羅克韋爾自動(dòng)化控制器件在冶金起重機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

本文介紹了羅克韋爾自動(dòng)化PowerFlex700S及控制系統(tǒng)在某煉鋼廠200噸鑄造吊車上的應(yīng)用，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行良好，穩(wěn)定可靠，完全滿足客戶的生產(chǎn)需求。

1、 引言

鑄造起重機(jī)用于冶金行業(yè)，其工作任務(wù)是為冶煉爐運(yùn)送鋼水。一般有5大機(jī)構(gòu)：主起升，副起升、大車、主小車、副小車機(jī)構(gòu)。由于起重機(jī)的位能負(fù)荷特性有更為苛刻的安全要求，各機(jī)構(gòu)的大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、短時(shí)工作、頻繁的起制動(dòng)運(yùn)行，對(duì)調(diào)速方案更加苛刻，近十年來(lái)隨著直接力矩控制理論的成熟及大功率矢量變頻器的成功制造，使得變頻調(diào)速技術(shù)在起重機(jī)上得以成功應(yīng)用。但是，當(dāng)采用變頻器傳動(dòng)的起升機(jī)構(gòu)拖動(dòng)位能性負(fù)載下放或平移機(jī)構(gòu)急減速、順風(fēng)運(yùn)行時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)，以往大部分都通過(guò)在中間直流回路設(shè)置電阻器，讓連續(xù)再生能量通過(guò)電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉，這種方式稱為動(dòng)力制動(dòng)。本文介紹了采訪羅克韋爾自動(dòng)化PowerFlex 700S變頻器及控制系統(tǒng)在煉鋼廠200噸鑄造吊車上的應(yīng)用，同時(shí)由于采用羅克韋爾自動(dòng)化的集成架構(gòu)控制系統(tǒng)及軟件，設(shè)計(jì)和調(diào)試都變得更簡(jiǎn)單，為用戶節(jié)省了時(shí)間和人力。

2、 冶金起重機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本起重機(jī)為“冶金鑄造起重機(jī)”，代號(hào)為“YZ200/65t-19m A7”。主鉤負(fù)荷200噸，副鉤負(fù)荷65噸，跨度為19m，為四梁結(jié)構(gòu)，分上下小車。

主起升部分包括兩臺(tái)250kW電機(jī)，三臺(tái)減速機(jī)；每一臺(tái)電機(jī)有兩個(gè)制動(dòng)器，制動(dòng)器形式為液壓推桿式；此主起升機(jī)構(gòu)的減速機(jī)為冶金鑄造用棘輪棘爪減速機(jī)，兩臺(tái)電機(jī)輸出到棘輪棘爪減速機(jī)，再通過(guò)棘輪棘爪減速機(jī)輸出到兩臺(tái)普通減速機(jī)，通過(guò)兩臺(tái)普通減速機(jī)控制兩臺(tái)鋼絲繩卷筒，每個(gè)卷筒上安裝兩根鋼絲繩，總計(jì)四根，通過(guò)四根鋼絲繩帶動(dòng)下面的吊具（吊鋼包的板鉤）。副起升為一臺(tái)160kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用兩臺(tái)液壓推桿減速機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。

主小車部分為兩臺(tái)22kW電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩邊的減速機(jī)以帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)每臺(tái)電機(jī)一個(gè)液壓推桿制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)。副小車運(yùn)行電機(jī)為一臺(tái)15kW電機(jī)帶動(dòng)一臺(tái)減速機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)兩邊的車輪進(jìn)行工作，通過(guò)一個(gè)制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)。大車部分為四角四臺(tái)45kW電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)四臺(tái)減速機(jī)，帶動(dòng)各部分的車輪進(jìn)行工作，每個(gè)電機(jī)上面一臺(tái)制動(dòng)器。

3、 羅克韋爾自動(dòng)化PowerFlex 700S變頻器

PowerFlex700S是羅克韋爾自動(dòng)化公司推出的高性能系統(tǒng)型變頻器，它采用書本式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，零間距安裝（Zero Stacking？），大大減少了變頻器安裝空間，從而節(jié)省大量的盤柜安裝空間，節(jié)約成套成本和安裝成本。內(nèi)置了輸入EMC濾波器，直流母線電抗器和輸出共模濾波器，同時(shí)160kW以下變頻器內(nèi)置了制動(dòng)單元，大大方便了用戶的選型。因現(xiàn)場(chǎng)故障而需更換變頻器時(shí)，PowerFlex700S的可插拔控制端子排可以幫助客戶輕而易舉地恢復(fù)控制線路。虛擬背板概念使得程序具有可移植其他Logix平臺(tái)的能力，實(shí)現(xiàn)NetLinx？體系結(jié)構(gòu)的無(wú)縫集成和直接通訊驅(qū)動(dòng)。

PowerFlex 700S采用是自有專利的、FORCETM磁通矢量控制技術(shù)，加上速度閉環(huán)控制，確保負(fù)載始終處于受控狀態(tài)。PowerFlex 700S具有TorqProveTM力矩校驗(yàn)功能，TorqProveTM確保停車后機(jī)械報(bào)閘可靠的控制負(fù)載，和當(dāng)收到運(yùn)行命令，機(jī)械抱閘打開(kāi)時(shí)變頻器能控制負(fù)載；TorqProveTM and Force TechnologyTM幫助消除人們對(duì)V/F標(biāo)量型、傳統(tǒng)矢量型變頻器在抱閘時(shí)控制的不定因素的擔(dān)憂，并可以解決起重應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題：

（1）溜鉤保護(hù)

當(dāng)負(fù)載移動(dòng)停止，機(jī)械抱閘閉合，變頻器將斜坡降低輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)監(jiān)測(cè)編碼器反饋，確認(rèn)負(fù)載被控制。如果監(jiān)測(cè)到編碼器反饋有變化（溜鉤），變頻器會(huì)馬上增加輸出轉(zhuǎn)矩，重新控制負(fù)載，按照預(yù)先設(shè)定的速度下放負(fù)載。變頻器會(huì)重復(fù)以上的周期，直到抱閘能控制負(fù)載或負(fù)載安全下放到地面。

（2）速度偏離保護(hù)（失速保護(hù)）

變頻器會(huì)連續(xù)的監(jiān)測(cè)速度命令和速度反饋，比較其偏差，如果偏差超出所允許的范圍，那么變頻器將變?yōu)楣收蠣顟B(tài)，同時(shí)，抱閘投入工作。

（3）輸出缺相保護(hù)

三相輸出接線端被監(jiān)測(cè)，確保輸出每有缺相。一旦TorqProve 使能，這項(xiàng)功能不能被屏閉。

（4）編碼器丟失

變頻器會(huì)連續(xù)的監(jiān)測(cè)編碼器反饋，確保編碼器工作正常。只要出現(xiàn)編碼器丟失變頻器馬上變?yōu)楣收蠣顟B(tài)，同時(shí)，抱閘投入工作。一旦TorqProve使能，這項(xiàng)功能必需使能。

（5）基于負(fù)載大小的速度限制

允許高于基速運(yùn)行（輕載時(shí)更快運(yùn)行）；在基速時(shí)測(cè)量負(fù)載大小，若低于額定負(fù)載，則可超速。

PowerFlex 700S變頻器的力矩校驗(yàn)時(shí)序圖如圖1所示。

以上所有的時(shí)間設(shè)置的分辯率為0.1秒

圖1 力矩校驗(yàn)時(shí)序圖

4 、冶金起重機(jī)系統(tǒng)控制方案

本系統(tǒng)全部采用羅克韋爾自動(dòng)化公司生產(chǎn)的PowerFlex 700S變頻器，它采用ForceTM磁通矢量控制方式。這種控制方式采用實(shí)時(shí)計(jì)算的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速構(gòu)成轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)，其動(dòng)、靜態(tài)精度高（速度控制精度高達(dá)±0.001%，轉(zhuǎn)矩控制精度高達(dá)±2%）；在轉(zhuǎn)矩響應(yīng)方面，比非ForceTM控制方式變頻器快許多（轉(zhuǎn)矩響應(yīng)響應(yīng)時(shí)間≤5ms），并克服了傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩開(kāi)環(huán)變頻器低速段輸出轉(zhuǎn)矩不足的問(wèn)題，其零速轉(zhuǎn)矩可達(dá)200%。這些特點(diǎn)充分保證了位能性負(fù)載的要求。

系統(tǒng)具體配置如下：大車行走機(jī)構(gòu)采用兩臺(tái)變頻器，分別驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。其中一臺(tái)為主機(jī)，另一臺(tái)為從機(jī)。利用主從應(yīng)用軟件，保證兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的速度同步和負(fù)荷平衡，防止大梁扭動(dòng)和啃軌。小車機(jī)構(gòu)變頻器采用一臺(tái)變頻器。主起升機(jī)構(gòu)和副起升機(jī)構(gòu)，分別采用一臺(tái)變頻器，并分別采用一臺(tái)光電編碼器，做速度反饋和控制檢測(cè)用。系統(tǒng)采用能耗制動(dòng)的方式將連續(xù)再生能量消耗點(diǎn)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。所有變頻器配有各類標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線接口。大車和小車的控制系統(tǒng)圖如圖2所示，主鉤和副鉤的控制系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖2 大車和小車的控制系統(tǒng)圖

圖3 主鉤和副鉤的控制系統(tǒng)圖

兩臺(tái)主起升變頻器采用主從方式，通過(guò)光纖通訊方式傳遞力矩信號(hào)，采用力矩跟隨的方法保證兩臺(tái)電機(jī)出力均勻。采用力矩跟隨方式作負(fù)荷分配具有力矩分配精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。力矩跟隨方式示意圖如圖4所示。

圖4 力矩跟隨方式示意圖

本系統(tǒng)采用Compact Logix作為核心控制器，采用工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)總線，將PLC、遠(yuǎn)程I/O、各機(jī)構(gòu)變頻器、觸摸屏聯(lián)結(jié)起來(lái)，減少電纜投資，減少接線和維護(hù)工作量，減少故障點(diǎn)。遠(yuǎn)程I/O和觸摸屏安裝于司機(jī)室。接受操作人員的指令，顯示系統(tǒng)各種工況信息，以利于操作人員監(jiān)視、操作和方便維護(hù)人員故障診斷與維修。PLC安裝于控制柜內(nèi)。接收現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器件的狀態(tài)信息、變頻器等狀態(tài)信息，控制系統(tǒng)運(yùn)行。PLC控制柜、變頻控制柜，以及電阻制動(dòng)柜安放在大梁上。

5、 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用采用羅克韋爾自動(dòng)化公司的Compact Logix作為核心控制器，與PowerFlex 700S高性能系統(tǒng)型變頻器一起組成一個(gè)高可靠性的系統(tǒng)，該冶金鑄造起重機(jī)經(jīng)一次調(diào)試成功，整機(jī)設(shè)備運(yùn)行良好，完全能夠滿足客戶的生產(chǎn)需求。目前，此系統(tǒng)在實(shí)際工作環(huán)境中運(yùn)行良好，十分穩(wěn)定。