梅瑾燁，包勇超，周士凱，史江華，劉 楨，王曉鵬

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.攀鋼集團(tuán)西昌鋼釩有限公司，四川 西昌 615000；3.印尼青山不銹鋼有限公司，福建 福安 355000)

0 前言

板坯連鑄機扇形段是連鑄機的關(guān)鍵工藝設(shè)備。扇形段傳動裝置主要功能是將引錠桿送入結(jié)晶器，將鑄坯拉出扇形段矯直。通常，每個扇形段驅(qū)動裝置都是采用獨立的傳動控制方式，所有的扇形段驅(qū)動裝置成整體運行。由于各驅(qū)動輥電機存在個體差異，機械設(shè)備制造和安裝存在的公差、設(shè)備基礎(chǔ)變形、輥子磨損和鑄坯形變等引起各電機經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)載不平衡的現(xiàn)象，因而影響整個連鑄機驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動性能及使用壽命。嚴(yán)重時會導(dǎo)致某些電氣設(shè)備頻繁跳閘或使變頻器制動電阻燒損而影響生產(chǎn)。

國外某鋼廠新建不銹鋼板坯連鑄機，澆注鋼種主要為304、316等300系不銹鋼，設(shè)計年產(chǎn)量為100萬噸。設(shè)備熱試后，生產(chǎn)厚度200 mm，寬度大于1 500 mm的板坯過程中，在正常生產(chǎn)拉速下，扇形段2～6段電機出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩，扇形段7～11段電機出現(xiàn)正轉(zhuǎn)矩，致使部分制動電阻溫升快甚至出現(xiàn)個別制動電阻燒損，部分電機電流出現(xiàn)過載致使變頻器不能正常工作，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)的穩(wěn)定性。國外的一些大型冶金工程公司均采用各種不同的扇形段驅(qū)動輥負(fù)荷平衡技術(shù)來解決此問題。因此，根據(jù)實際現(xiàn)場發(fā)生的問題，現(xiàn)場的測試和生產(chǎn)跟蹤，研究了此鋼廠扇形段負(fù)荷平衡的電氣控制。

1 基本參數(shù)

該鋼廠連鑄機設(shè)計的主機半徑R為9 000 mm，工作拉速0.3～1.6 m/min，總共設(shè)計有11個扇形段，如圖1所示。除扇形段1無驅(qū)動外，其余的扇形段都是上、下兩個驅(qū)動輥組成，每個驅(qū)動輥通過電機、減速機及萬向聯(lián)軸節(jié)連接做速度控制，每個上輥由液壓裝置驅(qū)動做升降移動，可以調(diào)節(jié)兩根驅(qū)動輥間的輥縫。其中扇形段2～6驅(qū)動輥電機配置有外置液壓抱閘，電機功率為5.5 kW；扇形段7～11驅(qū)動輥電機無外置液壓抱閘，電機功率為7.5 kW。

為保證紅坯在扇形段內(nèi)運行平穩(wěn)、拉速穩(wěn)定，各段驅(qū)動裝置必須保證驅(qū)動輥線速度基本一致，且出力均衡。如圖2所示，在電氣設(shè)計時扇形段各驅(qū)動輥采用西門子公司的SINAMICS S120做一拖一的變頻器傳動，通過Profibus-DP現(xiàn)場總線方式將變頻器連接到鑄流PLC上，由PLC向變頻器傳達(dá)控制指令，實現(xiàn)對整個驅(qū)動組的統(tǒng)一控制。

圖1 連鑄機扇形段分布圖

圖2 扇形段驅(qū)動輥電氣控制配置

在設(shè)備調(diào)試期間，送引錠模式和澆注模式的無負(fù)載狀態(tài)下監(jiān)測各驅(qū)動輥電機的力矩和電流值都在正常范圍之內(nèi)，正式生產(chǎn)之后，尤其是在澆注大斷面鑄坯時開始出現(xiàn)傳動電機或負(fù)轉(zhuǎn)矩，或正轉(zhuǎn)矩，且鑄坯寬度越寬，負(fù)轉(zhuǎn)矩增大，正轉(zhuǎn)矩也增大。

2 負(fù)荷平衡控制方案

連鑄機所有驅(qū)動輥電機之間沒有機械耦合，而僅通過扇形段內(nèi)的引錠鏈或鑄坯連接。負(fù)荷平衡控制應(yīng)用在連鑄機扇形段的驅(qū)動輥系統(tǒng)，就是要使多個驅(qū)動電機通過引錠鏈或鑄坯這個負(fù)荷的連接而產(chǎn)生一個恒定的拉坯力。扇形段驅(qū)動輥裝置通過液壓缸驅(qū)動壓緊進(jìn)入該段的鑄坯或引錠桿，確保鑄坯和驅(qū)動輥之間的正確接觸，通過驅(qū)動輥的旋轉(zhuǎn)，將引錠鏈送入結(jié)晶器內(nèi)部再將鑄坯拉出。送引錠鏈時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要是由重力作用產(chǎn)生的。拉坯時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要是由重力轉(zhuǎn)矩和結(jié)晶器與鑄坯之間的摩擦力合成的。

各個扇形段都保持一定的輥縫值，熱坯在扇形段內(nèi)產(chǎn)生形變，同時內(nèi)外弧半徑存在差異，設(shè)備的制造、安裝存在公差，即便是同一廠家生產(chǎn)的電機、減速機、變頻器也都會存在個體上的差異，這些因素都會使鑄坯表面內(nèi)外弧實際線速度出現(xiàn)差異，這些差異在設(shè)備上體現(xiàn)為各驅(qū)動輥表面線速度不均，在電氣上體現(xiàn)為各電機力矩值、電流值的差異大。因此針對此問題，開發(fā)了連鑄機負(fù)荷平衡分配電氣控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先從PLC內(nèi)部進(jìn)行了力矩分配和速度閉環(huán)控制，理論上保證所有的驅(qū)動輥的線速度一致，然后將控制數(shù)據(jù)經(jīng)過通訊傳送到變頻器，變頻器采用矢量控制的無編碼器的速度閉環(huán)模型，同時啟用變頻器內(nèi)部的下垂功能輔助調(diào)整每個驅(qū)動輥的負(fù)荷平衡，最后通過負(fù)荷平衡模型微調(diào)仍不滿足條件的驅(qū)動輥，通過這幾項控制相結(jié)合的方式，實現(xiàn)負(fù)荷平衡控制功能。

3 電氣控制實現(xiàn)

3.1 速度控制

驅(qū)動輥額定線速度(拉速)為：

(1)

式中，V為拉速，m/min；n為電機額定轉(zhuǎn)速，r/min；i為減速比；D為驅(qū)動輥直徑，mm。

由公式(1)可知，每個驅(qū)動輥的線速度和其電機轉(zhuǎn)速、減速機減速比、驅(qū)動輥直徑都有關(guān)系。通過式(1)和已知的設(shè)備參數(shù)，就可以很容易的獲得每個驅(qū)動輥的線速度值。

生產(chǎn)過程中給出的是整個扇形段驅(qū)動輥的運行速度，由于此連鑄機為弧形連鑄機，在不考慮鑄坯打滑的情況下，可以認(rèn)為外弧驅(qū)動輥的圓周旋轉(zhuǎn)速度和熱坯的拉出運行速度基本是一致的。但11個扇形段分布的位置不同，有的在弧形區(qū)，有的在水平區(qū)，如圖1所示。因此在弧形區(qū)內(nèi)外弧的速度并不一致，而是存有一定的速比，以外弧為基準(zhǔn)則內(nèi)弧與外弧的速比為

(2)

式中，i為內(nèi)弧與外弧的速比；R為鑄機半徑，mm；d為內(nèi)外弧驅(qū)動輥輥縫值，mm。

通過式(1)、式(2)，在PLC內(nèi)部經(jīng)過計算和速度分配后，將每個驅(qū)動輥的控制速度通過通訊傳送到各個輥對應(yīng)的變頻器中。

變頻器的設(shè)置主要采用無編碼器的速度控制，如圖3所示。進(jìn)行變頻器參數(shù)設(shè)置和電機優(yōu)化時，由于沒有外部編碼器做速度閉環(huán)控制，所以建議在脫開減速機等負(fù)載后，變頻器只拖動電機的情況下對電機進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和優(yōu)化，這樣變頻器對電機的速度控制精度更高。

圖3 變頻器無編碼器速度閉環(huán)控制

針對使用的西門子公司SINAMICS S120變頻器，進(jìn)行的辨識優(yōu)化如下：

(1)靜態(tài)辨識 P1910=1 支持矢量和V/f控制，辨識條件：電機冷態(tài)，脫開機械負(fù)載。

(2)動態(tài)測量 P1960=1 (1=無編碼器)，僅支持矢量控制方式。旋轉(zhuǎn)測量條件：電機冷態(tài)，開抱閘，脫開機械負(fù)載，電機可自由旋轉(zhuǎn)。

(3)控制器優(yōu)化P1960=3(3=無編碼器)，僅支持矢量控制方式。控制器優(yōu)化需連接機械負(fù)載，開抱閘，并保證在優(yōu)化過程中的電機轉(zhuǎn)動不會造成危險。

3.2 力矩分配

由于本連鑄機設(shè)備的負(fù)荷不平衡出現(xiàn)在投產(chǎn)之后，針對出現(xiàn)的問題，PLC控制器通過通訊從變頻器中讀取各個電機的實際轉(zhuǎn)矩值，然后求和，再除以扇形段電機的數(shù)量，作為各個扇形段轉(zhuǎn)矩設(shè)定的參考值。將該數(shù)值與每臺電機的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，算出每臺變頻裝置的輸出轉(zhuǎn)矩與平均值的差值，再取比例系數(shù)將轉(zhuǎn)矩偏差換算成速度偏差，最后將速度偏差疊加到各傳動裝置的速度給定值上，如圖4所示。

圖4 負(fù)荷平衡算法

若某一臺電機的轉(zhuǎn)矩大于轉(zhuǎn)矩平均值，則該電機的速度參考值將被加上一個負(fù)修正值；若一臺電機的轉(zhuǎn)矩小于轉(zhuǎn)矩平均值，則轉(zhuǎn)速參考修正值將被加上一個正修正值。把PLC作為負(fù)荷平衡控制器，通過微調(diào)各個變頻器的頻率設(shè)定值控制每個電機的輸出轉(zhuǎn)矩。投入運行后，觀察設(shè)定連鑄機拉速和實際拉速，設(shè)定速度為1.3 m/min，實際拉速在1.295～1.305 m/min之間波動，滿足使用要求。

3.3 下垂功能激活

通過力矩分配控制方案，基本解決了力矩不平衡的問題，但由于設(shè)備本身差異性的存在，個別扇形段驅(qū)動輥在生產(chǎn)過程中仍有力矩波動，為了解決這個問題在變頻器控制中開啟了下垂功能輔助調(diào)整每個驅(qū)動輥的負(fù)荷平衡。下垂功能也被稱為軟化功能(Droop function)，其作用就是在矢量控制的變頻器裝置中確保在負(fù)載力矩增加時轉(zhuǎn)速設(shè)定值按比例降低。通過在軟件中激活參數(shù)P1492來使能該功能，如圖5所示。

圖5 下垂功能使能

下垂功能激活后，如圖6 所示，根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的實際情況可以在這個下垂功能窗口中給每個變頻器都給定一個小的Droop Scaliing值(此值的設(shè)定需根據(jù)現(xiàn)場力矩波動的范圍進(jìn)行設(shè)置)，這樣就在控制過程中，又加入了力矩控制的自動微調(diào)。調(diào)整后，觀察設(shè)定與實際速度的數(shù)值，在設(shè)定速度為1.3 m/min，實際拉速在1.295～1.302 m/min之間波動，滿足使用要求。

圖6 下垂功能窗口

3.4 人工負(fù)荷平衡模型微調(diào)

通過在現(xiàn)場一段時間的跟蹤，發(fā)現(xiàn)矯直區(qū)的扇形段7驅(qū)動輥經(jīng)常會有力矩過大、電流過高的情況出現(xiàn)。自動調(diào)節(jié)已經(jīng)不能達(dá)到調(diào)整要求，而這一情況又是不經(jīng)常出現(xiàn)，為了在今后的生產(chǎn)過程中順利運行，設(shè)置了一個外部的負(fù)荷平衡模型手動干預(yù)。如圖7所示，這是一個直接的設(shè)定速度干預(yù)方式，從HMI激活該功能后，操作人員輸入需要微調(diào)的扇形段驅(qū)動輥的速度修正系數(shù)，此系數(shù)被下達(dá)到PLC控制其中，轉(zhuǎn)化為電機的轉(zhuǎn)速疊加或減少到指定的驅(qū)動輥的設(shè)定速度值上，再通過通訊下達(dá)到變頻器中執(zhí)行。

圖7 增加力矩平衡微調(diào)的負(fù)荷平衡算法

3.5 投入結(jié)果

增加力矩平衡微調(diào)控制方式，板坯連鑄機扇形段驅(qū)動輥負(fù)荷平衡得到了極大的改善，同時也使得扇形段驅(qū)動輥的電機總電流降低約20%。該連鑄機在投產(chǎn)初期，澆注鋼種為304不銹鋼，澆注斷面200 mm×1 570 mm，拉速1.10 m/min，投入負(fù)荷平衡前和投入負(fù)荷平衡后的某一時刻傳動電機電流、轉(zhuǎn)矩值如表1所示。

通過表1和力矩平衡投入前后力矩值數(shù)據(jù)比較圖(圖8)可以看出，在澆注鋼種為304不銹鋼，斷面200 mm×1 570 mm，拉速1.10 m/min，進(jìn)行負(fù)荷平衡投入前扇形段2～6段的電機輸出轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，扇形段7～11段的電機輸出轉(zhuǎn)矩為正值，整個連鑄機的力矩分配極為不均；投入負(fù)荷平衡后連鑄機各扇形段驅(qū)動輥電機的輸出轉(zhuǎn)矩和電流值分布均勻且所有的電機輸出轉(zhuǎn)矩都為正值。

表1 200 mm×1570 mm，1.10 m/min時電機轉(zhuǎn)矩、電流值

圖8 投入力矩平衡前后的電機力矩

4 結(jié)束語

本套連鑄機負(fù)荷平衡分配電氣控制系統(tǒng)，首先從PLC內(nèi)部進(jìn)行了力矩分配和速度閉環(huán)控制，理論上保證所有的驅(qū)動輥的線速度一致，然后將控制數(shù)據(jù)經(jīng)過通訊傳送到變頻器，變頻器采用矢量控制的無編碼器的速度閉環(huán)模型，同時啟用變頻器內(nèi)部的下垂功能輔助調(diào)整每個驅(qū)動輥的負(fù)荷平衡，最后通過人工負(fù)荷平衡模型微調(diào)仍不滿足力矩條件的驅(qū)動輥，通過這幾項控制相結(jié)合的方式，實現(xiàn)負(fù)荷平衡控制功能，一方面使扇形段驅(qū)動輥的各臺電機轉(zhuǎn)速一致、出力均勻、降低內(nèi)耗、節(jié)約能源，尤其是投入負(fù)荷平衡控制功能之后同斷面同拉速下扇形段驅(qū)動輥的電機總電流降低約20%；另一方面通過調(diào)整各驅(qū)動輥電機之間的負(fù)荷分配比例優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，改善設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)，提高了板坯的生產(chǎn)質(zhì)量和保證了生產(chǎn)節(jié)奏。

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