（张家港市南丰镇永钢集团炼钢一分厂 张家港 215628）
摘要：针对炼钢一分厂转炉倾动系统中存在变频器到期下线、炉体惯性冲击造成减速机晃动、设备故障率高等问题及解决问题的办法,从倾动的负载特性方面出发,并结合实际生产过程中所出现的问题,采用四组S120频率转换装置，以一对一结构控制四个电动机，进行开环控制，控制通信引起的四个电动机的同步开始、制动、同步动作，实现转换器倾斜传输系统的良好同步性能和更好的负载分布.解决了转炉倾动系统实现负荷平衡的控制策略的关键问题。
关键词：倾动系统；变频器；负载特性；优化改造
1 引言
永钢集团炼钢一分厂倾动控制系统采用一台变频器拖动4台电机运行，抱闸控制采用摇炉手柄回零位立即抱闸控制方式，使用过程中一旦变频器出现故障倾动就无法使用，且采用摇炉手柄回零位立即抱闸控制方式，制动时炉体由于惯性会产生较大晃动，对减速机产生很大的冲击，易使减速机齿轮损坏，该现象直接影响到了转炉生产的正常运行。分厂于2019年5月及9月份分别对1#、3#转炉进行停炉检修，在检修过程对转炉倾动系统进行了改造，彻底解决这一隐患。
2 转炉倾动系统现状及设备状况
张家港永钢集团第一钢厂50t转换器的现有倾斜装置采用全悬挂扭杆平衡型。分别是根据驱动马达、一次减速机、二次减速机、扭杆平衡装置、润滑装置等构成。 平均钢的输出是48 t,最大出钢量53t,目前转炉倾动电气传动控制系统选用一套西门子70变频器(6SE7033-7EG60)托动四台电动机,采用YZ250M1-8型号的电动机、三十五千瓦的功率,每秒六百八十一转的额定转速,自冷却,三挡速度,开环控制,由西门子400PLC通过DP网络来通过变频器控制4台电动机同步启动、制动及同步运行。采用的一台变频设备控制四台电动机的控制方式中,当四台电动机有任何一台电动机发生故障,则其余三台电动机均无法正常工作,或是当变频器发生故障时,四台电动机均无法运行,对生产影响较大 。
永钢集团炼钢一厂转炉倾动系统所用变频器从建厂上线使用至今已十余年，该型号变频器及其所用元器件均已停产，且变频器上线时间过长故障率增加 。此外，倾动停止时，减速机抱闸将直接锁死电动机，使得炉体转动时产生的动能转化为冲击能，对齿轮、对电动机产生冲撞，齿轮及电动机磨损率增加。设备故障率增加，使得停机检修时间增加从而影响生产效率。
3 倾动控制系统优化改造总体方案
改造后50t转炉电气传动系统控制系统选用4套西门子公司S120的变频装置（型号：6SL3210-1SE31-8UA0-90kw 178A）,主倾斜电路采用四个电机( YZB280S-8 四十五千瓦强制冷却)的一对一结构，即四套变频装置控制四个电机。 为了降低设备的故障率，以确保安全可靠的设备动作为前提，优先考虑不附带编码器速度反馈的电机，采用开环控制，通过通信控制四台电机的同步开始、制动器、同步动作。
3.1 系统控制要求
50t转换器倾斜的机械装置由四个被四点网格化完全中断的AC变频电机运行，转矩平衡由扭杆装置进行。
转炉倾动系统的基本要求为:
（1）马达必须与制动器同步工作，四个马达的负载必须尽可能平衡；四个电机的转速和转矩输出基本相同。按照需要，转换器的倾斜速度可以在每秒零点一转到一转之间调整，转换器可以三百六十度旋转。转换器倾斜的同时四个电机的负载必须相同。
（2）如果一个电机或一组频率转换器发生故障，转换器被炸飞，剩下的三组频率转换器可以驱动三个电机来维持正常生产。
（3）转换器发生炉崩等事故时，倾斜机械的机电设备可以短时间过载，转换器以每秒零点一转的速度旋转，炉内的承载的东西被丢弃，随后倾斜转换器，进行事故处理。
（4）转换器的设计是完全正扭矩，即整体工作倾斜角度从零度到一百八十度的倾斜为正扭矩
（5）电力系统需要能够存储电压、电流转矩等电动机参数，在上一次冶炼中转换器旋转了零度至一百八十度时，电流电动机参数需要与以前的钢制转换器旋转时进行比较，数据偏差大于百分之十时，会出现故障提示，工作人员务必马上停止手中一切工作，查看设备故障提示原因。
（6）出于安全生产考虑，要对炉的摇晃、将钢水放出、化炉底化渣过程中确保转换器正确稳定的停止在指定地方，机械制动器必须与电气控制系统密切一致，只有在电机建立足够的输出转矩时才能释放。 需要刹车时，必须立即停止电机。
3.2 控制系统总框图
（1）转炉倾动系统的总体框图如图3-1所示
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图3-1 控制系统总框图
（2）转炉倾动系统的操作画面及操作手柄如图3-2所示
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图3-2操作画面及操作手柄
3.3 控制系统图
下图3-5为转炉倾动系统的硬件连接图：
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图3-5 转炉倾动系统硬件连接图
4 转炉倾动系统的硬件设计
转炉倾动系统主要有上位机监控系统、可编程控制器、位置检测系统和变频控制装置组成。本章将介绍PLC硬件设计、位置和变频装置设计等方面。
4.1 中央控制器设计
本次改造选择西门子的S7-400系列的PLC作为中央控制器，S7-400适用于中高性能范围的PLC，广泛应用于制造业。S7-400PLC是模块化的无风扇设计，可靠性和耐久性优异，同时可以选择多个级别的CPU，搭载了多个通用模块，用户可根据需求组合不同的专业系统。
4.1.1 PLC选型
西门子S7-400是具有非常高的性能-价格比、具备中高性能的模块化PLC。S7-400PLC主要由机架、功率模块、CPU模块、信号模块、通用模块、接口模块、通信处理器、功率模块、编程计算机构成，其结构图可以参考4.1给出的图表：在设备上组装好不同的模块，PLC是由通信接口进入和通信网络连接。并且，还可以和计算机、以及另外的PLC通信，当然也可以和不同的设备来通信。
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图4-1 PLC结构图
考虑到公司实际生产的需要，我们公司使用的是西门子S7-400PLC。综合输入输出点的计算以及要实现转炉倾动控制系统改造的要求，现使用的PLC足以满足控制系统的设计要求。
4.2变频器选型
转炉倾动系统原本使用的西门子70变频器（6SE7033-7EG60），上线使用已到使用年限，故障率高且变频器及其备用元器件均已经停产。故选择Sinamics S120变频器（6SL3210-1SE31-8UA0-90KW 178A），可满足倾动系统的控制要求。
S120是全新的驱动器控制系统，集成了V/F、矢量控制、伺服控制，具备模块化设计。不仅可以控制通常的三相异步电机，还可以控制同步电机、转矩电机、直线电机。其强大的定位功能允许相对和绝对定位进给轴。内置DCC(驱动器控制图形)功能，通过PLC CFC编程语言实现逻辑、操作和简化过程。其中，具备混合S120产品的一般DC总线的DC/AC逆变器通常被称为混合S120多轴驱动器，其结构与电机模块分离。 一个电源模块使三相AC与540V或600V DC匹配，并将一个或多个电机模块连接到DC总线。好处是电机轴之间的能量共享，以及方便简单的布线。模块(控制单元模块、整流器/反馈模块、电机模块、传感器模块、电机编码器等)通过高速驱动接口DRIVE-CLIQ相互连接。
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图4-2 S120变频器接线图
5 转炉倾动系统软件设计
系统硬件完成之后，就需要与之匹配的软件设计，通过软件设计使得系统满足要求，因此在本系统中的软件设计也占很大的比重。有了合适的程序，才能使系统发挥最大的优势。
5.1 硬件组态
（1）创建工程
开始一个新的项目的话，第一步应该点击两下桌面上的STEP 7图标以进入SIMATIC manager窗口。点击一下文计算机\新的...，开始一个新的项目的展开。设置工程名称并选择存储路径。单机”OK”生成新工程。在新工程中，右击工程名，单机Insert New Object\SIMATIC 400 Station，插入400站点。
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图5-1 硬件组态
（2）硬件组态
STEP7软件的硬件配置包括模拟实际PLC硬件系统和创建模拟机架。随后，把CPU、通讯模块、信号模块等设备根据实际的安装位置放入仿真机架上相应的插槽内。设置和修改PLC硬件模块的参数。组态好的窗口如图5-1所示。
5.2 CU320-2 DP
所有的S120频率转换器都配备了CU320-2DP控制单元、整流器单元模块、电机模块、SMC30编码器模块和CBE20控制板。主频率变换器使用协议“SINAMICSLink”，使用协议时，通过专业人员总线DP总线与PLC控制器交换数据，CU320-2DP控制单元之间的数据交换由CBE20负责。四个CBE20控制板通过Drive-CLIQ电缆连接，每个节点(即CBE20控制板)可以发送16 pzd的消息，还可以从其他节点接收16 pzd的消息。转换器倾斜的可靠性提高。 如果一个或两个控制器受损，可以使用另外几个的控制器完成操作。各控制单元必须通过主机和从机这两个参数集进行设定。其中DI 0点接急停输入，DO 8点接变频器合闸，DI/DO 10点设置电机冷却风机启动/停止。CU320-2DP接线端子图如图 5-2所示。
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图 5-2 CU320-2DP端子接线图
5.3控制程序设计
根据系统控制要求，PLC程序分为连锁、速度、抱闸急停、倾动指示、倾动编码器以及数据传输。程序处理数字输入模块的输入数据并将其转换为PLC内部寄存器的变量。这些变量控制输出。对于模拟信号处理，主要对模拟信号进行采样和量化以获得真实的数字格式。
5.4 抱闸控制部分程序
图5-3的程序截图为倾动通过FC511功能块来计算出负载实际转矩值，然后对4台负载电机的转矩进行对比、补偿，从而达到4台电机在输出负载平衡，图5-4是当负载停止后速度降至额定速度的10%抱闸动作，目的是用于优化倾动停止时抱闸立即动作，导致倾动减速机晃动带来的冲击。
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图5-3斜坡给定算法
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图5-4 倾动速度斜坡给定
5.5倾动电路原理图
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图5-5 主电路原理图
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图5-6 DP接线电路图
6 系统调试
系统硬件的设计和PLC程序的调试完成后，系统被调试。而运行调试分为传动调试和负载调试。
6.1 传动调试
0外围条件检查
1Set Profibus address
2上载基本配置
3工厂复位,自动配置
4IP 修改
5DRIVES
6IO配置
7电机向导（电机脚本）
8修改参考值
9静态识别
10VF 模式下运行
11不设定
12空载优化
13功能考核测试
14带接手优化
15Profibus 报文
Profibus 接口参数设定
16急停配置
17PLC 控制试车
18性能测试 Trace 规范
6.2 负载调试
当炼钢一厂转炉倾动系统在本次检修中已完成电机优化及空载试运行工作后，下一步需带负载进行优化工作，优化调试时间约2-4小时。
（1）准备工作：
试验前与各检修单位沟通协调好，所有在倾动周围作业的人员全部撤离，电气条线确认倾动各联锁及急停功能完好可靠，设备条线于现场检查确认倾动抱闸能否抱死，动作是否可靠，确保在失电情况下能够抱死炉体，安全、设备、动力、生产、工艺相关负责人员到场进行调试前的各项确认工作。
（2）调试：
转炉具备调试要求后由炉长或一助手操作转炉，对各档位下的转炉运行状态进行调试，生产、机械设备、电气设备、工艺相关人员现场确认转炉动作情况，根据转炉实际运行情况进行优化调整，模拟倒炉、出钢操作，确认倒炉及出钢时的角度联锁是否满足要求，观察转炉运行时的动态曲线，根据需要进行参数修改，直至满足现场安全及生产要求。
7结论
本次改造解决了因减速机动作时晃动导致设备损伤而对生产的影响，优化了软件程序，完成对变频器的更新换代。且调试过程顺利进行，达到了预期目标。
参考文献
[1]李国成.可编程控制应用基础[M].北京：科学出版社，2001.326-395.
[2]何超.交流变频调速技术[M].北京：北京航空航天出版社,2006.1-65.
[3]刘玠.连铸及炉外精炼自动化技术[M].北京:冶金工业出版社,2008,161-195.
[4]孙锦全.变频器与PLC应用技术基本功[M].北京：人民邮电出版社，2010.125-136.
[5]廖常初.S7-300/400PLC应用教程[M].北京:机械工业出版社,2012,249-271.
[6]龙瑞文.浅谈变频器的选择与使用[J].化学工程与装备,2012.
[7]z赵德龙，娜仁莎，李振军.浅谈西门子SINAMICSG120系列变频器及应用[J].电气传动2012（01）
[8]李乔,柴勇.浅谈变频器的使用[J].科技创新导报,2013.
作者简介
葛锋,1987年,男,张家港,张家港市南丰镇永钢集团炼钢一分厂。