SINAMICS S120变频器在转炉传动上的研究与应用

　　1.前言

　　秦皇岛安丰钢铁有限公司第三炼钢厂新建2#150吨转炉炼钢工程，其低压电气、现场仪表、电气传动及PLC三电一体控制系统的现场施工及调试由莱钢电子公司所承担，并于2011年9月1日顺利投产。

　　该工程中所涉及的变频器均采用西门子SINAMICS系列，特别是转炉倾动，更是选用了带有源回馈功能的SINAMICSS120变频器，集v/f控制、矢量控制、伺服控制为一体的多轴驱动系统，具有模块化的设计。各模块间通过高速驱动通讯接口drive-cliq相互连接，可以实现快速的数据交换，满足了工艺对电气传动设备的要求。

　　2.S120与PLC通讯方式

　　本项目中PLC系统采用西门子S7-400系列，通过ProfibusDP扩展ET200M，同时通过ProfibusDP与SINAMICSS120变频器通讯，控制变频器启停，并监视变频器运行状态。在针对变频器调试的过程中，可以选用CP5512，CP5513或者CP5613等配件与上位机直接通讯。本项目中选用的CU320-2附带有一个LAN口，可使用网线与变频器直接连接。项目的基本组态如图1所示：

　　3.S120变频器的特性

　　之所以选择S120变频器作为转炉倾动机构的控制设备，一方面是考虑到S120优秀的性能，还一方面考虑到转炉工艺的特性。根据转炉的工艺要求，转炉炉体需能进行土360°的倾动。一般情况转炉处于平衡力矩工作状态，也就是说炉体本身重量集中在炉体下部，也就是钢水所在的位置。这样就可以确保转炉事故状态下，炉体能实现自复位功能。倾动机构可以平衡惯性势能负载。在正常生产的情况下，当转炉倾动至几个固定的位置时(兑铁位、吹炼位、出钢位等)，要求转炉处于静止的状态，炉体由静→动以及由动→静时，要求炉身过渡平稳，无明显的冲击现象。由此可见，被控对象具有一定的动态，静态指标要求。

　　SINAMICS S120的核心控制单元CU320(V2.2版本)可以控制4个矢量轴或者是6个伺服轴。S120拥有出色的矢量控制能力，所谓的矢量控制就是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电动机转矩的目的。具体是将电动机的定子电流矢量通过3/2坐标变换分解为励磁电流和转矩电流，分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。简单的说，矢量控制就是将磁链与转矩解耦，分别设计出针对于两者的调节机构，以实现对电动机的高性能调速。利用矢量控制，可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。如图为矢量控制的原理图，ω为转速实际值，ω*为转速指令值;ψrd为定转子磁链转换值， ψrd*为定转子磁链估算值;isq为定转子电流转换值，isq*是与之相对应的计算值。

　　4.可视化调试的过程

　　S120有非常丰富的控制方式和控制模式，为我们实现转炉倾动的各种工艺需求提供了强有力的支持。S120提供了三种控制方式，分别为：扭矩控制、速度控制、位置控制。并且提供了三种控制模式：伺服控制，矢量控制，V/F控制。在本项目中，我们选用了矢量控制模式(P0107)。我们将倾动系统四台变频设置为主从控制方式，主机采用速度环控制，从机采用力矩环控制。在空炉时，四变频器拖四电机主从控制效果良好。然后分批增加配重，同时调试变频参数。我们通过DP通讯把变频器的实际力矩和实际速度读入到PLC，由PLC系统判断后再生成抱闸信号。由于转炉倾动属于重载设备，且倾动过程中，实际转矩的大小和方向始终在变化，需要对变频器的PI参数、斜坡时间和抱闸等参数进行反复调试。前期，在大配重的情况下，炉体运行时有明显的抖动现象，后来经过我们多次尝试，在变频参数中增加了变比例调节，最终解决了炉体抖动的难题，使转炉倾动系统达到了预期的效果。

　　在调试过程中，我们使用了Starter软件来对S120参数进行设置。Starter软件是西门子SCOUT平台的重要组成部分，可以通过DriveES与Step7进行无缝连接，将项目中的传动设备集成到自控系统中。通过Starter工具调试SINAMICS S120变频器，可以用网线直接将PC连接到CU320-2自带的LAN口，使用TCP/IP协议进行通讯，快速方便。在Starter中设置DP地址后，会自动显示DP拨码的位置，此外，通讯报文应使用相同的设置才能正常连接，使用“Transfer to HWconfig”功能可以将在Starter中配置好的报文设置直接传送到PLC的组态中。利用Starter工具图形化界面的特点，可以对变频器参数进行在线修改，并随时观察调试效果和变频器的运行状态，给我们调试工作带来了极大的方便，明显缩短了调试时间，有力保障了工程的进度。

　　5.实际效果总结

　　SINAMICS S120变频器用于转炉炼钢项目，使用Starter调试工具与PLC相结合的方式进行调试，缩短了工程建设周期，又改善了调试效果。由于SINAMICS S120采用ALM和AIM的组合，可自动调节直流母线电压，有效避免了直流母线电压过高引起的故障停机，而且ALM和AIM的组合带有电能回馈功能，使转炉的制动时间明显减小，既节能又提高了倾动机构的利用率，取得了明显的经济效益，相对于传统变频器优势明显。