转炉倾动电气传动控制系统

摘要

本发明涉及一种转炉倾动电气传动控制系统，包括多台变频器和由其分别控制的多台倾动电机，其中一台变频器由主控PLC定义为逻辑主变频器，其它台变频器由主控PLC定义为逻辑从变频器；各台变频器配备CBP2通讯板，并且与PLC之间通过Profibus-DP网实现包括速度给定、控制字、状态字的通讯；各台变频器之间通过CUVC板自带的模拟量通道，在各台变频器之间形成环形连接，传输转矩分量。本发明具有简单可靠、在线切换方便、控制精度高、动态响应快等优点，有效地解决了传统的一个速度控制三个转矩控制，或传统的利用机械柔性寻找转矩平衡的控制方式，所带来的诸如转矩平衡差、动态响应慢和机械损伤较大的缺点。

权利要求

1.一种转炉倾动电气传动控制系统，包括多台变频器和由其分别控制的多台倾动电机，其特征是：设置1套主控PLC，由其定义一台变频器为逻辑主变频器，简称主变频器，其它台变频器由主控PLC定义为逻辑从变频器，简称从变频器；各台变频器配备CBP2通讯板，并且与PLC之间通过Profibus-DP网实现包括速度给定、控制字、状态字的通讯；各台变频器之间通过CUVC板自带的模拟量通道，在各台变频器之间形成环形连接，传输转矩分量，主变频器的速度调节器采用P-I模式，比例积分P243＝0；从变频器的速度调节器采用P模式，比例积分P243＝1；通过模拟量把主变频器的转矩送给从变频器作为附加转矩。

2.根据权利要求1所述的转炉倾动电气传动控制系统，其特征是：通过改变主、从变频器的速度调节器的比例-积分关系，对于从变频器增加一个附加转矩，形成一种新的主从控制方案。

3.根据权利要求2所述的转炉倾动电气传动控制系统，其特征是：主变频器由模拟量通道输出转矩的积分分量给从变频器，从变频器将此积分分量作为自己的附加转矩与自身速度调节器输出相叠加，并依次循环形成环形连接。

说明书

转炉倾动电气传动控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及冶金行业炼钢工艺转炉倾动装置，尤其是涉及用于转炉倾动装置的电气传动控制系统。

背景技术

[0002] 转炉倾动装置在冶炼操作中，由于频繁的启动、制动和加减速，常常产生剧烈的扭转振动，出现强烈的扭振力矩冲击，这不仅影响转炉传动设备的机械寿命，甚至会导致设备事故。据工艺要求，转炉的倾动角度为±360°，转炉炉口和炉底方向轴线与地平面垂直时为零位状态，故炉子倾动负载力矩属于反阴性的位能负载。当炉体处于正力矩状态时，电动机处于电动运行状态，当炉体处于负力矩状态时，电动机处于回馈制动状态。

[0003] 为了使转炉传动设备处于良好的工作状态，满足生产过程中转矩平衡、动态响应快、速度控制精确及系统稳定的要求，需要对其倾动装置采取控制。目前控制转炉倾动方案有多种，常用的是转矩/速度控制方式，但均存在一些诸如转矩平衡差、动态响应慢、不能在线切换等缺点。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种转炉倾动电气传动控制系统，该系统能够防止转炉“点头”和“摇头”现象的发生，使转炉传动设备处于良好的工作状态，从而能够有效地延长转炉的使用寿命。

[0005] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括多台变频器和由其分别控制的多台倾动电机，其中一台由主控PLC定义为逻辑主变频器，简称主变频器，其它变频器由主控PLC定义为逻辑从变频器，简称从变频器，其中：主变频器的速度调节器采用P-I模式，比例积分P243＝0；从变频器的速度调节器采用P模式，比例积分P243＝1；通过模拟量把主变频器的转矩送给从变频器作为附加转矩。

[0006] 本发明与传统的控制技术相比，具有以下主要的优点：

[0007] 其一.由于本系统简单可靠，可减少人工维护量，降低事故发生率，延长转炉的使用寿命。

[0008] 其二.可以在线切换，一旦主或从变频器故障可方便的在线切换主从关系，并且切换主从关系不需要更改任何硬件。

[0009] 其三.四台变频器均采用速度控制方式，为速度闭环，即只定义逻辑上的主-从关系，主变频器的速度调节器工作在比例积分方式，从变频器的速度调节器工作在比例方式，把主变频器的转矩分量传给从变频器的转矩分量作为附加转矩。因此控制精度高，动态响应快。

[0010] 其四.摆脱了对单个变频器依赖性很高的缺点。就算主编码器发生故障，也不会有飞车危险。

[0011] 其五.可兼顾速度精度高与转矩平衡好的优点，减小了对机械的冲击，易于维护。

[0012] 其六.由于国家经济的发展，对炼钢的技术水平和当今的自主化国产化的的更高要求，因此本控制系统具有广阔的市场前景。

[0013] 综上所述，本发明具有简单可靠、在线切换方便、控制精度高、动态响应快和易于维护等优点。有效地解决了传统的一主三从控制方式(一个速度控制三个转矩控制)，或传统的利用机械柔性寻找转矩平衡的控制方式(都作速度控制，不做转矩同步，只利用机械柔性来寻找转矩平衡)，所带来的诸如转矩平衡差、动态响应慢和机械损伤较大的缺点。

附图说明

[0014] 图1为本发明的转矩分量传输示意图。

[0015] 图2是以西门子6SE70变频器为例，提供的内部主从逻辑功能示意图。

[0016] 图3是以西门子6SE70变频器为例，提供的1号倾动电机变频器电路图。

[0017] 图4是以西门子6SE70变频器为例，提供的2号倾动电机变频器电路图。

[0018] 图5是以西门子6SE70变频器为例，提供的3号倾动电机变频器电路图。

[0019] 图6是以西门子6SE70变频器为例，提供的4号倾动电机变频器电路图。

具体实施方式

[0020] 本发明提供的转炉倾动电气传动控制系统，包括多台变频器和由其分别控制的多台倾动电机，其中一台变频器由主控PLC定义为逻辑主变频器，简称主变频器，其它台变频器由主控PLC定义为逻辑从变频器，简称从变频器；各台变频器配备CBP2通讯板，并且与PLC之间通过Profibus-DP网实现包括速度给定、控制字、状态字的通讯；各台变频器之间通过CUVC板自带的模拟量通道，在各台变频器之间形成环形连接，传输转矩分量。

[0021] 下面结合具体实例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

[0022] 本发明采用四台变频器分别控制四台倾动电机，通过变频器自带的数字输入/输出及模拟输入/输出形成环形网络。四台变频器均为速度闭环控制方式，只定义逻辑上的主从关系，通过改变主/从变频器的速度调节器的比例-积分关系，改变附加转矩的给定源，形成一种全新的主从控制方案。

[0023] 由于转炉倾动过程中四台电机通过减速机作用在同一个轴上(刚性连接)，首先就要求四台电机运行速度一致，在此基础上又要求四台电机力矩必须一致(通常说的负荷平衡)，也就是说4台电机运行时速度和转矩必须是同步的。

[0024] 具体硬件措施为(西门子为例)：设置1套315-DP主控PLC，各变频器与PLC之间通过Profibus-DP通讯，各变频器配备CBP2通讯板，通讯速率设置为500k，诸如速度给定、控制字、状态字均通过DP网在PLC与变频器之间传输。4台变频器之间通过CUVC板自带的模拟量通道，在4台变频器之间形成环形连接，传输转矩分量。

[0025] 具体的软件措施(西门子为例)：4台变频器由主控PLC定义其中一台为逻辑主，其它三台为逻辑从。四台变频器均工作在速度控制方式(P100＝4)，主从切换由PLC通过控制字传送给变频器自动实现，更改主从关系不需要改动任何硬件连接。主变频器的速度调节器工作在P-I模式(比例积分P243＝0)，从变频器的速度调节器工作在P模式(比例P243＝1))，通过模拟量把逻辑主变频器的转矩送给从变频器作为附加转矩。主变频器由模拟量通道输出转矩分量给从变频器，从变频器将此转矩分量作为自己的附加转矩，同时再将此转矩分量传输至下一台从变频器，这样依次循环形成环形连接。具体实现方式为：四台变频器通过模拟量输入输出连接成环形通道，1号变频器(输出)-(输入)2号变频器-3号变频器-4号变频器-1号变频器；同时利用控制板自带模拟量通道，使1号变频器与3号变频器，2号变频器与4号变频器交叉连接。PLC与四个变频器之间通过PROFIBUS-DP通讯，通过控制字与状态字读写变频器的状态与命令，并在PLC内部对四个变频器的速度和转矩建立实时监控，当出现偏差太大即报警，延时后自动抛掉偏差较大的变频器，重新自动在剩下的变频器中建立起主从关系。

[0026] 本系统特性分析：(1)在系统启动或停止时还未进入稳态时，四台变频于均工作在速度闭环，速度给定与速度反馈差值 V使每个速度调节器比例环节起主要作用，使实际速度快速跟上速度给定，从而就保证了系统的速度一致性。但这个过程的持续时间很短，系统很快加入稳态调节状态。(2)系统已进入稳态后，速度给定与速度反馈基本相等，此时速度调节器的比例环节已经基本不起作用，主要是积分环节起作用。此时主变频器工作在速度控制方式，速度调节器主要为积分环节起作用。但对于从变频器来说由于速度调节器积分失效，比例也由于给定与反馈的无限接近而可以忽略不计，从的转矩就基本等于附加转矩(模拟量通道输入的主变频器的转矩分量)，从而就保证了从变频器的转矩很好的跟随主变频器的转矩，也就是保证了四台电机正常运行时转矩的一致性。从变频器由模拟量通道读取主变频器的转矩(实际传送的都是百分比)作为附加转矩加到调节通道上时，同时把此输入转矩送到模拟量通道以给下一个从变频器，这样最大可能减小了传输时间和误差。

[0027] 正常运行时4台变频器模拟量呈环形连接，如果有1台坏了(例如电机或变频器出现故障)，PLC程序会自动抛掉此台产生故障的变频器，以环形系列故障变频器的下一台为主变频器，在不停机的情况下重新在剩下3台变频器中建立主从关系，从而就实现了不停机在线切换主从关系。重新建立的3台变频器为逻辑上的一主两从，依然是主变频器速度调节器以PI(比例积分)方式工作，从变频器速度调节器以P(比例)方式工作。

[0028] 有2台变频器坏时，如果为连续的2台(如1、2号变频器，或2、3号变频器，或3、4号变频器，或4、1号变频器)，剩下两台通过环形网继续组成主从连接。如果为间隔的两台变频器故障(如1、3号变频器，或2、4号变频器)，则通过交叉连接的模拟量通道(1号变频器-3号变频器，或2号变频器-4号变频器)，依然可以建立此种主从关系。2台变频器建立的方案为逻辑上一主一从，依然可以满足速度转矩平衡的要求。

[0029] 本发明应用的电源条件：电源电压3AC 380V-15％～460V+10％，电源频率50HZ(±6％)。

[0030] 本发明经过测试，可以达到以下的技术参数：

[0031] 最大允许输出频率：在3AC 380V～480V。

[0032] 转速精度：当n＞10％，转速精度为0.0005％；当n＜5％，转速精度为0.001％。

[0033] 速度上升时间：20ms。

[0034] 转矩线性度：＜1％。

[0035] 转矩精度：在恒磁范围，n＞1％时，转矩精度为＜2.5％。

[0036] 转矩上升时间：5ms。

[0037] 转矩波动：＜2％。

[0038] 下面结合具体附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

[0039] 图1为转矩分量传输示意图，图中实线表示连续转矩传输通道，虚线表示交叉转矩传输通道。由于连续转矩传输通道已形成环形网络，对于第1号到第4号变频器中的任意一台变频器故障时，系统就自动抛掉此台故障变频器，以环形系列的下一台变频器为主，依次类推保证任意一台变频器故障时均能形成一主多从的逻辑关系。当有两台变频器故障时，如果为连续两台，依据上述原理依然以故障后的第一台为主；如果为交叉两台故障，如1号和3号变频器同时故障，或者2号和4号变频器同时故障，则由交叉通道依次在剩下的两台中建立逻辑主从关系。保证工艺系统要求的任意一台或者两台故障时，仍可保证转炉低速炼完一炉钢(对于控制系统不论几台工作都必须保证转矩同步)

[0040] 图2为装置控制逻辑功能图(以西门子6SE70变频器为例)，对于主变频器工作在速度闭环模式(带编码器反馈的速度闭环)，其速度调节器工作在比例-积分模式。对于从变频器(无论是几个工作方式均一样)其工作模式依然为速度闭环(带编码器反馈的速度闭环)，但其速度调节器工作在比例模式，也就是说其积分环节失效。从的转矩给定＝速度调节器的比例环节输出+主变频器模拟量通道传输的转矩分量。这样就保证了所有工作变频器均是工作在速度闭环模式，保证了系统速度调节的精度和很短的动态响应时间。同时又保证了从变频器与主变频器良好的跟随性，也就是保证了所有工作变频器的转矩同步。

[0041] 图3为1号倾动电机变频器电路图(以西门子6SE70变频器为例)，其中DC24V电源为变频器外接直流24V电源。KM11为变频器定义为无故障的数字输出中间继电器，中间继电器接点送给2号倾动电机变频器。KM41为4号倾动变频器输出的无故障数字接点，作为数字输入送至1号倾动变频器。模拟输入及模拟输出各有两个通道，其中模拟输入通道1不用，模拟输入通道2为连续传输通道由4号变频器传送至1号变频器的转矩分量，模拟输出通道1为交叉传输通道由1号变频器送至3号变频器的转矩分量，模拟输出通道2为连续传输通道由1号变频器送至2号变频器的转矩分量。CBP2为Profibus-DP通讯板，由倾动PLC系统的DP主站连接至1号变频器，再由1号变频器连接至2号变频器。B11为电机速度反馈编码器，是变频器进行速度闭环控制的必要设备。

[0042] 图4为2号倾动电机变频器电路图(以西门子6SE70变频器为例)，其中DC24V电源为变频器外接直流24V电源。KM21为变频器定义为无故障的数字输出中间继电器，中间继电器接点送给3号倾动电机变频器。KM11为1号倾动变频器输出的无故障数字接点，作为数字输入送至2号倾动变频器。模拟输入及模拟输出各有两个通道，其中模拟输入通道1不用，模拟输入通道2为连续传输通道由1#变频器传送至2#变频器的转矩分量，模拟输出通道1为交叉传输通道由2号变频器送至4号变频器的转矩分量，模拟输出通道2为连续传输通道由2号变频器送至3号变频器的转矩分量。CBP2为Profibus-DP通讯板，由1号变频器连接至2号变频器，再由2号变频器连接至3号变频器。B21为电机速度反馈编码器，是变频器进行速度闭环控制的必要设备。

[0043] 图5为3号倾动电机变频器电路图(以西门子6SE70变频器为例)，其中DC24V电源为变频器外接直流24V电源。KM31为变频器定义为无故障的数字输出中间继电器，中间继电器接点送给4号倾动电机变频器。KM21为2号倾动变频器输出的无故障数字接点，作为数字输入送至3号倾动变频器。模拟输入及模拟输出各有两个通道，其中模拟输入通道1为交叉传输通道由1号变频器传送至3号变频器的转矩分量，模拟输入通道2为连续传输通道由2号变频器传送至3号变频器的转矩分量，模拟输出通道1不用，模拟输出通道2为连续传输通道由3号变频器送至4号变频器的转矩分量。CBP2为Profibus-DP通讯板，由2号变频器连接至3号变频器，再由3号变频器连接至4号变频器。B31为电机速度反馈编码器，是变频器进行速度闭环控制的必要设备。

[0044] 图6为4号倾动电机变频器电路图(以西门子6SE70变频器为例)，其中DC24V电源为变频器外接直流24V电源。KM41为变频器定义为无故障的数字输出中间继电器，中间继电器接点送给1号倾动电机变频器。KM31为3号倾动变频器输出的无故障数字接点，作为数字输入送至4号倾动变频器。模拟输入及模拟输出各有两个通道，其中模拟输入通道1为交叉传输通道由2号变频器传送至4号变频器的转矩分量，模拟输入通道2为连续传输通道由3号变频器传送至4号变频器的转矩分量，模拟输出通道1不用，模拟输出通道2为连续传输通道由4号变频器送至1号变频器的转矩分量。CBP2为Profibus-DP通讯板，由3号变频器连接至4号变频器，再由4号变频器连接至带DP口的角度测量绝对值编码器。
B41为电机速度反馈编码器，是变频器进行速度闭环控制的必要设备。