京唐炼钢2 号连铸机变频器控制系统升级改造

韩军亮，李建英，滕 波

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

0 引言

首钢京唐公司2 号板坯连铸主要承担品种钢生产任务，连铸机关键设备均采用西门子MasterDrive 6SE70 系列变频器驱动，经多年使用其核心部件已经进入老化阶段，变频器故障率逐年升高，每年变频器的维护成本高昂，且使用的西门子MasterDrive 系列6SE70 变频器已停产，备件也将于2020 年停止供货，目前部分在线变频器损坏后已无备件可换，只能将电机下电辊子作为自由辊，导致出坯辊道运行坯子能力减弱造成堵坯，扇形段拉矫机驱动力大受影响导致滞坯现象时有发生，严重影响连铸正常生产。升级改造的目的:①进行设备更新换代，保证备件供应，替换下的旧件可用于其他铸机，实现旧件循环利用，降低成本；②保障设备功能精度，从而满足品种钢生产需求，确保公司优质产品指标兑现。

1 2 号连铸机传动设备介绍

2 号连铸机传动设备由公用部分传动柜、1 流扇型段和拉矫传动柜、1 流辊道传动柜、2 流扇形段和拉矫传动柜、2流辊道传动柜等5 部分共计45 面135 台变频器组成，电机功率范围4～90 kW。主要控制功能包括:大包转台传动、中包车行走，结晶器在线调宽、引锭杆车行走、链传动及卷扬、扇形段辊子驱动、切前切下辊道驱动，出坯区中间辊道驱动等。改造内容包含以上全部变频器共计135 台，采用西门子最新产品SINAMICS S120 系列变频器及其成套传动柜。

2 SINAMICS S120 系统技术方案

2.1 SINAMICS S120 变频器简介

西门子MasterDrive 变频器停产后的替代产品为SINAMICS S120 变频器，其通风、散热设计更加合理，运行稳定性增强，在国内已有大量应用。用户直观感受是S120 不同于以往一体式变频器（MM4/6SE70），而是一款分体式产品，即控制单元、功率单元、参数存储分体式设计。分体式的好处在于:CU不受功率单元发热的影响，系统更加稳定，在变频故障情况下故障恢复更快捷；由于参数由CF 卡存储，更换变频器、更换控制单元等都不涉及参数的重新设定问题，可保证生产的连续性；各种不同的操作面板、多种语言的显示功能及灵活的端子模块满足不同的需求，模块化设计使维修维护更加便捷，并节约维护成本。

2.2 SINAMICS S120 变频器选型

结合现场实际运行情况，新系统的带载能力参照现有系统功率指标选型。

选定的S120 变频器采用AC-AC 书本型变频器，控制单元CU310-2DP，附件包括:①24 V 直流稳压电源，在系统主电源断开时仍然提供诊断功能；②存储卡，更换模块无需上传、下载参数；③SMC30，接受增量式编码器信号；④BOP 操作面板，查询、修改参数。具有高动态响应能力的矢量控制，多种标准功能和诊断能力等，力矩上升时间大约5 ms，力矩波动小于2%，速度精度0.001%，速度上升时间20 ms。

SINAMICS S120 变频调速柜具有应对颠覆转矩的过载能力。如果出现较大的浪涌负荷，在组态时就会将其考虑在内。因此，在具有过载要求的变频调速柜中，必须将相应的基准负载电流用作所需负荷的基础。过载的标准是在过载发生前后，变频调速柜以其基准负载电流运行，负载的持续时间假定300 s。高过载的基准负载电流IH允许150%的过载（60 s）或160%的过载（10 s），如图1 所示。

图1 过载曲线

2.3 SINAMICS S120 系统传动柜布局

根据新变频器安装尺寸，并考虑到EMC 电磁兼容性的问题，降低通信故障发生，设计将原来1 套传动柜安装4 台变频器改为3 台，每个流增加7 套新传动柜并配齐柜内设备，分别为中间辊2 套、扇形段水平段加引锭杆车行走3 套、引锭杆卷扬及拖链1 套、结晶器调宽1 套，合计7 套柜；两流共需要新增西门子原厂变频柜52 套，其他变频柜利旧。

图2 动态响应曲线

2.4 SINAMICS S120 系统调试

项目调试采用Starter V4.5 版本，调试主要包括对主回路上的刀熔开关、风机断路器辅点控制回路进行检查，并测试与变频器的连锁，增加自由功能块，设置自定义故障参数；对所有变频器进行电机空载优化测试，带编码器监测曲线，调整PID 控制精度在0.5%～1%之间。上述调试完成后，对所有变频器进行硬件配置，程序修改及DP 通信网线改造，设置变频器与PLC 接口参数，进行单体远程控制调试。单体远程调试全部结束后，所有辊道进行连锁调试。扇形段部分需要进行事故出坯模式测试。图2 为变频器动态响应曲线:设定速度与实际速度跟随趋势。

2.5 实施过程中存在的问题及解决方案

（1）S120 经过自检、预充电等一系列步骤后，大约比6SE70系列变频器晚5～6 s 的时间。现场可以观察到辊道启动慢的现象，这对辊道保持同步有影响。将变频器进线主接触器由急停信号和故障信号共同控制，使变频器的整流回路一直保持工作状态，跳过预充电过程，实现S120 和6SE70 变频器的同步。

（2）S120 变频器转矩偏大，转速和其他辊道相比较快。增加变频器Droop 软化功能，输出力矩变大时，人为减小速度给定，起到平衡负载分配的作用。Droop 软化功能由PLC 发送控制字r2090.12 激活，软化功能如图3 所示。

图3 Droop 功能

（3）结晶器调宽系统实际测位置，由PLC 系统采用变频器传输的编码器脉冲值计算得出。改造过程中发现计算位置与实际位置不符，通过分析功能图确定P418 编码器脉冲分辨率直接影响编码器的脉冲值，通过调整参数P418 的值，实现结晶器调宽系统的精确定位，正负误差≤0.5%。

3 经验总结

通过这次改造将之前容易发生故障的情况采取规避手段。

（1）改变柜内布局减少散热问题。连铸机高拉速生产时，变频器散热量比较大，如果过于紧凑很不利于变频器散热，容易引起变频器过热导致故障停机。

（2）消除EMC 电磁兼容性问题。由于变频器在运行时产生的电磁干扰比较大，变频器控制方式采用PROFIBUS DP 网络控制，以往生产中偶发通讯故障，为了降低发生此类事故发生率，本次改造严格参考西门子变频器安装间距不小于5 cm 的标准，减少柜内变频器数量，尽量降低电磁干扰。

变频器升级为S120 后已运行2 年时间，总体设备运行稳定，改善了因备件不足造成的连铸机功能精度缺失，减少了因传动问题造成的断浇、卧坯事故，降低了损失。2 号铸机替换下来的6SE70 系列变频器也为其它产线提供了充足的备件，保障了其它铸机生产的稳定运行，该项目达到了预期目的。