ABB ACS800變頻器在高爐上料系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、ABB ACS800變頻器在高爐上料系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要：針對高爐上料系統(tǒng)上料小車的工作流程和控制特性，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的的組成，剖析ABB ACS800變頻器的DTC直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，主從控制技術(shù)，機(jī)械制動控制技術(shù)，給出了ACS800在實踐中的具體應(yīng)用和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，并介紹了通過與PLC和編碼器相結(jié)合,對速度的控制和精確定位的實現(xiàn)。最后分析了在調(diào)試和實踐中出現(xiàn)的幾個關(guān)鍵問題，并提出了相應(yīng)的解決方案。關(guān)鍵詞：變頻器直接轉(zhuǎn)矩控制主/從控制機(jī)械制動控制位置控制速度The application of ABB ACS800 frequency converter in the charging syst

2、em of blast furnace Wang Jian（Sanming Steel（Group）Co.,Ltd, Fujian Sanming 365000,China）Abstract:According to work process and control characteristics of skip car in the charging system of blast furnace ,the system composition was described in detail. The direct tongue control （DTC） and master follow

3、er control and mechanical braking control of ABB ACS800 frequency converter were analyzed .It listed the important parameters settings and practical application for ACS800.It introducedthe method of speed control and accurate location by PLC and encoder. At last, the key technique was given about it

4、 in debugging and practice.Key words: frequency converter; direct tongue control; master follower control; mechanical braking control ;position control; speed在煉鐵高爐上料系統(tǒng)控制中,上料小車的控制是控制的核心部分,它是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求,把槽下備好的不同料類和不同重量的原料及時、安全、準(zhǔn)確定位地運送到高爐爐頂，保證高爐的正常生產(chǎn)，一但控制出現(xiàn)故障，將直接影響高爐的生產(chǎn)。本文通過上料小車卷揚機(jī)負(fù)載的特性，采用ABB變頻器的主從控制技術(shù)、D

5、TC直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、機(jī)械抱閘控制技術(shù)、多步速控制技術(shù)，結(jié)合西門子PLC控制，實現(xiàn)了對小車的精確控制，取得了滿意的效果，完全滿足了高爐生產(chǎn)工藝的要求。控制工藝要求高爐原料從槽下輸送到爐頂有兩種輸送方式：一是皮帶輸送、二是小車輸送。這次設(shè)計是采用小車輸送方式，小車輸送方式是：小車卷揚機(jī)采用交流電動機(jī)拖動，電機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制，牽引通過鋼絲繩連接的兩臺料車在斜橋上一上一下交替工作，為了能對小車做到精確控制，控制系統(tǒng)必須具備以下條件：）、系統(tǒng)能頻繁起動、停止。）、系統(tǒng)能正、反雙向控制。）、系統(tǒng)能做到無極調(diào)速，調(diào)速范圍大、平滑性較高，做到平穩(wěn)起動加速穩(wěn)定運行減速平穩(wěn)停車。）、系統(tǒng)起動轉(zhuǎn)矩大，做到平穩(wěn)起動。

6、）、系統(tǒng)在停車時做到穩(wěn)定、精確定位，防止料車過頭。）、在零速時維持大轉(zhuǎn)矩輸出，防止料車起動和停車時重載下滑。變頻器的選型上料工藝對料車控制的最主要要求是：在起動或停車的瞬間也就是在零速時，變頻器必須有最大的轉(zhuǎn)矩輸出，以防止料車下滑，因此在起動時對轉(zhuǎn)矩的要求大于對速度的要求。當(dāng)前交流變頻調(diào)速系統(tǒng)主要為矢量控制和DTC直接轉(zhuǎn)矩控制。眾所周知，DTC直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)由電機(jī)的電壓和電流計算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用砰-砰控制來實現(xiàn)變頻器的PWM控制，DTC直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)沒有電流控制環(huán)路，因此，DTC直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的著眼點是電壓，而不是電流。而矢量控制的原理是基于交流電機(jī)的電流控制，把交流電流按磁場坐標(biāo)

7、軸分解為轉(zhuǎn)矩分量和磁場分量，分別加以控制，故矢量控制的著眼點是電流控制。對于交流電機(jī)來講，要想獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，在磁鏈不變的條件下，就要求電流的快速變化，而電流的變化是由電壓的快速變化引起的。矢量控制系統(tǒng)的輸出電壓是由電流調(diào)節(jié)器的輸出產(chǎn)生的，這就存在電流調(diào)節(jié)的時間滯后。而DTC直接轉(zhuǎn)矩由于沒有電流控制環(huán)路，砰-砰控制產(chǎn)生的輸出電壓，沒有任何電流限制，電壓可以出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，故電機(jī)可以獲得較大的du/dt, 較大的加速電流，因而產(chǎn)生較快的電流響應(yīng)及轉(zhuǎn)矩響應(yīng)就不言而喻了。故采用DTC直接轉(zhuǎn)矩控制的交流調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比矢量控制要快的多的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，圖（1）a為矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)，大約為67m

8、s，而圖（1）b直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)可以達(dá)到1ms左右。DTC直接轉(zhuǎn)矩控制動態(tài)控制精度比矢量控制系統(tǒng)高出五個數(shù)量級，特別在低速運行、電網(wǎng)供電質(zhì)量不好、波形發(fā)生畸變時，DTC仍然能保持較高的控制精度。 從以上兩種控制方式比較得出，DTC直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)可以做到轉(zhuǎn)矩的建立優(yōu)先于速度，這正是我們所期待的，市面上各種品牌的變頻器控制方式大多采用矢量控制，而ABB采用獨特的DTC直接轉(zhuǎn)矩控制方式，因此我們在設(shè)計中選用了ABB的ACS800系列變頻器。該變頻器具有以下功能：直流勵磁功能，該功能保證電機(jī)能具有高達(dá)200%電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的最大啟動轉(zhuǎn)矩。直流抱閘功能，使用直流抱閘保持功能可將電機(jī)轉(zhuǎn)子鎖定

9、在零速。主、從功能，它是為多傳動應(yīng)用而設(shè)計的。專用的機(jī)械制動控制功能，在傳動單元停止或未通電時，可用機(jī)械制動將電機(jī)和被驅(qū)動設(shè)備鎖停在零速狀態(tài)。輸入、輸出可編程功能，實現(xiàn)了根據(jù)用戶要求對設(shè)備的靈活控制。多步速功能，用戶可以設(shè)定不同的速度曲線，實現(xiàn)設(shè)備的平穩(wěn)加減速控制?？梢栽O(shè)定不同的啟動轉(zhuǎn)矩，在開環(huán)和閉環(huán)時的的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間均小于ms，速度的靜態(tài)精度可以到0.01%，動態(tài)精度可以到0.1%。完善的報警功能。ACS800系列變頻器的特點完全滿足了高爐上料系統(tǒng)料車控制的特殊要求。控制系統(tǒng)的設(shè)計在這一次設(shè)計中，根據(jù)生產(chǎn)工藝負(fù)載的需要，計算出拖動負(fù)載電機(jī)的容量為700KW，如果采用單電機(jī)傳動，電機(jī)、減速機(jī)等

10、機(jī)械設(shè)備體積和重量龐大，對安裝和日后的維護(hù)帶來不方便且工作量大，同時控制系統(tǒng)的變頻器所需的容量大、價格昂貴，在啟動和運行過程中，電機(jī)電流大，對電氣設(shè)備、電纜要求等級高，這都增加了投資成本。由于存在這些問題，通過多種方案的比較，最后決定采用多傳動控制方案，選擇采用兩臺容量為400KW的電機(jī)進(jìn)行拖動，同時為了降低啟動和運行過程中的電流，選擇了電壓等級為690V的ABB的ACS800系列變頻器。.主、從控制方案的應(yīng)用ACS800變頻器的主、從功能是為多傳動應(yīng)用而設(shè)計的，其中系統(tǒng)由若干個ACS 800 變頻器驅(qū)動，同時電機(jī)軸通過齒輪、鏈條或傳送帶等相互耦合在一起。由于這種主、從功能，負(fù)載可以均勻地分配

11、在傳動單元之間。在高爐上料傳動中，主機(jī)和從機(jī)的電機(jī)軸通過減速箱、鋼絲繩卷筒進(jìn)行剛性連接在一起，因此主機(jī)應(yīng)該采用速度控制模式，從機(jī)應(yīng)該采用轉(zhuǎn)矩控制模式，以使傳動單元之間不存在速度差異。所有的外部控制信號將只連接到主機(jī)上數(shù)字輸入口DI1DI6，而從機(jī)的控制信號通過光纖從主機(jī)通訊獲得，不需另接外部控制信號。由于從機(jī)不會通過串行主/ 從機(jī)的連接向主機(jī)反饋任何數(shù)據(jù)。因此單獨使用一根電纜將從機(jī)故障信息端口RO3傳送給主機(jī)的啟動聯(lián)鎖端口X22組的和11號端子。該連接在從機(jī)出現(xiàn)故障時，主機(jī)和從機(jī)都會停止運行。表1列出了在主、從控制應(yīng)用中需要調(diào)整的參數(shù)。表1調(diào)整的參數(shù)Table 1 adjusting para

12、meters.電機(jī)運行方向和多步速度控制的實現(xiàn)根據(jù)主、從控制原理的要求以下的線路連接和參數(shù)設(shè)定只在主機(jī)上完成。 電機(jī)起動、運行方向的控制高爐上料計算機(jī)控制系統(tǒng)是由一臺西門子S7400的PLC控制的，對料車的控制有自動和手動兩種方式，自動由PLC 完成，手動由操作臺開關(guān)完成，由于上料小車是一個重載負(fù)荷系統(tǒng)，考慮到控制的安全性問題，所以在設(shè)計中采用通過電纜一對一信號傳輸控制，PLC輸出兩個正、反向運行數(shù)字信號I0.1、I0.2同手動開關(guān)信號通過控制選擇，通過必要的保護(hù)聯(lián)鎖后，連接到變頻器的DI1和DI2兩個輸入點，完成變頻器的起動、正反轉(zhuǎn)、停車的控制。在完成了外部連線后必須對變頻器內(nèi)部相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行

13、設(shè)置，主要設(shè)置參數(shù)為：10.01：選擇DI1 F DI2 R，它的主要功能是通過數(shù)字輸入DI1 和DI2 的四種組合停車、正向起動、反向起動、停車實現(xiàn)料車的起動、正反轉(zhuǎn)、停車的控制。10.03：選擇REQUEST，它的功能是實現(xiàn)允許用戶定義轉(zhuǎn)向。 變頻器多步速的實現(xiàn)上料小車在整個運行過程中，要經(jīng)過四個不同速度階段：起動低速運行200rpm/min階段；高速運行590rpm/min階段；減速運行100rpm/min階段；停車運行10rpm/min階段。速度運行圖如圖所示。. 不同速度階段位置的實現(xiàn)上料系統(tǒng)小車在不同速度階段和停車點的位置的控制是非常重要的，若減速位置滯后，在停車時速度太快、設(shè)備竄

14、動大，會造成料車“掛頂”損壞設(shè)備；若停車點提前造成料車不到位，原料不能到受料斗。為了實現(xiàn)料車的精確定位，采用歐姆龍的多圈光電編碼器和西門子S7200的PLC相配合來實現(xiàn)。編碼器直接安裝在料車鋼絲繩卷筒的軸上，這樣編碼器轉(zhuǎn)一圈發(fā)出1024個脈沖和卷筒一圈鋼絲繩的長度相對應(yīng)，可以計算出一個脈沖數(shù)對應(yīng)的鋼絲繩長度卷筒周長/1024,我們把某一邊料車在料坑最低點的位置設(shè)為“”，編碼器的信號送入PLC中，當(dāng)料車上行時過程中PLC中計數(shù)值不斷增加，這樣可以根據(jù)不同的值來換算出料車在軌道上運行的實時位置，我們把料車在料坑的“”點，編碼器的信號送入PLC中，當(dāng)料車上行時過程中PLC中計數(shù)值不斷增加，這樣可以根

15、據(jù)不同的值來換算出料車在軌道上運行的實時位置，我們把料車在料坑的“”點和到爐頂?shù)耐＼圏c做為總長度根據(jù)圖的運行圖分為不同階段：“”點、加速點a、減速點b、減速檢查點c、停車點d、超極限保護(hù)點f。另一邊料車上行時也有相對應(yīng)的個點，用與S7200的PLC相配合的操作面板TD200根據(jù)料車實際運行中的精確位置進(jìn)行設(shè)置，通過PLC的十個數(shù)字輸出點I0.0I2.1輸出，提供給變頻器和控制系統(tǒng)用，同時PLC還根據(jù)料車的方向信號和計數(shù)的加減判斷出料車是否故障，編碼器是否故障等輸出信號做為報警信號，保證控制系統(tǒng)的安全。.變頻器不同速度控制的實現(xiàn)變頻器的多步速功能就是通過不同的數(shù)字輸入端子組合和不同的軟件參數(shù)設(shè)定

16、，很簡單的實現(xiàn)不同的運行速度，我們把圖中a、b、d三點在S7200的PLC的數(shù)字輸出點通過方向聯(lián)鎖后對應(yīng)的點，分別接到變頻器的DI3、DI4、DI5 三個輸入點，在完成了外部連線后必須對變頻器內(nèi)部相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要設(shè)置參數(shù)為：12.01：選擇DI3,4,5，它的主要功能是通過數(shù)字輸入DI3、DI4和DI5的八種組合進(jìn)行速度選擇。12.06：200、12.07：100、12.08：590，它的主要功能是由不同選擇的相對應(yīng)的參數(shù)設(shè)定運行速度。在本方案中，為了實現(xiàn)料車的平穩(wěn)起動和準(zhǔn)確停車，料車在“”點起動時，設(shè)定速度為200轉(zhuǎn)實現(xiàn)平穩(wěn)起動，在料車運行8M后的a點進(jìn)行加速到590轉(zhuǎn)，在離

17、爐頂15M時的b點進(jìn)行減速到100轉(zhuǎn)，在離爐頂0.8M的停車點c處停車，通過斜坡減速后在10轉(zhuǎn)速度時實現(xiàn)平穩(wěn)、精確停車。需要注意的是以上每個點的位置參數(shù)一定要通過多次調(diào)整才能保證精確定位。.制動方式的選擇和實現(xiàn)    根據(jù)主、從控制原理的要求以下的線路連接和參數(shù)設(shè)定必須在主、從機(jī)上完成。為了防止料車在起動時后退下滑事故的發(fā)生和實現(xiàn)爐頂?shù)木_停車，電機(jī)的制動措施的實施是關(guān)鍵。在設(shè)計上，我們考慮將選擇正確的起動、停車方式，同時采用電氣制動方式和機(jī)械制動方式相結(jié)合來實現(xiàn)，真正地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。 變頻器起動、停車方式的選擇  

18、  根據(jù)高爐上料系統(tǒng)中料車的起動是重載起動，它的最大負(fù)荷將達(dá)到25噸，而且電機(jī)起動必須與機(jī)械制動釋放同時進(jìn)行，因此在變頻器中選擇電機(jī)起動的方式的參數(shù)“21.01  START FUNCTION”必須選擇為“CNST DC MAGN”（恒定直流勵磁方式），為確保在需要高瞬時轉(zhuǎn)矩應(yīng)用場合的需要，恒定預(yù)勵磁時間要設(shè)置到足夠長，以產(chǎn)生足夠的勵磁和轉(zhuǎn)矩。預(yù)勵磁時間在參數(shù)“21.02: CONST MAGN TIME”中根據(jù)實際需要設(shè)定。為了保證料車的平穩(wěn)、精確停車，減少電機(jī)和機(jī)械設(shè)備的竄動，變頻器中選擇電

19、機(jī)停車方式的參數(shù)“21.03: STOP FUNCTION”必須選擇為“RAMP”（斜坡減速停車方式）。 電氣制動方式的選擇    在ACS800變頻器內(nèi)部有電磁制動和直流制動兩種電氣制動方式，由于我們?yōu)榱吮ＷC料車的平穩(wěn)、精確停車，減少電機(jī)和機(jī)械設(shè)備的竄動，電機(jī)停車方式選擇為斜坡減速停車方式，而斜坡減速過程是在運行信號斷開以后，而運行信號斷開以上兩種制動方式立即失效，達(dá)不到制動目的。因此我們采用制動斬波器和制動電阻器進(jìn)行制動，可以通過變頻器的“27 BRAKE CHOPPER”（制動斬波器的控制）中的組參

20、數(shù)對有效性、控制模式、電阻值、熱時間常數(shù)、過載保護(hù)、功率值等進(jìn)行設(shè)置。 機(jī)械制動的控制由于上料料車在停車后或運行過程中可能發(fā)生突然停電等故障，這時電機(jī)處于無力矩狀態(tài)，重車將下滑，必須有外部的機(jī)械制動才能控制，在設(shè)計中我們采用大推力的液壓抱閘制動器。而液壓抱閘制動器在松開和閉合過程中都有滯后性，同時起動過程是重載，電機(jī)需要建立足夠的轉(zhuǎn)矩和電流制動器才能松開，所以對制動器的控制是非常關(guān)鍵的。ACS800變頻器機(jī)械制動控制功能就可以實現(xiàn)對外部制動器的精確控制。通過變頻器的“42 BRAKE CONTROL”（機(jī)械制動控制）中的組參數(shù)對有效性、監(jiān)控功能、制動器松開和閉合延

21、時時間、制動器閉合速度、電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩信號源、電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩、電機(jī)起動電流等進(jìn)行設(shè)置。在設(shè)計方案中，以電機(jī)最大能拖動噸原料重量來多次進(jìn)行調(diào)試，最后設(shè)定電機(jī)起制動器釋放點的電流為520A，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為130%，電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩信號源為AI1通道，制動器松開延時時間為0.1S, 制動器閉合延時時間為3S，制動器閉合速度為10轉(zhuǎn)，變頻器的機(jī)械制動控制功能輸出通道為RO1，為了保證系統(tǒng)的安全運行，外部制動器除了受變頻器控制外，在其控制線路上還必須串入減速機(jī)潤滑泵起動信號、電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)起動信號、位置檢測保護(hù)信號、超極限保護(hù)信號、變頻器故障信號、零壓保護(hù)信號、急停開關(guān)等聯(lián)鎖保護(hù)信號，做到某一故障發(fā)生時能即

22、時制動。實際應(yīng)用中的幾個關(guān)鍵問題通過了理論設(shè)計后，在實踐調(diào)試過程中，不斷碰到了一些失敗和原先沒有細(xì)致考慮到的問題，通過查找資料和多次的實踐，總結(jié)了以下幾個應(yīng)用經(jīng)驗。4.1幾個關(guān)鍵連線    在這次應(yīng)用中，首先變頻器的選擇是一個整流單元通過光纖帶兩個并聯(lián)的逆變單元，兩個逆變單元到電機(jī)接線端子之間的主回路電纜一定要保證相同長度，不然在做變頻器電機(jī)識別功能時就不能建立正確的電機(jī)模型。其次變頻器到制動單元之間的連線一定要小于5M，制動單元到制動電阻之間的連線一定要小于10M，不然在做變頻器電機(jī)識別功能減速時會產(chǎn)生很大的浪涌電流，損壞變頻器和制動單元，由于在開始調(diào)

23、試時沒有注意到電纜的長度就造成了變頻器和制動單元同時損壞。最后變頻器與電機(jī)之間的連線必須采用屏蔽電纜，減小對其它電氣、儀表設(shè)備的干擾。4.2停車方式的問題    在這次應(yīng)用中，我們選擇停車方式是斜坡減速停車同時使用了機(jī)械制動功能，在故障需要立即停車也就是在參數(shù)“21.07 RUN ENABLE FUNC”選擇“OFF3STOP”（急停停車）功能時，變頻器也是以“斜坡減速停車”為主，無法立即停車，因此料車在最高速590轉(zhuǎn)的時候發(fā)出停車指令時，料車滑行13M后停車，最高速100轉(zhuǎn)的時候發(fā)出停車指令時，料車滑行1M后停車，無法滿足要求，但在變頻器上有一個啟動聯(lián)鎖端口X22組的和11號端子，在正常工作時必須短接，如果斷開變頻器立即封鎖輸出，因此我們可以把急停開關(guān)、故障停車的信號接入和11號端子之間，需要立即停車時斷開，保證了料車的安全。4.3料車位置信號的安全問題    在這次應(yīng)用中，我們對料車位置的檢測是采用編碼器和PLC結(jié)合的方式來實現(xiàn)，因此一定要保證其供電與變頻器的起動信號是同一路電源供電，這樣才能保證不出現(xiàn)萬一編碼器和PLC的檢測系統(tǒng)開