基于AB PLC的转炉炼钢倾动控制.pdf

墨 塞旦 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 11 0 4 1 ． 2 0 1 1 ． 0 5 ． 0 3 4 基于 AB P L C的转炉炼钢倾动控制 邱武 湖南华菱涟钢炼钢厂， 长沙 4 1 0 0 0 0 口经验交流口 摘要 本文介绍了转炉倾动系统的机械结构及工艺特点， 介绍了基于美国 A B公司 Co n t r o l L o g i x S O 0 0 P LC和安川 V a r i s p e e d 变频器的转炉倾动控制系统的方案选择和硬件配置。 着重点讨论了系统实现多电机驱动的控制策略。实践表明该集成 系统配置合理、 可靠性高， 运行效果较好。 关键词转炉倾动；负荷均衡 ；多电机驱动控制；串级调速 中图分类号 T I v 2 7 3 ／ 2 9 文献标志码 B The t i l t i n g c o nt r o l s y s t e m o f BOF ba s e d o n AB PLC Q I U Wu S t e e l P l a n t ， Hu N a n V a l i n L Y S t e e l ， C h a n g s h a 4 1 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， t h e me c h a n i c a l s t r u c t u r e a n d t e c h n o l o g y c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n v e e r t i l t i n g s y s t e m wa s i n t r o du c e d ， Th i s p a p e r d e s c r ib e d i n d e t a i l t h e s c h e me a n d h ar d war e o f t h e c on v er t e r t i lt i n g s y s t e m wh i c h is b a s e d o n t h e AB Co n t r o l - L o g ix S 0 0 0 PL C a n d Ya s k a wa I n v e r t e r ．F i n a l l y ，t h e mu l t i - mo t o r - d r i v e n c on t r o l s t r a t e gy wa s c a r r i e d o u t t o e x p lo r e r e - s e ar c h ．T h e a p p l i c a t io n s h o ws t h a t t h e s y s t e m h a s r e a s o n a b le a l l o c a t io n， h ig h r e l i a b il i t y a n d b e e r r e s p o n s e ． Ke y wo r d s c o n v e rt e r t i lt i n g； l o a d b ala n c i n g； mu l t i mo t o r - d r iv e n c o n t r o l ； c a s c a d e c o n t r o l 0 引言 转炉倾动控制是转炉炼钢系统电气传动控制的核心问题 之一， 是关系产品质量和生产安全的关键环节。由于直流电 机具有较好的动、 静态性能， 传动装置较为便宜， 控制算法易 于实现和调试 ， 因此， 大中型转炉倾动系统多采用直流传动系 统⋯。但对电机本身来说 ， 直流电机具有价格昂贵、 维护量大 等不足 ， 随着交流变频技术的发展和成熟， 交流传动系统也可 达到较好的性能 ， 且交流电机价格便宜、 转动惯量小、 维护方 便， 交流电机逐步取代直流电机 ， 在转炉倾动系统中得到广泛 应用。本文对采用 A B P L C和安川 G 7变频器设计的 9 0 t 转炉 倾动交流传动控制系统作简要介绍。 1 转炉倾动系统工艺简介 倾动装置是转炉炼钢的关键设备 ， 其作用是在兑铁水、 加 废钢、 除渣、 出钢等过程 中倾动炉体 ， 完成炼钢的工艺操作。 转炉系统主要包括炉体、 转炉支撑装置、 转炉倾动机械设备 等 J 。转炉炉体是由钢板制成 ， 用以完成冶炼铁水的熔池； 支 撑装置主要由耳轴、 托圈、 轴承等组成， 一方面用来承受转炉 全部重量 ， 另一方面传递转炉倾动力矩； 倾动装置全部悬挂在 耳轴上 ， 主要由驱动电机、 减速机、 扭力杆平衡装置和润滑装 置等组成 ， 扭力杆用于吸收驱动扭矩并将扭矩转化为压力和 拉力， 形成反作用扭矩从而产生一定的吸收倾动扭矩的效果， 利于缓冲倾动操作中的冲击。 转炉倾动是由四台电机通过减速齿轮共同驱动主轴来 实现的。工艺过程要求 当转炉正常冶炼时 ， 四台电机共同 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 完成转炉倾动的驱动 ； 当一台电机或传动装置出现故障时， 其余三台电机要能够保证生产正常进行； 当其中两台电机或 传动装置出现故障时， 其余两台电机能够保障正在生产的一 炉钢能够顺利完成冶炼。上述过程要求转炉系统是一个高 可靠的冗余安全度 的机械传动装 置， 转炉倾 动角度为 3 6 0 。 ， 倾动力矩曲线采用正力矩设计 ， 即耳轴下部比上部高， 下部 比上部高。要求驱动电机具有较强的过载能力， 同时， 多台电机工作时输出转矩能够较为均衡分配。转炉倾动系 统的工作特点是 减速比大， 以保证炉体能够平稳倾动和准 确定位 ； 倾动力矩 大， 以满足大 中型转炉所需的倾动力矩； 启、 制动频繁且能够承受较大的动态载荷 冲击， 可以满足炼 钢工艺操作需求。 2 系统组成及工作原理 转炉倾动控制系统是 由上位工控机、 P L C 、 四台变频器、 交流电机、 通信网络等组成， 系统总体结构如图 1 所示。 图 1 转炉倾动控制 系统简图 EI C V0 1 ． 1 8 2 0 1 1 No ． 5 9 1 口经验交流口 转炉炼钢控制系统主要包括氧枪控制、 转炉倾动控制、 上 料及称量控制、 烟气净化回收控制和煤气回收等环节 ， 倾动控 制由三层网络结构组成 ， 其硬件配置及主要功能如下 1 基础级 实现传动装置电气连接、 电机驱动及现场操 作等功能。驱动电机采用 四台交流异步电动机， 额定功率 5 5 K W， 额定电压 3 8 0 V， 额定电流 1 1 0 A， 额定频率 5 0 H z ， 额定 转速 9 2 0 r p m， 通过减速机连接。转炉倾动过程是由四台电机 共同拖动， 如何保证保证 四台电机同步启 、 制动及力矩均衡 ， 是转炉控制的关键。本系统采用四台安川 V a r i s p e e d G 7系列 变频器 ， 采用带编码器的速度环与转矩环的双闭环控制方式， 具体控制策略在第 3小节详细阐述。驱动装置配备能耗单元 和制动电阻进行能耗制动以实现平稳制动， 控制电源采用 U P S供电。 2 控制级 主要完成对现场设备的控制及控制策略的实 施， 主要包括以下几部分 ①主控制设备 P L C采用美 国 A B公 司的产 品 C o n t r o l L o g i O 0 0系列 ， 采用两台 C o n t r o l L o g i x 5 0 0 0和一 台 S L C 5 0 0 。 其中， 一台C o n t r o l L o g i x 5 0 0 0用于氧枪 、 转炉、 散料称量入炉及 相关设备的连锁及运行控制 ， 另外一台负责烟气净化回收装 置控制及运行， S L C 5 0 0用于上料系统的控制。 ②控制层网络采用 D H网络模块进行数据通讯， 远程 0的连接采用菊花链式连接方式 ， B e l d e n 9 4 6 3 通信电缆， 波特 率为 5 7 ． 6 k 。 3 信息级 主要实现上位机间及其与控制器的数据通 信， 用于操作人员远程监测及控制。上位系统主要有工控机、 1 7 8 4 8 4 一 K T板卡 、 打印机等设备， P c机通过 1 7 8 4 - K T板卡连接 D H网络， 可以实现与 P L C数据通信 ， 工控机间及与系统 各设备间可通过工业以太网进行数据通信。 3 控制策略 3 ． 1 力矩均衡 转炉倾动驱动装置采用四台变频器 “ 一对一” 控制四台 交流电机， 为了满足负荷均衡 ， 采用串级控制 主从 方式， 一 主三从。四台变频器共用一个速度调节器， 任意选择选取一 台作为主装置。编码器安装在电机主轴上， 与主变频器构成 速度控制环， 负责接收控制器发出的指令和给定速度， 同时反 馈实际转速； 另外三台作为从装置 ， 仅配置转矩调节器， 转矩 由主装置给定。这样， 各个转矩均来 自主装置的速度调节器 输出， 因此实际转矩可以较容易的达到基本一致。当主装置 出现故障时， 可设置另外一台变频器作为主装置， 构成新的主 从控制系统继续工作。 3 ． 2 带补偿因子的串级控制 上述“ 一主三从” 的控制方案， 采用一致的给定转矩能够 较好的解决负载均衡问题 ， 但在实际生产过程中， 由于每套驱 动装置的性能不会完全一致 ， 同时， 生产现场环境恶劣， 存在 外界扰动 ， 给控制系统带来误差， 实际并不能使驱动装置的输 出力矩和速度达到一致。因此， 本文给出了一种带补偿 的串 级调速策略， 能够在一定程度上减小转矩给定的振荡 ， 减小实 际输出转矩的差异。控制系统框图如图2所示。 9 2 E I C VO I ． 1 8 2 0 1 1 No． 5 仪器仪表用户 图2带补偿 串级控制框图 采用带编码器的速度控制和转矩控制双闭环串级调速系 统 J ， 编码器采集的速度信号作为主装置速度环的反馈 ， 主控 制装置速度调节器的 HD输出作为主、 从装置给定转矩。为 了减小四台电机实际输出转矩的差异， 确保转矩均衡 ， 在转矩 反馈回路中加入补偿单元， 补偿因子 k ， 、 、 k 可以根据实际 运行经验数据进行工程计算来调节 ， 最终实现四台电机平滑 启动、 转矩均衡。 3 ． 3 控制器参数整定 速度和转矩控制算法采用工业上应用广泛且成熟的比 例、 积分、 微分 P I D 控制。研究表明， 工业控制中约 9 0 ％是 应用 P I D控制策略 。比例环节是一种最基本的控制规律 ， 具有响应快 ， 控制及时的特点， 但不能消除稳态误差 ； 积分环 节可以有效消除稳态误差， 但具有滞后性 ； 微分环节是根据偏 差的变化速度进行调节， 调节迅速， 但单纯的微分调节也不能 消除稳态误差。P I D调节规律数学表达式为 P P P d K A e f△ e d 1 i “ 式中， P为P I D回路输出， K为比例系数， 为积分时间， 为 微分时间， △ e 为偏差。 系统采用的 P I D控制器是由变频器内部计算单元实现 的。由于本系统中， 从装置的输入转矩给定值是 由主控装置 的速度控制器输出给定。因此 ， 主控变频器的速度调节器 P I D参数整定对整个系统的动态性能和控制效果有很大影 响。如果输出调整过大。系统超调量大， 且系统易不稳定； 输出过小 ， 过度过程较长， 响应慢 ， 甚至不能达到理想稳定 状态。 因此， 本文采用工程上常用的经验整定方法， 通过现场反 复试验， 根据系统实际运行情况， 得到响应曲线， 不断改变参 数直至系统达到稳定且符合工艺要求。首先， 进行单机调试 ， 调试变频器基本参数， 大多参数采用默认出厂设置， 通过自适 应学习匹配电机参数， 对编码器反馈、 电机转矩等进行进行测 试； 之后 ， 进行联动轻载调试， 四台电机带动机械主轴进行空 炉调试， 反复试验调节 P I D参数 ， 使系统实际输出转矩与平均 转矩误差较小； 最后进行联动重载调试 ， 在炉内加入一定负荷 的生铁， 是系统转矩稍大于正常生产过程转矩， 对系统进行整 体性能进行调试， 得到一组较为满意的参数， 系统达到较好的 动态性能， 基本解决转炉运行中的问题。系统调试期间现场 主要运行数据见表 1 。 下转第 9 9页 欢迎光临本刊网站 h t t p ／ ／ ww w． e i c ． c o m． c n 仪器仪表用户 本文详细介绍了双馈风电机组 的控制与保护策略， 包括 转子侧变流器基于定子磁链定向的矢量控制方法及其 C r o w b a r 滞环保护策略和基于电网电压定 向的网侧变流器双闭环 解耦控制方案 ； 在分析了电池的特性的基础上建立的 B E S S的 数学模型和串级控制策略， 最后通过仿真研究表明当电网发 生故障时若在双馈风电机组的直流侧加装 B E S S装置， 可以有 效地控制直流侧母线电压在安全范围内， 从而配合 C r o w b a r 保 护提高风电机组的低电压穿越能力。口 参考文献 [ 1 ]雷亚洲． 与风电并网相关的研究课题 [ J ] ． 电力系统自动化， 2 0 0 3 ， 2 7 8 8 4 - 8 9 ． [ 2 ]I ．E d i c h ，H．Wr e d e ，C ．F e l t e s ．D y n a m i c B e h a v i o r o f D F I G - B a s e d W i n d T u r b i n e s d u rin g Grid Fa u l t s ／ ／P r o c e e d i n g o f Co n f e r - e n c e o n Po we r C o n v e r s i o n，P CC 0 7，Ap r i l 2- 5，2 0 0 7，Na g o y a l 1 9 5 ． 1 2 0 o． [ 3 ]S a r a h F o s t e r ， L i e X u ， B r e n d a n F o x ． B e h a v i o u r a n d P r o t e c t i o n o f Do u b l y -．f e d I n d u c t i o n Ge n e r a t o r s d u rin g Ne t wo r k Fa u l t s ／ ／ P r o ．． c e e d i n g o f P o w e r＆ E n e r g y S o c i e t y Ge n e r al Me e t i n g ．PE S 0 9 5 2 7 5 5 5 5，J u l y 2 6- 3 0，2 0 0 9，Na p l e s，I t a l y 1 -8． [ 4 ]姚骏， 廖勇． 基于C r o w b a r 保护控制的交流励磁风电系统运 行分析[ J ] ．电力系统自动化， 2 0 0 7 ， 3 1 2 3 7 9 -8 3 ． [ 5 ]蒋雪冬， 赵舫． 应对电网电压骤降的双馈感应风力发电机 C ro w b a r 控制策略[ J ] ．电网技术， 2 0 0 8 ， 3 2 1 2 8 4 - 8 9 ． [ 6 ]贾俊川， 刘晋， 等． 集成嵌入式储能的双馈风力发电系统功 率控制[ J ] ．电力系统 自动化 ， 2 0 1 0 ， 3 4 1 5 8 0 - 8 4 ． [ 7 ]侯世英， 房勇， 等． 应用超级电容提高风电系统低电压穿越 能力[ J ] ．电机与控制学报， 2 0 1 0 ， 1 4 5 2 6 ． 3 1 ． [ 8 ] 李强， 袁越， 等． 储能技术在风电并网中的应用研究进展[ J ] ． 河海 大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 0， 3 8 1 1 1 5 1 2 2 ． [ 9 ] J ． Z h e n h u a ， Y ．X u n w e i ．M o d e l i n g a n d C o n t ro l o f a n I n t e g r a t e d Wi n d P o w e r G e n e r a t i o n a n d E n e r g y S t o r a g e S y s t e m[ C] ．I E E E Po we r En e r g y S o c i e t y G e n e r a l Me e t i n g，2 0 0 9． 作者简介 潘 晟 1 9 7 9 一 ， 男 ， 硕 士 ， 工程 师 ， 主要 研 究新 能 源发 电技 术等 。 收稿 日期 2 0 1 1 -0 4 ． 1 6 上接第 9 2页 表 1 调试主要运行数据 电机启 动转矩 1 0 o ％ ～1 6 O ％ 力矩响应时间 3～ 6 ms 电机转速同步误差 0 ． 1 ～ 0 ． 3 ％ 上升时间 2 s 电机负载不均衡误差 O ． 1 ～0 ． 5 ％ 过载能力 2 5 0 ％ 电机转速控 制精度 0 ． 1 ～O ． 5 ％ 4主从切换 采用主从控制方案， 好处在于能够较容易地使 四台驱动 装置达到基本转矩均衡， 当主控装置出现故障时， 其他装置如 何继续运行保证生产过程顺利进行， 这就需要 P L C和传动装 置配合完成自动主从切换 ， 利用变频器的总线通讯可以实现 自动主从切换功能。系统正常运行时， P L C通过变频器端 口 与倾动变频器正常通讯， 当某一套从动驱动装置出现故障时， 变频器向 P L C发出故障信号 ， 自动停止工作， 其他三台驱动装 置继续正常工作 ； 当主控变频器出现故障时， 变频器停止工作 并发出故障信号， P L C接到故障信号后启动故障处理子程序， 通过 1 0端口设置一台从动变频器作为主控装置， 同时通过 D e v i c e N e t 总线设置和改变变频器内部参数。由于安川变频 器与 A B P L C属于不同厂家设备， 无法直接进行通讯， 但均具 有 D e v i c e N e t 总线通讯功能， 因此， 只需在 C o n t r o l L o g i x机架上 配置 D e v i c e N e t 模块 J ， 为 G 7变频器配置的用于 D e v i c e N e t 网 络通讯的 S I - P接口卡及相应的配置软件 ， 并用电缆与主站 连接， 以此方法即可实现主从 自动切换。变频器用于主从切 换的主要参数见表 2 。 表 2 主从切换变频器主要参数 速度／ 力矩切换信号 端子 s 8 速度／ 力矩切换定时 d 5 0 6 选择力矩控制 D 5一 O 1 切换速度／ 力矩切换 H1 0 6 选择速度限制 D 5 0 3 力矩指令输入方法 H 3 0 9 ／ 0 5 5 结束语 本系统采用串级调速方式 ， 四电机共同拖动转炉， 通过补 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 偿因子使转炉启动过程更加平稳， 也较好的解决 了转矩均衡 问题 ， 利用变频器与 P L C通过总线通讯实现了自动主从切换， 保证了系统工作中的稳定性和可靠性。实践证明， 该系统控 制策略的可行性 ， 设备运行正常、 安全、 可靠， 具有较好的起制 动及动态性能。口 参考文献 [ 1 ] 舒泉． 直接转矩控制技术在转炉倾动控制中的应用[ J ] ． 电 气工程应用 ， 2 0 1 0 ， 3 1 9 - 2 1 ． [ 2 ]李林， 马跃东， 郭艳兵． 有关大型转炉倾动控制问题的研究 [ J ] ． 冶金 自动化 ， 2 0 1 0 ， 3 4 2 5 5 - 5 7 ． [ 3 ]李富维， 等． 四维网络通讯技术在转炉控制中的应用[ J ] ． 冶 金动力 ， 2 0 0 8 ， 2 6 9 - 7 1 ． [ 4 ]陈伯时． 电力拖动 自动控制系统[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 7 ． [ 5 ]王伟， 张晶涛， 柴天佑． P I D参数先进整定方法综述[ J ] ． 自动 化学报 ， 2 0 0 0， 2 6 3 3 4 7 5 5 ． [ 6 ]R o c k w e l l Au t o ma t i o n ． C o n t r o l L o g i x 5 0 0 0 s y s t e m manu a 1 ． 2 0 0 4 ． [ 7 ] Y A S K A WA ．V a r i s p e e d G 7 u s e r m a n u a1 ．T O - 6 1 6 0 - 6 0 ． 1 B CN． 2 0 03 ． 作者简介 邱武 1 9 7 8 一 ， 男， 湖南华菱涟钢炼钢厂技术主管， 工程师， 主要从事炼钢工艺电气传动控制、 工业 自 动化与系统集成。 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 6 - 0 7 欢迎订 阅 2 0 1 2年度 ‘ 伙 袭 用 夕 杂 志 仪器仪表用户杂志系国内外发行的技术类刊物。办刊方针 务实， 服务 ， 育人。被读者誉为 “ 用户自己的刊物” 。 编辑部地址 天津北辰区万科花园新城美树丽舍蒲杉苑7 0 4 邮编 3 0 0 4 0 2 电话 0 2 2 2 4 4 1 9 5 6 5 1 3 9 0 2 0 5 8 9 1 1 网址 h t t p ／ ／ w w w ． e i c ． c o m． c n Em a i l e i c v i p ． 1 6 3 ． c o n El C Vo 1 ． 1 8 2 0 1 1 N o． 5 9 9