自适应动态力矩-速度跟随切换卷扬调速系统

邓 辉，杨永立，周文玲，王 威

DENG Hui1, YANG Yong-li1, ZHOU Wen-ling2, WANG Wei1

(1.武汉科技大学 信息科学与工程学院，武汉 430081；2.中冶南方武钢设计院，武汉 430081)

0 引言

目前国内高炉主卷扬系统驱动经数字化改造后多采用直流调速系统，其系统调速虽运行可靠但仍存在维护工作量大的缺点。在实际生产中直流调速系统常采用静态力矩-速度切换控制方式，就是在松闸前将电机的额定输出力矩的30%作为松闸力矩，由于料车要装矿石和焦炭两种原料，每次启动时料车的重量都不一样，使得控制系统在轻载时会对钢绳造成冲击，在重载时会造成料车失控下落。为解决上述实际生产中系统维护工作量大，料车运行不平稳，失控下落等问题，现引入一种交流自适应动态力矩-速度跟随切换控制系统。下面通过卷扬系统的运行过程，对常用的调速系统和优化以后的调速系统进行分析。

1 卷扬系统运行过程简介

如图1描述高炉双料车上料：一料车在料坑装料，另一料车在炉顶卸料，电控系统封锁，抱闸落闸。当料车到达料坑时，发出装矿或装焦指令，矿石或焦炭的漏斗阀门打开装料，称重漏斗发出料空信号后，延时关闭阀门，料车等待上位机命令。

图1 高炉上料主卷扬示意图

上位机PLC发出右车上行命令，系统开放，为防止右车下落，电机需建立初始力矩后才能打开抱闸，松闸后料车按图2所示速度曲线运行，图中n为卷扬电机转速，t为运行时间。

图2 料车运行速度曲线

2 卷扬调速系统的分析与优化

由于装满物料的料车属于大惯性恒转矩负载，所以在停车及电控系统关闭时必须使用抱闸装置。料车运行前先建立松闸力矩，然后打开抱闸，使料车平稳上升，下面对常用的静态力矩-速度切换控制系统及优化改进后动态力矩-速度跟随切换系统进行分析。

2.1 静态力矩-速度切换卷扬调速系统

料车装好物料后，上位机给系统PLC发开车命令，抱闸未打开，静态力矩-速度切换控制系统先在力矩单环下运行（速度环不起作用）：系统一般将额定输出力矩的30%作为力矩调节器ATR的给定，系统内部检测到输出力矩到达给定力矩值时发松闸命令；松开抱闸后可保证料车不会下坠，但由于转矩单环系统对速度的控制性能不够理想，因而在料车上升阶段将系统切换到力矩-速度双闭环控制系统以实现精确控制电机速度；在切换回双闭环以后，由于转速调节器ASR是PI调节器，其输出是从零开始上升的，而力矩调节器ATR输入给定是ASR输出经乘法器给定的，故ATR输入也是从零开始增加的，上升之前ATR单环已经建立起静态转矩T0（额定输出力矩的30%），即ATR反馈值是T0，因而ATR输入偏差值为负值，这样造成ATR退饱和，力矩调节器输出先下降再上升。ATR输出下降时，必然导致输出力矩小于负载力矩，造成输出转矩波动，同时速度也会波动，其运行曲线如图3所示。

图3 静态力矩-速度切换调速系统运行曲线

n(T)表示将转速和转矩表示在同一个坐标系中，TL表示负载力矩，T0表示松闸力矩，t1表示松闸命令时刻，t2为T0=TL时刻，曲线n表示电机转速曲线，曲线T表示电机输出力矩曲线。

2.2 卷扬优化调速系统——自适应动态力矩跟随切换系统

由静态力矩-速度切换卷扬系统的分析可知，想要保证系统的可靠性，保证力矩和速度的过渡过程平稳关键在于力矩的平稳控制。动态力矩-速度跟随切换系统能自动根据负载力矩的大小改变松闸力矩初值的大小，即松闸前松闸力矩设定值跟随负载力矩，并且在切换的过程中会给定速度调节器的输出一个初值，使得在松闸的过程中力矩和速度平稳上升，不会对钢绳造成冲击，其控制思想如下∶

动态力矩-速度跟随切换系统在松闸前和静态力矩-速度切换系统一样先在力矩单闭环下运行，力矩给定值T0即为负载力矩值，系统内部检测到输出力矩到达给定力矩值时发松闸命令，抱闸打开，切换到转速力矩双闭环下运行，为了避免力矩调节器ATR退饱和造成转矩波动，在切换的过程中，给速度调节器ASR的输出一个初值T0（即力矩调节器ATR输入），大小为力矩给定值，使得力矩调节器ATR的输出从力矩给定值继续增加，从而实现输出力矩的平稳增加，速度的平滑上升。其运行曲线如图4所示。

图4 自适应动态力矩-速度跟随切换系统运行曲线

n(T)表示将转速和转矩表示在同一个坐标系中，TL为负载力矩，t1为松闸时刻，曲线n表示电机转速曲线，曲线T表示电机输出力矩曲线。由于转速调节器ASR是PI调节器，切换的过程中给定ASR的输出一个初值T0，切换后ASR输出便从T0开始增加（没有初值便从零开始增加），力矩调节器ATR的输入也是从T0开始增加，再与力矩反馈值比较，输入偏差为正，不会造成力矩调节器退饱和，使得ATR的输出也是从负载力矩值开始增加的，这样就避免了输出力矩的波动，使得料车的速度平滑上升无震荡。

2.3 恒转矩负载下的理想给定T0

对于自适应动态力矩-速度跟随切换系统的实现，一是切换时刻，二是理想力矩初值T0的给定；料车的提升可以看成是恒转矩负载，但每一次料车负载实际上是变化的，料车要按照工艺要求装矿石或焦炭，而且每次所装料的重量也不同，因此负载力矩每一次是变化的，初始力矩T0的给定对于料车在切换过程中的平稳运行至关重要。针对上述问题，本文提出一种自适应力矩检测的方法，由上料工艺可以知道，小车的物料是由称重漏斗阀门打开加入的，每一次加入物料的重量可以由称重漏斗得到。小车在导轨上的受力分析图如图5所示。

图5 料车受力分析图

在图5中，小车运行前由称重漏斗测量出物料的重量m1，小车的重量为m2，图中，导轨和地面的夹角为θ，要使小车在导轨上静止，则拉小车钢绳的张力为F，由T=F×D，D为提升转矩半径，计算出负载力矩，TL=(m1+m2)g×sinθ×D得出所需的松闸力矩T0(T0稍大于TL)，作为松闸力矩给定以及力矩环向速度环切换时速度调节器的输出值，从而保证每一次小车运行时都能得到理想的转矩给定，使系统在切换的过程中力矩平稳增加。

3 自适应动态力矩-速度跟随切换系统的软硬件设计

本文采用西门子PLC S7-300和ABB ACS800系列交流变频调速装置来实现自适应动态力矩-速度跟随切换控制系统。该卷扬系统硬件设计为：卷扬机经减速机由两台电机传动，电机功率500kw，电压660V，减速机速比为18.6，卷筒直径2米。电机驱动采用ABB ACS800系列变频器，额定功率900kw，额定电压660V～690V，两台电机同轴由三台变频器驱动，正常工作时两用一备，为保证两电机出力均衡，两台电机驱动采用主从控制方式：其中一台变频器为主机，控制系统包含速度环和力矩环；另一台变频器为从机，使用力矩跟随模式，其力矩给定跟随主机输出力矩，这样可保证两台电机输出力矩相同。为保证可靠工作，系统选用第三套变频器作为备用变频器，备用变频器既可以做主机，也可以做从机，通过倒换开关进行选择，倒换开关切换后，有辅助接点进入SIEMENS S7-300 PLC，自动实现操作的连锁。

系统启动设计流程图如图6所示，系统PLC接受上位机的运行方向信号、急停信号和速度选择信号，控制系统的开闸合闸，控制交流变频器的启停，给定变频器的主给定，发送力矩-速度切换指令。

上述系统内部控制算法采用全数字化实现，我们利用ACS800控制器本身具有的编程能力来实现系统的启动过程，保证实际运行曲线符合工艺要求，其控制框图如图7所示。

其控制过程为：每次料车运行前，通过称重漏斗计算出负载力矩，即初始力矩给定T0，给到参数24.10（速度积分器初始值），上位机PLC发出开车命令，系统PLC收到开车命令后向主变频器发送方向信号，主变频器通过参数26.01=3选择力矩控制模式，力矩调节器输入给定为2.08，当系统内部检测到输出力矩T到达T0时，向系统PLC发松闸命令，系统PLC收到松闸命令打开抱闸并收到松闸应答信号时，向主变频器发松闸应答信号，主变频器收到松闸应答信号，电机开始转动达到零速设定点n0时系统PLC发切换命令，通过26.01=2选择力矩调节器输入给定为2.09，主变频器切换到速度力矩双闭环下运行，同时投入工艺所需速度给定，从变频器工作在力矩跟随模式下，跟随主变频器力矩，保证输出力矩相同，从而实现了智能自适应动态力矩跟随切换，使得力矩平稳增加，速度平滑上升无震荡。

图6 系统控制流程图

图7 系统软件框图

4 结论

采用西门子PLC S7-300和ABB ACS800系列变频器实现的交流自适应动态力矩-速度跟随切换系统，很好的解决了常规系统中维护工作量大、运行不平稳、料车失控下落等问题，保证了力矩的平稳增加，速度的平滑上升。在玉溪新兴钢厂1080m3高炉主卷扬系统中投入使用后，运行平稳可靠，性能优异，故障率低，很好的满足了高炉系统的工艺要求，取得良好的社会和经济效益。

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