羅克韋爾變頻器和控制系統(tǒng)在鑄造吊車上的應(yīng)用

摘 要：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。

關(guān)鍵詞：羅克韋爾自動(dòng)化 變頻器 煉鋼廠 鑄造吊車

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)，以往大部分都通過在中間直流回路設(shè)置電阻器，讓連續(xù)再生能量通過電阻器以發(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)，再通過棘輪棘爪減速機(jī)輸出到兩臺(tái)普通減速機(jī)，通過兩臺(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)的無縫集成和直接通訊驅(qū)動(dòng)。

　　PowerFlex 700S采用是自有專利的、FORCE^TM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TorqProve^TM力矩校驗(yàn)功能，TorqProve^TM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)械抱閘打開時(shí)變頻器能控制負(fù)載；TorqProve^TM and Force Technology^TM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Force^TM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Force^TM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)矩開環(huán)變頻器低速段輸出轉(zhuǎn)矩不足的問題，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，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

　　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。