S120在薄带铸轧主轧机控制系统上的应用

董云鹏，季宝伟，隋大伟，徐艳松，马洁

（天津电气科学研究院有限公司，天津 300180）

薄带铸轧技术是当今钢铁工业最具发展潜力的一项冶金前沿新技术，也是一种短流程、低能耗、低投资、低成本和绿色环保的新工艺。冶金生产工艺短流程是相对于传统的钢铁生产工艺而言的，在技术上突出的特点是缩短加工周期和后续加工环节，由金属熔体直接得到所需的制品。它打破了传统带钢生产工艺模式，直接将钢水浇筑成薄带钢，实现铸轧一体化，使钢铁生产流程更紧凑连续、高效环保。

SINAMICS 是西门子公司推出的全新模块化的驱动器控制系列，应用于工业领域的机械设备生产和工厂设备。其中，SINAMICS S120 以其良好的控制精度和优异的动态特性，广泛应用于各个工业领域中要求苛刻的驱动场合。本文以某短流程薄带铸轧项目生产线主轧机为例，来介绍其控制和应用。

1 工艺流程及设备简介

经炼钢后的原料首先进入铸轧区，在铸轧区冷凝结晶成带状经运送辊道进入主轧机，主轧机按照成品规格进行轧制，轧制后带钢经过冷却进入卷取机卷取成型，然后打捆运送至成品区。其主要工艺流程和设备组成如图1所示。

图1 生产线工艺布置简图Fig.1 Process layout of production line

1.1 铸轧区

铸轧区包含主要设备有：大包回转台、中间包及双辊铸机等。

大包回转台的主要作用是为实现多炉连续生产提供钢水，当一包钢水浇完时，通过快速旋转把另一包钢水送到中间包上方；中间包的主要作用是在更换大包时为机组提供连续的钢水。

双辊铸机是由一对反向旋转、中间通水冷却的铸辊（结晶辊）和两侧的侧封板组成，结晶辊是薄带铸轧特有的设备，是薄带铸轧的核心。钢水从中间包的水口流出，通过分配器和布流器，均匀地洒落到由一对结晶辊和一对侧封板组成的熔池里，然后旋转的结晶辊使钢水快速凝固成带，随后送到轧机。

1.2 轧机区

该区域主要由1 台四辊轧机、1 套快冷装置以及飞剪组成。其中四辊轧机为主轧机，其机座由4 个位于同一垂直平面内的水平轧辊组成，轧制是在两个工作辊中间进行。轧机配有多功能仪表，配合AGC 系统能使板带的纵向厚度偏差处于可控状态，实现厚度自动控制。快速冷却装置位于主轧机后，用以实现带钢的快速、均匀冷却，并进行卷取温度控制。轧制后的带钢经过快冷装置进入飞剪，飞剪是连续带钢生产线的常规设备，起到头尾剪切和分卷的作用。

除此以外还有4台夹送辊，分别位于轧机前、后，各1 台；飞剪前、后，各1 台。其作用一方面为引导带钢进入轧制线并向后运输，另一方面，更重要的是起到带钢纠偏和建张的作用。

1.3 卷取及运输区

卷取机是带钢生产线重要的辅助设备，具有生产效率高、卷取速度快而钢卷密实等特点[1]。

此区域主要包含2 台地下式卷取机和1 套钢卷运输设备。2 台卷取机交替使用，其主要作用有两点：控制轧机出口张力和将带钢卷取成卷。运输区的作用是将打捆完成的钢卷运送至卸卷区域，以便贮存和运输。

2 主轧机电气控制系统

2.1 电机数据

主轧机电机为鼠笼型三相异步电动机，采用双绕组接线形式。详细电机数据为：功率2 000 kW，转速（基速/高速）500/1 000 r/min，频率（基速/高速）25.25/50.8 Hz，电压660 V，电流2×1 052 A，功率因数（基速/高速）0.86/0.9，6极电机。

电机运行工况为S9工作制，对电机过载能力要求为：基速以下1.15 倍额定连续负载，180 s 过载1.5 倍额定负载，60 s 过载1.75 倍额定负载，20 s 过载2 倍额定负载，2.25 倍额定负载时切断；高速过载：1.5倍额定负载运行60 s。

2.2 传动系统的配置

传动系统选用西门子公司SINAMICS S120系列全数字电压型逆变器加由整流/回馈单元构成公共直流母线供电方式。

该台电机作为轧制生产线主轧机电机，有着冲击型负荷的特点，其空载运行时电流很小，在其运行周期或非周期内会突增负荷，电机会以过载状态运行。针对此负载类型电机，在进行装置选型时，需按重载曲线进行选型。

2.2.1 逆变装置

铸轧主电机为双绕组电机，为满足电机的过载使用要求，采用两台西门子800 kW 装机装柜型电机模块并联为每个绕组提供驱动，即4 台装置两两并联共同驱动1台电机。电机模块额定功率为800 kW，额定电流810 A，以300 s 的负载循环时间作基准，装置具有150%过载60 s 或160%过载10 s 的能力。在此高过载工况下，装置过载前后的基本负载电流IH为724 A，会低于额定电流。电机模块并联使用需考虑5%的降容[2]。装置容量的效验结果如表1所示。

表1 装置容量效验Tab.1 Device capacity validation A

西门子SINAMICS S120 系列变频装置的并联使用，具有结构简单、调试方便等特点，且无需均流互感器等设备，有利于节省成本。

2.2.2 整流回馈装置

主轧机的上、下辊电机采用各自独立的公共直流母线形成独立的控制系统。每台电机选用2台1 400 kW 整流/回馈单元并联为逆变器供电，供电部分通过二极管整流桥进行，电能回馈则通过IGBT 进行，再生馈电持续效率可达到100%。在一个电源周期中每个IGBT 只导通和关断一次，在三相桥式整流的自然换流点（导通延迟角α=0°处）开始导通，持续120°后关断，在电网故障或进线电压降低过多时，立即关断所有IGBT，二极管桥阻止逆变电流通过，从而避免逆变颠覆的发生[3]。

该非调节型电源模块在未接地电网（IT 电网）上运行时，应拆下抗干扰电容连接片，否则当系统发生单相接地故障时，抗干扰电容会因承受过电压而发生损坏，也容易扩大事故范围。

2.2.3 控制单元配置

控制单元采用CU320-2 DP 以实现高精度矢量控制。轧机上、下辊电机各配有一台CU320，定义上辊电机为1#CU 控制，下辊电机为2#CU 控制，为了实现上、下辊控制器之间的高速通讯，每台CU320 安装了一块CBE20 选件板，借助CBE20接口模块，CU320-2可以接入PROFINET。

系统单线图如图2所示。

图2 系统单线图Fig.2 System single line diagram

2.3 系统功能

2.3.1 SINAMICS Link通讯

通过安装CBE 20选件板，CU320控制器之间可以进行SINAMICS Link 通讯，完成控制单元之间的直接数据交换。数据发送及接受节点包括带有CU 的驱动单元及连接的驱动对象，其报文为16 个固定的过程数据空间（PZD），每个PZD 为1个字节长度。

轧机上、下辊控制器之间通讯的主要目的有两点：1）将上辊转矩数据传输给下辊，完成负荷平衡的功能；2）采集上辊装置状态传输给下辊作故障连锁使用。通讯接口设为Interface 2，Interface 1 用作与上级自动化的DP 通讯使用。SINAMICS Link通讯配置如图3所示。

图3 SIMANICS Link通讯Fig.3 SINAMICS Link communication

图3中，Drive 1为上辊电机模块，Drive 2为下辊电机模块。Drive 2 通过PZD 1 接受Drive 1 的转矩实际值（r80.1）并将其放入通道1（P8870.0）的缓存区内（r8850.0），再通过参数P22003 将此缓存区数据连入CFC 程序中参与计算。Drive 1通过PZD 1 接受来自Drive 2 的调节系数（r22009）并将其放入通道一的缓存中（r8850.0），以附加速度给定（P1071）的方式接入速度调节器。PZD 5 用作通讯故障的判断，Drive 2 程序会不间断地产生跳变脉冲（r22008），Drive 1 通过PZD 5 接入通信缓存（r8850.4）并通过参数P8851[4]发送回Drive 2，在Drive 2 中通过参数P22007连入CFC 程序，在程序中通过比较收、发位状态可以判断通讯是否正常。Drive 1 的故障信号是通 过PZD 6 发 送 至Drive 2 的，Drive 2 通 过 参 数P22005 将Drive 1 的故障位采集至CFC 程序中，此故障位会和Drive 2 故障以及通讯故障等信号一起成为综合故障信号。

2.3.2 负荷平衡

负荷平衡功能是由下辊完成，程序通过SINAMICS Link 通讯采集上辊数据完成计算，再通过通讯将附加设定值传回上辊，通过微小改变电机转速实现负荷平衡功能。负荷平衡调节器由两部分组成，即负载平衡调节器和上、下辊附加速度设定计算。

负载平衡调节器的原理是分别取上辊及下辊电机的转矩实际值，取绝对值后计算偏差，当偏差超过阈值时，负载平衡调节器输出产生附加转速设定，通过修改两个系统的速度给定平衡两台电机的转矩。负载平衡调节器的设置为比例积分（PI）调节器，但由于负载平衡调节器不能太快或出现震荡[4]，故采用KP（比例）小、Tn长的调节器设置。控制框图如图4 所示。

图4 负载平衡调节器控制框图Fig.4 Control block diagram of load balance regulator

附加速度的设定计算是取负载调节器的输出，通过与“1”的运算产生一个绝对值小于1的系数，此系数与速度给定值的乘积将作为新的给定值进入速度给定通道，使负载大的系统速度降低，减少其实际负载。为了避免因为速度波动过大而对轧制造成影响，需将负载平衡调节器的出值限制在0～5%，速度调节给定调节介于100%～95%之间。附加速度设定如图5 所示，负荷平衡投入后转矩波形如图6所示。

图5 附加速度设定Fig.5 Additional speed setting

图6 负荷平衡投入后转矩波形Fig.6 Torque waveforms with load balance

从图6可以看出，在投入负荷平衡功能前，由于表面温差等原因，上、下辊电机转矩差别较大，在负荷平衡功能投入后，随着调节器输出的增大，上、下辊电机转矩趋于一致，负荷平衡功能效果明显。

2.3.3 安全停车功能

现场设备在运行期间出现问题时，需要既快速又安全的停车方式。SINAMICS S120 提供了“Safe Torque Off”（STO）功能，可以和设备一起协同工作，在故障情况下安全封锁电机的转矩输出。在选择“Safe Stop 1”后驱动将沿着OFF3 斜坡（p1135）制动，并在p9652/p9852 中设置的延迟时间届满后，进入“Safe Torque Off”（STO）状态，其工作原理示意图如图7所示。

图7 STO功能示意图Fig.7 STO function diagram

在使用STO 功能时应确保装置在达到电流极限时不会做出响应，以免装置提前进入脉冲封锁状态而失去安全停车功能。

3 结论

本文以S120 在薄带铸轧主轧机电控系统应用为例进行分析，充分体现出SINAMICS S120 系列变频器配置灵活、扩展能力丰富的特点。该控制系统自投入以来一直稳定运行，极大地降低了设备维护成本，提高了企业连续生产时间，成功完成生产线设计的产量和质量的任务要求，达到预期的控制效果。