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森蘭變頻器在1250mm不鏽鋼帶連退酸洗線的應用

發布時間:2020-06-15 20:28瀏覽次數:460

任光法,杜俊明,羅力

(希望森蘭科技股份有限公司,四川 成都 610207)

摘要:在不鏽鋼帶連退酸洗過程中,對速度和張力的控製,決定了產品的品質;而用戶對高品質、高效率的需求,使係統穩定、可靠運行成為必然要求。因此具有高性能、高可靠性的核心部件——變頻器,將成為高品質不鏽鋼產品的重要保證。森蘭變頻以其20餘年的技術積澱,在此領域取得突破,成功應用於1250mm不鏽鋼生產線,開創了國產變頻器在工程型複雜控製係統應用的先例,在冶金連續生產中對於國產替代進口具有示範意義。

關鍵詞:酸洗;變頻器;矢量控製;轉矩控製;主從控製

Application of Senlan Inverters for 1250mm ContinuousStainless Strip Annealing and Pickling

REN Guang-fa, DU Jun-ming,LUO Li

(Hope Senlan Science and Technology HoldingCorp.,Ltd., 610207 Chengdu Sichuan)

Abstract:In the continuous stainless strip annealingpickling process, the speed and tension control, determines the quality of theproducts. It becomes an inevitable requirement that the system is stable,reliable operation to satisfy the user’s demands for high-quality and highefficiency. Therefore, with high performance, high reliability, the keycomponent - inverter, will be an important guarantee for high-quality stainlessstrip products. Senlan inverters with its more than 20 years of technicalaccumulation, a breakthrough in the field, have been successfully applied to1250mm stainless strip production line, create a domestic inverter in theapplication of complex engineering control system precedent, and demonstrate insteadof imported in the continuous metallurgy.

Keywords:Pickling; Inverter; VectorControl; Torque Control; Master-Slave Control

1 酸洗工藝過程簡介

熱軋不鏽鋼帶表麵覆蓋著一層黑灰色氧化鐵皮,厚度在7.5-15μm,甚至到20μm,為保證成品鋼帶的表麵質量,減少後續冷軋等深加工時磨損和能耗,要去除氧化層,而利用酸與鐵的氧化物發生化學反應的基本原理,清除表麵的油汙、鏽斑、氧化層、遊離鐵等汙垢,並進行鈍化,處理後的表麵變成均勻銀白色,耐腐蝕能力提高15-50倍,此過程即為不鏽鋼帶的酸洗鈍化處理。

不鏽鋼帶的連續酸洗是指在開卷、換卷或收卷、卸卷時,帶鋼連續地通過盛有酸溶液的酸洗槽而不停車,具有產能高、生產成本低的優點,也有投資高,占地麵積大的缺點,可為帶鋼冷軋機提供優良的酸洗帶卷產品。連續酸洗機組一般分為入口段、工藝段和出口段,各段可單獨運行,也可協調運行;在確保機組安全、高效、穩定操作運行的同時,能夠充分滿足用戶對帶鋼連續酸洗生產較高的經濟、環保等指標要求。

客戶現場即為1250mm不鏽鋼帶連退酸洗生產線,工藝流程如圖1所示,由開卷機到入口活套為入口段,從入口活套到出口活套為工藝段,後續至收卷機為出口段。整個生產工藝流程共有50多台電機拖動,關鍵工位為開卷機、牽引矯平機、張力輥(1#-9#張力輥均為雙電機構成的S輥)、入口活套、出口活套、收卷機工作在閉環矢量控製,根據工藝要求工作在速度控製或者轉矩控製模式,其他如上料車、下料車、夾送輥、支撐輥、風機、破鱗機、拋丸機等要求不高可選擇VF控製或開環矢量控製。

圖1 連續酸洗工藝示意圖

Fig.1 Constitution ofcontinuous strip annealing and pickling process

三個段的速度分別由1#、4#、9#張力輥中的一台(主機)確定,另一台或幾台(從機)做轉矩跟隨,實現負荷均衡分配。整個係統具有穿帶功能、雙開卷機切換、靜態建張、三段協調控製等功能,各段通過速度或轉矩控製維持靜態或動態的平衡。工藝段的速度對不鏽鋼帶的酸洗品質起決定作用,過快,酸洗深度不夠,可能成品中仍有斑跡存在;過慢,易發生過腐蝕和氫脆現象。而出入口活套依靠活套中的儲料在換卷過程中起到緩衝作用,保持工藝段速度不變或者微降。

2 組網構成及數據交互

圖2 控製係統組網示意圖

Fig.2 Network connection ofcontrol system

如圖2所示,整個連退酸洗控製係統采用Wincc通用監控係統、PLC控製技術和Profibus-DP現場總線相結合的控製方案,由PLC實現控製和數據采集功能,由Wincc組態軟件實現實時監控、顯示設備運行狀態、數據查詢等功能,完成對設備的遠程監控和故障診斷,提高了生產線電氣控製係統的自動化水平,實現高精度、實時性好的參數測量及控製。中控室根據經驗設定酸洗工藝段運行速度,係統將自動調整入口段和出口段速度,協調運行。

考慮實際應用情況,選擇PLC與變頻器Profibus-DP通訊的數據類型為PPO4,即除控製字、速度給定及其應答外,讀寫4個過程數據,其意義見表1:

表1:PLC與變頻器間的過程數據

Tab.1 Process data between PLC and inverter

CW

REF

CPD1

CPD2

CPD3

CPD4

控製字

速度給定

轉矩給定

未使用

未使用

未使用

SW

ACK

SPD1

SPD2

SPD3

SPD4

狀態字

運行轉速

運行電流

運行轉矩

位置1

位置2

控製字中包含起停控製、脈衝封鎖、緊急停車、故障複位、轉矩/速度控製切換等功能;狀態字中包含上電就緒、運行就緒、故障、報警、當前控製方式等反饋信息。過程字中的“位置1、2”來源於電機端的編碼器正交計數,用於收、放卷的卷徑計算,方便實現高精度的恒張力控製。由通訊給出的“速度給定”和“轉矩給定”哪個有效,取決於係統的需求,當為速度控製時,“速度給定”有效,而“轉矩給定”則可以選擇作為速度調節器的輸出限幅;相反,當前為轉矩控製時,“轉矩給定”有效,而“速度給定”可以作為速度限幅,防止生產線出現飛車。

3 變頻器的關鍵功能

SB70係列變頻器是公司於2006年推出的通用型矢量控製產品,其控製性能、可靠性、接口靈活性等在此次應用中得以充分展現。

3.1 變頻器的特點

SB70係列變頻器采用轉子磁場定向技術,實現對電機勵磁電流和轉矩電流的高精度解耦控製,使電機具有0.02%的穩態轉速精度,5%的轉矩精度,轉矩響應時間在10ms左右,可與直流調速係統相媲美。

變頻器所內置的高速脈衝輸出PFO和高速脈衝輸入PFI端子及功能,可以完美的適用於係統的主從負荷分配,具有數據精度高、抗幹擾能力強、響應快(毫秒級)、無延遲等特點。

全係列變頻器具有豐富的選配件,如現場選用的是24V電壓等級的編碼器接口板,兼容多種輸出類型的編碼器,具有帶載能力強、抗幹擾能力強的優點;高可靠性的DP通訊轉換模塊,內置森蘭控製功能,便於用戶參數配置組態。

3.2 速度與轉矩控製的選擇

如前所述,變頻器接收來自PLC的控製指令和給定值,根據參數設定和控製指令中的“轉矩/速度切換”確定當前控製模式,如圖3所示。如拋丸機僅取速度指令;收卷機則速度和轉矩都要用,空卷定位、鋼帶咬合後首圈、滿卷切斷後等均為速度控製,正常收卷時為轉矩控製,轉矩給定值來自鋼帶張力與當前卷徑的乘積(傳動比及轉矩標定此處未考慮);活套除穿帶外,一直工作在轉矩控製模式;作為開卷機,先正向送卷,使鋼帶延伸至牽引矯直機,焊接後,轉為反向速度控製,並加以轉矩限幅,在正常運行時,因速度給定和當前速度反向,速度調節器工作在飽和的轉矩限幅狀態,使開卷處的張力值保持恒定,限幅轉矩的計算與收卷處原理相同;應用最多的張力輥,被選作主機的工作在速度控製模式,其他工作在轉矩控製模式,隻是轉矩的來源略有區別。

圖3 轉矩/速度切換圖

Fig.3 Selection of the torqueor speed control

3.3 主從控製及負荷分配

對於入口段、工藝段和出口段中速度控製的3個主機全程采用速度控製,而其從機選擇轉矩控製。主機的PFO端子輸出本機的“轉矩給定”,從機的PFI端子接收數據,作為從機的“轉矩給定”,實現負荷分配,PFO與PFI采用雙絞線連接,如圖4所示。5#S輥與4#S輥實際距離很近,仍認為是剛性連接,因此5#S輥也作為4#的從機。

圖4主從控製負荷分配圖

Fig.4 Balance of master andslave

因PFO和PFI隻能傳輸無符號數據,利用變頻器自身特有的“算術單元”進行加減運算,靈活實現了主、從機有符號數與無符號數的相互轉換;應用中,綜合考慮控製精度和要傳遞數據的最大最小值,確定是否需要增加一級“算術單元”對數據進行縮放;此項目中,電機的負載轉矩小於80%的額定轉矩,變頻器用於模擬輸入輸出的轉矩量是以2.5倍的電機額定轉矩標定,因此80%的負載轉矩時對應的變頻器的轉矩模擬量為32%。

4 現場情況

圖5 調試階段現場圖片

Fig.5 Pictures of the debuggingstage

4.1 編碼器的抗幹擾處理

由於連退酸洗生產線設備眾多,在現場布線時,很難將功率部分與信號部分分開,尤其是速度反饋的編碼器信號線常常與電機電纜一起,且距離有的超過100m,不可避免的受到幹擾。

現場也出現了開卷機反饋異常的現象,在靜態建張時,轉矩不穩定,不定時出現掉張現象,再反向繃緊重新建張;運行過程中,也有掉張出現,造成鋼帶抖動。造成這種現象的原因是電機電纜中的高頻共模對編碼器造成了幹擾,會形成高頻的無序脈衝,在變頻器識別時會有速度跳變,致使磁場定向不準,轉矩失控。現場的處理措施,重新處理電機和變頻器的功率電纜屏蔽兩端接地,編碼器反饋電纜進行可靠的單端接地,並增加加強隔離整形的接口轉換板;整改後,速度反饋跳變和係統掉張現象消失,達到令客戶滿意的控製效果。

4.2 共直流母線設計

在項目溝通的前期,有采用統一整流直流供電的方案,且變頻器本身具有共直流母線接口。鑒於合作方係統集成商的考慮,仍然采用傳統的交流配電加製動單元的方案。

從實際現場來看,後一種方案雖然實施簡便,但能耗極大,造成不必要的浪費,且輸入諧波高,對電網汙染大。

後續的設計,可以考慮有源前端整流,實現單位功率因數,且滿足能量雙向流動;或者采用多脈波不控整流配小功率的能量回饋或者製動單元即可;這樣既降低的能耗,又降低了諧波汙染。

5 總結

經過緊張而有序的調試,1250mm不鏽鋼帶連退酸洗線項目順利投運,各項指標達到設計要求,係統自動化程度高,整體運行平穩,得到了業主的高度讚賞。

此項目為公司積累寶貴的工程型複雜應用的實踐經驗,開創了國產變頻器在板材連續生產線應用的先例,因其特有的經濟性、自主性、可擴展性,在冶金連續生產中對於國產替代進口具有借鑒示範意義。

參考文獻

[1] 希望森蘭科技股份有限公司.SB70係列高性能矢量控製變頻器用戶手冊

[2] 馬小亮,魏學森.有機械聯係的多電機傳動係統的負荷均衡控製和扭振抑製[J].電氣傳動,2007,37(3):3-6

[3] 杜濤.宣鋼二棒電氣接地優化實踐[J].電氣傳動,2014,44(5):72-74

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