西门子自动化与驱动集团自动化系统部

    2 系统介绍

    在炼钢连铸生产自动化系统中，采用西门子plc作为系统的控制中心，传动部分分为公用部分、铸流部分、冷却水部分和火焰切割几部分。由于连铸机生产的特殊性，它对电气传动系统的要求较高，要求调速无静差，动态响应速度快，抗干扰能力强。mm4系列变频器具有通用性强、保护功能完善、可靠性高、性价比出色等特点，同时在通信功能、工作效率、使用方便等方面也很优势。现场照片如附图所示。

 

附图 现场照片 

    3 控制系统构成

    驱动设备：所有主生产线传动设备全部采用了变频器驱动，连铸机从钢包回转台直至横向移钢车以及二冷水压力调节等机械设备的传动中共使用了68台变频器，功率范围从1.1kw到110kw。

    控制器：采用西门子s7系列控制器，通过profibus－dp现场级总线，将生产线各部分的信号集合到plc完成出口及收集区自动化控制，继电连锁以及故障检测。并实现了多种设备之间的联系。

    4 运行原理及功能

    在连铸机的不同部位，既有在普通条件下运行的机械设备，如辊道、切割车、水泵，也有一些机械设备对传动系统有着特殊要求，需要对变频器功能正确利用。下面就对一些此类设备的应用进行说明。如：

    （1） 钢包回转台

    钢包回转台是连铸机的关键设备之一，起着连接上下两道工序的重要作用。钢包回转台的回转情况基本上包括两侧无钢包、单侧有钢包、两侧有钢包三种情况，而单个钢包重量已超过140吨。三种情况下，钢包回转台受力有很大不同，但无论在何种情况下，都要保证钢包回转台的旋转平稳，定位准确，起停时要尽可能减小对机械部分的冲击，为减少中间包液面波动和温降，要缩短旋转时间。因此，我们在变频器的容量选择上，留有余地，即比电机功率加大一级。同时利用变频器的s曲线加速功能，通过调整s曲线保证加、减速曲线平滑快速，减少对减速机的冲击，再通过plc判断变速限位、停止限位实现旋转过程中高、低速自动变换及到位停车，同时满足了对旋转时间和平稳运行的要求。

    （2） 结晶器

    结晶器是连铸机的核心设备之一，直接关系到连铸坯的质量。结晶器的振动频率要求准确，并根据拉坯速度自动调整，在高振频时，由于电机负载率上升，转差率增加，导致振动频率有所降低，而为了保证振动频率的精确，需要打开变频器的转差补偿控制，在负载增加时，使变频器自动增加输出频率以提供在没有速度降低情况下所需要的电机转差率，补偿量正比于负载的增加量，并在整个调速范围内都起作用。 

    另外，结晶器的振动是由电机带动偏心机构旋转来实现的，因此表现为输出电流及母线电压呈现周期性震荡，在振动频率较高时有引起母线过电压故障的可能，通过允许变频器的母线调节功能，使变频器会基于直流母线电压自动调整输出频率，监测到母线电压瞬时升高时变频器会适当增加输出频率以减小引起母线电压升高的再生能量，这样做降低了出现变频器过压故障的可能性。同时高速区矢量控制同样可以弱磁运行，进行恒功率调速，其速度力矩精度响应频率性能和指标，可达到直流调速系统品质指标。

    （3） 拉矫机

    在连铸工艺中，连铸机拉坯辊速度控制是连铸机的三大关键技术之一，拉坯速度控制水平直接影响连铸坯的产量和质量，而拉坯辊电机驱动装置的性能又在其中发挥着重要作用。交流电机变频调速技术日益成熟，交流变频驱动调速平稳，调速范围宽，对机械冲击低，交流电机维护量低，交流变频调速已取代直流调速，完全能够满足拉坯辊速度控制的需要。

    连铸机的拉矫机为五辊双机架三驱动，上拉坯辊、下拉坯辊、矫直辊由三台同型号电机共同驱动，完成引锭杆的上下传送运行和连铸坯牵引，三台电机必须保持同步，与一般的同步要求不同的是要保证三个辊面的线速度相同，而不是三台电机的转速相同，以避免出现负载分配不均引起母线过压、欠压、过载故障。 

    三台变频器接受相同的速度指令，按照同一频率运行，但由于三辊处于一个半径8m的圆弧段的不同位置上，若要保持三个辊面的线速度相同，则三台电机的转速实际应有轻微差别，加上三台电机的参数不可能完全相同，这就造成了三台电机同步的困难。如果打开母线调节功能，虽然可以在一定程度上避免由于不同步造成的母线电压升高，但会造成电机转速的不稳定，从而使拉速值波动，进一步影响到结晶器钢水液面和二冷配水的稳定，甚至有造成事故的危险。为此，我们利用变频器内置的pi控制功能，使三台电机构成主从驱动系统，即以上拉坯电机作为主驱动电机，工作在速度调节方式，下拉坯电机和矫直电机作为从动电机，工作在带有速度修正的速度调节方式下，通过比较主从电机的力矩电流产生偏差信号，从而修正从动电机的速度。变频器间的力矩电流信号传送可以通过变频器内置的模拟量输入、输出通道来实现，无需另外添加硬件。这种方法构成的主从驱动系统，结构简单，完全利用变频器内置功能实现，可以连续自动完成速度修正，应用在多辊传动的拉矫机上效果非常理想。 

    （4） 切割机

    本项目应用的切割机是火焰切割机，其主要作用是将铸坯切割成定尺或倍尺长度，并可进行坯头、坯尾及试样切割。与引锭杆分离后的铸坯按拉坯速度进入切割区，火焰切割机切掉300mm左右长度的切头，掉入下部的切头收集箱内，切头切割以后的铸坯按要求的三倍尺长度切割。切割期间，靠夹持装置，火焰切割机与铸坯同步行走，铸坯长度通过测量辊测量，切割自动进行，并且考虑二级自动化系统的长度优化。

    切割机主要传动系统主要包括；切割机的行走：由一台mm440型变频器拖动两台电机，电机带热开关保护，每台电机带有一个电磁抱闸线圈，行程控制是由一个增量型编码器和行程限位开关组成； 切枪的行走驱动：每个切枪的行走是由一台mm440型变频器拖动1台电机进行的，切枪行走的位置分别由两个增量型编码器和接近开关控制。

    （5） 移钢车

    移钢车用来推动铸坯进入步进冷床，由于多根铸坯与轨道之间的摩擦较大，因而移钢车要有足够的推力，为满足快节奏的生产需要，移钢车还要保持较高的行走速度，以满足工艺对时间的要求，而空间的限制又使得移钢车必须在很短的距离内进行制动，以免与横梁发生碰撞，损坏设备。为达到以上要求，通过适度增加启动力矩，行程中plc根据人员操作和接近开关判断移钢车运行方向、所在位置，及时改变变频器速度，制动时打开直流制动功能以配合抱闸，充分满足了工艺要求，保护了设备，同时避免了变频器出现报警、故障。

    （6） 增压泵

    增压泵用来为二次冷却水加压，使水压稳定在设定值，以保证调节阀能够稳定的调节二次冷却水量，冷却铸坯。这可以通过变频器的内置的pi控制功能来实现。同时，增压泵功率较高，并且几乎是24小时运转，有较大的节能潜力，配合变频器的自动节能功能，在空载或轻载时，变频器将自动降低其输出给电动机的电压，以减少电机空载时的励磁电流，从而减少了电能的消耗。

    5 变频器的主要调试参数

    考虑到高线生产的技术保密问题，仅将涉及到的主要参数做简单罗列于附表。

    6 结束语

    自连铸机投产以来，mm440变频器在连铸机的各类传动设备上表现良好，充分满足了生产工艺和机械设备的要求，它的优良性能和极高可靠性在连铸生产中得到了充分发挥，为客户的按时投产、达产，生产出质量合格的连铸坯，发挥了不可替代的作用。大大提高了连铸机生产能力和增加金属收得率。

    作者简介

    何林 现任西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团标准传动部行业拓展经理。

    参考文献

    [1] 王雅贞,张岩. 新编连续铸钢工艺及设备. 北京:冶金工业出版社

    [2] siemens．micromaster 440标准变频器使用大全,2007