加热炉抽钢机联动过流故障分析

陈礼明，陈祥军

（1.上海梅山钢铁股份有限公司培训中心，江苏南京 210039；2.上海梅山钢铁股份有限公司热轧厂，江苏南京 210039）

0 引言

梅钢热轧厂1780 产线共设置3 座加热炉，每座加热炉出口设置2 台抽钢机，由于2 台抽钢机需共同抽出炉内长坯，故抽钢机采用联动控制方式。2014年下半年开始，3 座炉子抽钢机接连发生过流故障，具体表现为抽钢机在自动抽钢过程中突然停止或在抽钢机动作至末尾阶段突然停止，传动柜报过流故障。

1 抽钢机联动过流故障分析

1.1 抽钢机电气控制系统概述

加热炉抽钢机传动装置分别为2 台电机驱动，2 台电机分别带减速箱，减速箱之间用钢性联轴器通过齿轮耦合。2 台电机分别通过2 套逆变装置驱动，逆变器型号ACS800-104-0125-3，2 套逆变装置采用主从控制，其中主机带有速度编码器反馈，从机不带编码器。加热炉抽钢机的传动装置采用ABB 公司的ACS800 MultiDrive 变频装置。L1 为西门子S7-400 PLC，其中变频柜通过Profibus 与PLC 通信[1]，其中变频柜通过Profibus 与PLC 通信，电机尾部输出轴接有2 只同轴的编码器，其中增量编码器通过普通电缆接入变频柜，作为变频柜的速度反馈，另一只绝对值编码器通过Profibus 接入PLC，作为抽钢机的实际位置反馈。系统的主要特点：模块化结构，维护方便；功率范围、电压范围较宽；并联模块具有冗余功能。

1.2 抽钢机联动过流故障分析

这里使用的是ABB 公司自带的DriveWindow 来监控传动的数据波形，它是一款用于ABB工业传动的调试和维护的PC 机软件工具，主要功能是监控被控电机的运转状况，记录其各项主要的工作参数和故障显示功能，适用于ACS600/800 和ACS-6000 系列变频器。从监控传动系统的波形来看，主机（1 号抽钢机）传动柜的速度反馈与现场电机动作一样在（+40～-30）r/min 作正弦变化，从机（2 号抽钢机）的速度反馈与给定速度方向相反，主机、从机的电流都很大，曲线基本重合，主机、从机的转矩也很大，达到限幅转矩，曲线完全重合，方向与给定方向一致。通过分析，过流曲线主要有2 种，分别是振荡过流曲线和堵转过流曲线。

1.2.1 振荡过流分析

图1 所示是捕捉到的传动振荡时的一组曲线，其中曲线1 为主机速度给定、曲线2 为主机转矩给定、曲线3 为主机实际转矩、曲线4 为主机实际转速、曲线5 为从机实际转矩、曲线6 为从机实际转速。在抽钢机往回退的时候转矩发生振荡，导致速度发生抖动，但最终回退过程完成，没有发生过流停车。如果振荡过大，那将导致过流停车。这里以曲线中连续的3 个时间段（60.6 s、60.7 s 和60.8）进行分析，表1 为统计的曲线分时数据对比。

图1 DriveWindow 中显示的振荡过流曲线

表1 曲线分时数据对比

表1 可见随着转矩的增大，带编码器的主机速度居然减小，此后速度会一直振荡。电机转到某个位置时机械阻力加大，导致加速无法正常进行从而产生速度振荡，速度振荡必然导致转矩振荡，此后进入调整阶段；如果起始点的振荡较小，那么通过传动的后期调整基本可以在一段时间内纠正此问题，即又回归稳定；但如果起始点振荡很大，则后期转矩调整越来越大，直接导致过流跳车[2]。

综上所述，振荡过流故障来源于速度的起始点，如果速度在起始点可以加速，则基本不产生振荡或小幅度的振荡，但如果在起始加速过程中速度就产生了振荡，则过流故障就会发生。

1.2.2 堵转过流曲线分析

图2 所示曲线是电机在反转（抽杆托起钢往回缩的过程），启动过程中电机克服了一个很大的阻力f 导致电机转矩升到最大限幅值，此时电机出现堵转，但在54.8 s 的时候突阻力突然减小，电机恢复正常。由于2 台电机为主从控制，主机为速度控制，从机为转矩控制，主机和从机的转矩由主机分配。电机在启动的瞬间，主机以速度控制模式启动，同时从机由转矩控制模式启动，二者同时达到主机的给定速度即一个启动过程完成。但从曲线上看到，启动过程中主机和从机转矩在增大的过程中主机的速度在某一时刻不但没增加反而下降了。这时主机和从机经过不断自调整使自身转矩不断增大达到最大负的限幅值，但速度依然没有增加。由牛顿第二定律F-f=ma 可知，因为F 是在不断增大，也就是转矩在不断增加，系统认为此时的转矩不够或外界阻力太大（f 太大）[3]。造成以上现象的原因是有一个外力在阻止电机升速，导致主机速度编码器反馈到的主机实际速度在来回振荡，振荡到某一时刻当主机的实际速度接近0 速时也就是完全被外力阻住的时候就不振荡了，然后就一直保持满转矩0速，在54.8s 的时候电机的转矩突然冲破阻力，此时f减小加速度a 增大，瞬间达到给定速度，转矩下降恢复至正常，若在满转矩0速的时间过长，超过了系统自身的调节范围，那么出现的现象就是过流跳车。

在上面堵转的过程中，由波形得到从机的速度值为+20 r/min 左右，但是此时的速度给定为负值（现场情况是抽杆往回缩，也就是需要电机以一个负的速度转动）。可能的原因是，从机的速度显示值只是传动内部通过反电势计算出来的，而电机在低速运行的时候反电势的计算值与实际有一定的偏差，同时现场观察到此时的从机没有像曲线上表明的在向与给定相反的方向运行。

综上所述，堵转故障的发生与外力阻挡和速度反馈值有极大关系，当电机处于堵转状态时，其电流将超过系统自身的调节范围，致使过流跳车的发生。

2 抽钢机联动过流故障对策及效果

从以上分析可以得知，引起抽钢机过流故障主要是由于启动过程中电流异常振荡和电机运行时发生堵转所致。但具体而言，电流异常振荡和电机堵转的原因有很多，这其中包括机械方面的原因，如机械的一些状态发生改变，如润滑异常、间隙异常等；也包括电气方面的原因，如电气传动的一些参数未及时优化等。因此对于造成故障真正原因的排查需要结合设备实际运行状态的跟踪和观察加以细致和深入的分析。

通过对已发生的过流故障首先使用DriveWindow 来监控传动的数据波形，对故障的范围和特征进行鉴别，找出故障的可能因素，进一步对现场设备进行实际检查和试验验证，确认故障原因。此方法已经被总结成相关的先进操作法在梅钢热轧厂进行推广，不仅使类似过流故障的排查解决效率大大提升，而且利用对DriveWindow 数据波形的监控，轧钢操作人员可以实时干预，从而在很大程度上避免了因过流故障引起的停机。

在上述的故障排除和处理中，已经对于原因不甚合理的设备状态进行调整，如，为了提高抽钢机从机实际速度的检测精度，在从机电机的尾轴安装了一组与主机一样的编码器；又如，通过优化传动参数，将抽钢机的运行周期延长，从而在满足工艺要求的前提下，增加了系统运行稳定性。实践中证明，这些设备状态调整有效地减少了过电流事故的发生。

图2 DriveWindow 中显示的堵转过流曲线

3 结束语

通过以上措施，现在已基本杜绝了梅钢1780 产线抽钢机联动系统的过流故障，设备可靠性大大提高，通过对抽钢机联动过流故障的分析，查找其原因及解决对策，也为其他设备查找类似问题提供了一个案例。过流故障在日常生产中经常发生，如何分析，这就需要能够从大系统考虑，结合机电一体，利用现代化检测手段，系统地查找，有针对性的解决故障。