎn)程外部控制采用現(xiàn)場總線接口或是I/O連接。

電機(jī)的基本參數(shù)設(shè)定在參數(shù)組99中完成。系統(tǒng)中涉及的典型控制系統(tǒng)，主從控制的搭建可以采用ACS800自帶的主從控制來完成，轉(zhuǎn)矩限幅可以通過參數(shù)組22進(jìn)行設(shè)定。

該解決方案中S7-400PLC采用SΤEP7 V5.4編程軟件進(jìn)行硬件組態(tài)及網(wǎng)絡(luò)通訊搭建。ACS800通過在該軟件平臺上的Profibus-DP協(xié)議進(jìn)行通訊。西門子公司的SΤEP7 V5.4軟件也支持ABB變頻器的GSD（設(shè)備數(shù)據(jù)庫）文件。ACS800與S7-400的通訊搭建在參數(shù)組51中完成。

4 結(jié)論

該熱鍍鋅生產(chǎn)線調(diào)試試車完成后，投入使用生產(chǎn)以來，所有電控設(shè)備運(yùn)行情況良好，故障率低，運(yùn)行穩(wěn)定。生產(chǎn)線勻速運(yùn)行時張力平穩(wěn)，升降速時爐內(nèi)張力在±5%的范圍內(nèi)波動，能夠滿足生產(chǎn)工藝上的技術(shù)要求，完成生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的產(chǎn)量及質(zhì)量要求，達(dá)到預(yù)期的控制效果。

［1］天津電氣傳動設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動自動化技術(shù)手冊［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

修改稿日期：2016-06-28

圖8 高頻變壓器原邊方波電壓波形Fig.8 The primary side′waveform of high-frequency transformer

5 結(jié)論

本文提出了一款4 kW電動汽車車載充電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)介紹了Boost型APFC有源功率因數(shù)校正和移相全橋ZVS逆變的主電路與控制電路的設(shè)計(jì)與功能分析，并設(shè)計(jì)了1臺4 kW樣機(jī)。通過對實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測試結(jié)果分析，車載充電機(jī)的設(shè)計(jì)方案合理和具有可行性，能夠設(shè)計(jì)出一款高效率、低紋波、智能化的充電機(jī)。

通過對車載充電機(jī)中導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗進(jìn)行了研究分析，導(dǎo)通損耗與工作電流的平方成正比，而開關(guān)損耗與工作頻率成反比。為了進(jìn)一步提高車載充電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，采用變頻控制技術(shù)對不同負(fù)載功率進(jìn)行控制，從而降低其開關(guān)損耗。然而，變頻控制對車載充電機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性的影響有待進(jìn)一步深入研究。

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收稿日期：2015-11-26

修改稿日期：2016-03-15

Application of Hot Dip Galvanizing Line Control System Based on ACS800

LI Yuru1，ZHANG Guanwei2，CAO Xuewang1，LIU Song1，LI Xiaolong1
（1.Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China；2.HOENIX CONTACT Co.，Ltd.，Nanjing 211100，Jiangsu，China）

The basic process and control system for galvanizing line was mainly introduced.From the description of the galvanizing line with ABB′s ACS800 series inverter，introduced the electrical control system of the galvanizing line and the typical control system used in the electrical control system.Through the practical application，the solution with ABB′s ACS800 series inverter works well，it can achieve the desired control requirements.

hot dip galvanizing；ACS800；master-slave control；direct torque control（DTC）

TM921

A

10.19457/j.1001-2095.20170208

2016-01-26

李雨儒（1984-），女，本科，工程師，Email：86237921@qq.com