變頻器在不銹鋼帶連退酸洗線的應用

在不銹鋼帶連退酸洗過程中，對速度和張力的控制，決定了產(chǎn)品的品質(zhì)；而用戶對高品質(zhì)、高效率的需求，使系統(tǒng)穩(wěn)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(zhì)不銹鋼產(chǎn)品的重要保證。森蘭變頻以其20余年的技術(shù)積淀，在此領(lǐng)域取得突破，成功應用于1250mm不銹鋼生產(chǎn)線，開創(chuàng)了國產(chǎn)變頻器在工程型復雜控制系統(tǒng)應用的先例，在冶金連續(xù)生產(chǎn)中對于國產(chǎn)替代進口具有示范意義。

1?酸洗工藝過程簡介

熱軋不銹鋼帶表面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面質(zhì)量，減少后續(xù)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(fā)生化學反應的基本原理，清除表面的油污、銹斑、氧化層、游離鐵等污垢，并進行鈍化，處理后的表面變成均勻銀白色，耐腐蝕能力提高15-50倍，此過程即為不銹鋼帶的酸洗鈍化處理。

不銹鋼帶的連續(xù)酸洗是指在開卷、換卷或收卷、卸卷時，帶鋼連續(xù)地通過盛有酸溶液的酸洗槽而不停車，具有產(chǎn)能高、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點，也有投資高，占地面積大的缺點，可為帶鋼冷軋機提供優(yōu)良的酸洗帶卷產(chǎn)品。連續(xù)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(xié)調(diào)運行；在確保機組安全、高效、穩(wěn)定操作運行的同時，能夠充分滿足用戶對帶鋼連續(xù)酸洗生產(chǎn)較高的經(jīng)濟、環(huán)保等指標要求。

客戶現(xiàn)場即為1250mm不銹鋼帶連退酸洗生產(chǎn)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，后續(xù)至收卷機為出口段。整個生產(chǎn)工藝流程共有50多臺電機拖動，關(guān)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(gòu)成的S輥）、入口活套、出口活套、收卷機工作在閉環(huán)矢量控制，根據(jù)工藝要求工作在速度控制或者轉(zhuǎn)矩控制模式，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控制或開環(huán)矢量控制。

圖1 連續(xù)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#張力輥中的一臺（主機）確定，另一臺或幾臺（從機）做轉(zhuǎn)矩跟隨，實現(xiàn)負荷均衡分配。整個系統(tǒng)具有穿帶功能、雙開卷機切換、靜態(tài)建張、三段協(xié)調(diào)控制等功能，各段通過速度或轉(zhuǎn)矩控制維持靜態(tài)或動態(tài)的平衡。工藝段的速度對不銹鋼帶的酸洗品質(zhì)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(fā)生過腐蝕和氫脆現(xiàn)象。而出入口活套依靠活套中的儲料在換卷過程中起到緩沖作用，保持工藝段速度不變或者微降。

2?組網(wǎng)構(gòu)成及數(shù)據(jù)交互

圖2 控制系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

Fig.2 Network connection ofcontrol system

如圖2所示，整個連退酸洗控制系統(tǒng)采用Wincc通用監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制技術(shù)和Profibus-DP現(xiàn)場總線相結(jié)合的控制方案，由PLC實現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)采集功能，由Wincc組態(tài)軟件實現(xiàn)實時監(jiān)控、顯示設備運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)查詢等功能，完成對設備的遠程監(jiān)控和故障診斷，提高了生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)的自動化水平，實現(xiàn)高精度、實時性好的參數(shù)測量及控制。中控室根據(jù)經(jīng)驗設定酸洗工藝段運行速度，系統(tǒng)將自動調(diào)整入口段和出口段速度，協(xié)調(diào)運行。

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

表1：PLC與變頻器間的過程數(shù)據(jù)

Tab.1 Process data between PLC and inverter

控制字中包含起?？刂?、脈沖封鎖、緊急停車、故障復位、轉(zhuǎn)矩/速度控制切換等功能；狀態(tài)字中包含上電就緒、運行就緒、故障、報警、當前控制方式等反饋信息。過程字中的“位置1、2”來源于電機端的編碼器正交計數(shù)，用于收、放卷的卷徑計算，方便實現(xiàn)高精度的恒張力控制。由通訊給出的“速度給定”和“轉(zhuǎn)矩給定”哪個有效，取決于系統(tǒng)的需求，當為速度控制時，“速度給定”有效，而“轉(zhuǎn)矩給定”則可以選擇作為速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅；相反，當前為轉(zhuǎn)矩控制時，“轉(zhuǎn)矩給定”有效，而“速度給定”可以作為速度限幅，防止生產(chǎn)線出現(xiàn)飛車。

3?變頻器的關(guān)鍵功能

SB70系列變頻器是公司于2006年推出的通用型矢量控制產(chǎn)品，其控制性能、可靠性、接口靈活性等在此次應用中得以充分展現(xiàn)。

3.1?變頻器的特點

SB70系列變頻器采用轉(zhuǎn)子磁場定向技術(shù)，實現(xiàn)對電機勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的高精度解耦控制，使電機具有0.02%的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度，5%的轉(zhuǎn)矩精度，轉(zhuǎn)矩響應時間在10ms左右，可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。

變頻器所內(nèi)置的高速脈沖輸出PFO和高速脈沖輸入PFI端子及功能，可以完美的適用于系統(tǒng)的主從負荷分配，具有數(shù)據(jù)精度高、抗干擾能力強、響應快（毫秒級）、無延遲等特點。

全系列變頻器具有豐富的選配件，如現(xiàn)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、抗干擾能力強的優(yōu)點；高可靠性的DP通訊轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)置森蘭控制功能，便于用戶參數(shù)配置組態(tài)。

3.2?速度與轉(zhuǎn)矩控制的選擇

如前所述，變頻器接收來自PLC的控制指令和給定值，根據(jù)參數(shù)設定和控制指令中的“轉(zhuǎn)矩/速度切換”確定當前控制模式，如圖3所示。如拋丸機僅取速度指令；收卷機則速度和轉(zhuǎn)矩都要用，空卷定位、鋼帶咬合后首圈、滿卷切斷后等均為速度控制，正常收卷時為轉(zhuǎn)矩控制，轉(zhuǎn)矩給定值來自鋼帶張力與當前卷徑的乘積（傳動比及轉(zhuǎn)矩標定此處未考慮）；活套除穿帶外，一直工作在轉(zhuǎn)矩控制模式；作為開卷機，先正向送卷，使鋼帶延伸至牽引矯直機，焊接后，轉(zhuǎn)為反向速度控制，并加以轉(zhuǎn)矩限幅，在正常運行時，因速度給定和當前速度反向，速度調(diào)節(jié)器工作在飽和的轉(zhuǎn)矩限幅狀態(tài)，使開卷處的張力值保持恒定，限幅轉(zhuǎn)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制模式，其他工作在轉(zhuǎn)矩控制模式，只是轉(zhuǎn)矩的來源略有區(qū)別。

圖3 轉(zhuǎn)矩/速度切換圖

Fig.3 Selection of the torqueor speed control

3.3?主從控制及負荷分配

對于入口段、工藝段和出口段中速度控制的3個主機全程采用速度控制，而其從機選擇轉(zhuǎn)矩控制。主機的PFO端子輸出本機的“轉(zhuǎn)矩給定”，從機的PFI端子接收數(shù)據(jù)，作為從機的“轉(zhuǎn)矩給定”，實現(xiàn)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主從控制負荷分配圖

Fig.4 Balance of master andslave

因PFO和PFI只能傳輸無符號數(shù)據(jù)，利用變頻器自身特有的“算術(shù)單元”進行加減運算，靈活實現(xiàn)了主、從機有符號數(shù)與無符號數(shù)的相互轉(zhuǎn)換；應用中，綜合考慮控制精度和要傳遞數(shù)據(jù)的最大最小值，確定是否需要增加一級“算術(shù)單元”對數(shù)據(jù)進行縮放；此項目中，電機的負載轉(zhuǎn)矩小于80%的額定轉(zhuǎn)矩，變頻器用于模擬輸入輸出的轉(zhuǎn)矩量是以2.5倍的電機額定轉(zhuǎn)矩標定，因此80%的負載轉(zhuǎn)矩時對應的變頻器的轉(zhuǎn)矩模擬量為32%。

4?現(xiàn)場情況

4.1?編碼器的抗干擾處理

由于連退酸洗生產(chǎn)線設備眾多，在現(xiàn)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，不可避免的受到干擾。

現(xiàn)場也出現(xiàn)了開卷機反饋異常的現(xiàn)象，在靜態(tài)建張時，轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，不定時出現(xiàn)掉張現(xiàn)象，再反向繃緊重新建張；運行過程中，也有掉張出現(xiàn)，造成鋼帶抖動。造成這種現(xiàn)象的原因是電機電纜中的高頻共模對編碼器造成了干擾，會形成高頻的無序脈沖，在變頻器識別時會有速度跳變，致使磁場定向不準，轉(zhuǎn)矩失控?，F(xiàn)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，并增加加強隔離整形的接口轉(zhuǎn)換板；整改后，速度反饋跳變和系統(tǒng)掉張現(xiàn)象消失，達到令客戶滿意的控制效果。

審核編輯：湯梓紅