交流伺服控制系统在连铸结晶器调宽中的应用

济钢集团第三炼钢厂是济钢集团“十五”期间的重点投资项目，引进的是国内外一流的先进设备和自动化控制技术，其装备属于“国内一流，国际先进”水平。二期工程ASP1700连铸连轧是鞍钢集团与济钢集团合作开发的项目，在该项目中，连铸机结晶器调宽系统采用了新型全数字交流伺服控制系统，是当今世界最先进伺服控制技术。

结晶器调宽工艺及设备配置

连铸机结晶器采用直结晶器，由两个宽面和两个窄面构成，长1200mm，内腔厚度最宽150mm，调宽范围:100mm-150mm。其中窄面是可以活动的，以便在连铸机准备和浇注期间调节结晶器的宽度和锥度。结晶器采用一组拉杆夹紧两个宽面和两个窄面，拉杆通过弹簧组保持夹紧力，拉杆上的液压缸可以在调宽过程中压缩弹簧，以使窄面能容易移动，快速打开宽面。液压缸压力可连续调节，随板坯的宽度变化来调节夹紧力，实现软夹紧。由于该压力不是夹紧宽面，因此在液压压力失效时，弹簧能够保持夹紧力而不会有危险。
　　
结晶器调宽系统包括:4套丝杠机构，每个窄面2套;4套带有旋转变压器的交流异步伺服电动机，固定在浇注平台下的冷却室外;4个万向轴、4套交流伺服控制单元。

每一个窄面使用伺服单元控制调宽电机驱动，可以改变两边宽度和每个面的锥度。由于调宽时生产的板坯窄面不是直的，这意味着在调宽期间窄面铜板与坯壳之间的气隙的产生，避免漏钢，在调整宽度的同时必须调整锥度。为了减小凝固坯壳的应力，窄面的调整应缓慢进行。为保证坯壳与铜板紧密接触，结晶器锥度随宽度的减小而减小，随宽度增加而加大。控制系统根据钢种、浇注速度、要求的锥度和板坯定尺，在浇注期间为各边的运动选择不同的算法。

结晶器调宽控制系统组成与原理

结晶器调宽控制系统采用西门子S7-400PLC，伺服单元选用西门子MASTERDRIVES MC 全数字运动控制器，具有过载能力大，调速范围宽等特点，设有TP270人机界面，可设定和故障监视功能。每个伺服电机自有一套伺服单元，采用位置环、速度环、电流环三环控制，是一种高动态响应、高精度的运动控制方式。传动系统经Profibus总线和PLC及TP270相连。伺服电机采用伦兹（MDSKARS090-22）三相交流异步伺服电动机，功率2.6kW， 额定速度2300r/min。生产工根据生产钢种结晶器宽度、锥度设定值输入到人机界面上，经Profibus总线传输给调宽PLC，PLC运算后，给各个伺服单元发出位置控制信号，伺服单元将伺服电机旋转变压器信号换算出的实际位置信号和实际速度信号分别作为位置环反馈信号和速度环反馈信号实现三环控制，而使系统快速平滑地跟随位置设定值，保证结晶器上下口电机的恒定速度差，实现窄面铜板的精确定位。整个控制系统是以伺服电机电流环、电机速度为内环，窄面铜板位置为外环的三环控制结构，系统精度高，速度响应快，运行平稳可靠，定位准确.

交流伺服控制系统

结晶器调宽交流伺服控制系统应用的是典型的基础自动化（PC或PLC）＋运动控制器的控制结构。西门子运动控制器是一个带位置环的高性能矢量变频器，它通过电机带的测速装置与装置内的伺服单元构成位置环，是典型全数字交流伺服控制器。具体说，MC运动控制器是电压源型带加速度、速度前馈位置控制器、转矩内环转速、磁链闭环的交流异步矢量控制器，其构成的系统为交流伺服控制系统.

基础自动化

基础自动化采用PLC和人机界面组成，主要完成结晶器调宽的操作，数据的设定和基本运算，现场信号的采集、监测信号的显示，以及报警功能等等。

伺服控制器

MC控制器主回路

主回路由不可控三相桥式整流器、三相桥式PWM逆变器和中间直流环节等三部分构成。在电网和变频器之间加一个进线电抗器，消除尖峰电压、消除谐波。在直流母线侧增加制动单元，用于消除电动机产生的回馈到电网的能量。PWM逆变器功率器件采用全控型IGBT管。变频器输出侧加电抗器，能改善变频器输出电流的波形，降低电动机的噪声。伺服电机使用的是感应伺服电动机。

MC控制器控制回路
　　
控制回路主要有两部分组成:控制板CUMC板和 F01工艺板，F01工艺板实际就是采用带速度、加速度预控制的位置前馈控制器，控制器集成了定位、转速和同步角控制等功能，可以在驱动器内部直接实现电子轴和电子变速箱功能。F01工艺板有6种操作模式，根据工艺需要可以任意选择。在每种模式下，F01工艺板根据实际需要有位置控制、带速度予控制的位置控制、带速度、加速度予控制的位置控制，显示了MC运动控制器强大的软件功能。在结晶器调宽交流伺服控制系统中应用了F01工艺板，分别选用SET-UP（手动模式） HOMING （校验模式）MDI（自动模式）三种模式，这三种模式分别是带速度予控制的位置前馈控制器、带速度、加速度予控制的位置前馈控制器、带速度、加速度予控制的位置前馈控制器。
　　
控制板CUMC板主要完成矢量变换功能，其内部主要有五部分组成:位置控制器APR、速度控制器ASR、电流调节器（ACR）、位置反馈器，空间电压矢量变换器。
　　
位置反馈信号经过计算后，分成两路，一路作为位置信号实际值，进入位置控制器（APR）;另一路作为速度反馈实际值进入速度控制器（ASR）。
　　
位置控制器（APR）采用P调节器和PI调节器，将位置偏差作为输入，完成位置控制策略功能，输出作为速度的给定。速度控制器（ASR）采用PI调节器，输入信号来自位置控制器和反馈信号的偏差，完成速度变化范围的调速控制，满足负载的工作需求。
　　
电流调节器（ACR）由四部分组成:磁链控制器（AψR）、转矩控制器（ATR）、磁链观测器、电压转换器。
　　
磁链控制器（AψR）采用PI调节器，AψR的给定值由函数发生器GF与转子磁链观测器的偏差，其输出信号作为定子电流磁链分量的电流值;
　　
转矩控制器（ATR）采用PI调节器，转速调节器输出Tei与取自于转子磁链观测器的转矩反馈信号的偏差作为内环调节器ATR的给定值，其输出信号作为定子电流转矩分量的电流值;
　　
磁链观测器选用的是电流计算模型，计算在矢量变换模型中的转子磁链ψr和它的定向相位角φ;
　　
电压转换器的输入来自AψR 和ATR的输出，把电流值计算为磁链分量的电压值和转矩分量的电压值。
　　
西门子PWM调制方法采用空间电压矢量法，空间电压矢量变换器主要完成PWM调制，其输入信号来自电压变换器的磁链分量的电压值、转矩分量的电压值和来自磁链观测器计算所得的磁链相位角，经矢量变换后得到定子三相每相指令电压。

交流伺服控制系统硬件技术

基础自动化

PLC系统
　　
结晶器调宽PLC系统作为连铸机L1系统的一个子系统，其系统设计本着可靠、先进、开放的原则，综合考虑系统的性能价格比，根据工艺方案和机械设备条件，系统结构尽可能统一，同时应与其它L1级子系统保持一致。连铸L1级PLC系统选用的是SIEMENS S7-400系列PLC。根据调宽工艺性能要求，PLC系统CPU 选择S7-414-3，通过CP443通讯模块与L1级工业以太网通讯，也可以通过PROFIBUS-DP接口与MC运动控制器和TP270通讯。

人机界面
　　
根据工艺特点及现场环境，结晶器调宽人机界面选择TP270操作面板。TP270属于SIMATIC HMI（人机界面）产品系列中文本图形触模式操作面板，在性能上有以下特点:简单快速配置，配置数据是可以恢复的;可用标准WINDOWS工具进行配置;使用软键、功能键或触模控制，简化了操作，也保障了操作的安全性，易于使用;和西门子PLC完美结合，使整个系统在硬件和软件均达最优化，尤其是通讯支持PROFIBUS-DP总线协议。

伺服控制系统

MC控制器
　　
结晶器调宽伺服控制器选用的是西门子公司MASTERDRIVES MC运动控制器，该控制器是应用于高动态响应循环机械控制的控制器，是完全智能化的控制系统。 MC控制器有以下特点:
　　
高动态响应，高过载能力:MC驱动器使用了32位DSP数字控制技术，DSP器件内部具有功能强大的硬件计算电路和特殊的总线结构，具有强大的数字信号处理功能;MC运动控制驱动器同时具有极高的过载因数，250ms内300%的过载能力。
　　
通用性强:它能够控制任何型号的电机，具有的模块化、插入式可选编码器功能模板可以完成所有的驱动任务，有支持脉冲编码器（TTL/HTL）的SBP板，支持旋转变压器的SBR2板，支持多圈编码器（ EQN，EQI， EnDat/SSI或Sin/Cos）编码器的SBM2 板，都可以非常容易地与系统相连接。
　　
优良的矢量控制驱动器:智能性就驱动处理技术和控制功能而言，自动控制系统相当可靠。它简化了配置和服务工作，降低了系统成本和工程管理成本，是具有最高动态响应和分布式智能化的 VectorControl矢量控制驱动器。
　　
强大的通讯能力:MC运动控制驱动器具有支持各种现场总线的可选模板，这些接口模板的设置，显著地增强了伺服单元与其它控制设备间的互联能力。MC运动控制驱动器的各种通讯模板中有支持Profibus总线的CBP2板，支持CAN总线的CBC板，支持DeviceNet总线的CBD板，支持CC-Link总线的CBL板。其中Profibus-DP是当今世界上最为成功和流行的现场总线标准，在Profibus CBP2功能模板上同级模块之间能相互通讯，尤其在西门子产品系统集成中，更显示其优点。

伺服电机
　　
交流伺服电机采用伦兹（MDSKARS090-22）三相交流异步伺服电动机，交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性，感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉。

位置反馈装置
　　
AC伺服系统中常用的位置传感器不但要完成系统的位置检测，而且同时实现电动机速度测量与转子磁极位置检测，但在目前并不是所有的位置传感器都能同时完成这三种检测功能。各种位置传感器都有其自身的固有特点，要针对具体控制对象要求，选择合适的位置传感器。在结晶器调宽应用环境，温度高、振动大，对于反馈装置需要有较高环境适应能力。旋转变压器的特点是本身结构坚固耐用，不怕振动冲击，可在高温下工作。具有很强的适应环境能力。随着电子技术的发展，利用软件技术代替了旋转变压器的运算电路，使其精度更高，可以作为磁极位置、电动机速度和系统位置检测用，结晶器调宽系统采用了旋转变压器做为位置检测装置。

交流伺服控制系统软件技术特点

应用软件STEP7 和PROTOOL的技术特点
　　
在结晶器调宽系统中，PLC编程使用STEP7 V5.3，STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，它是SIMATIC工业软件的组成部分，可以使用于带有各种功能的SIMATIC S7-300/400系列PLC。软件主要编程语言使用STL（语句表）、LAD（梯形图）和FBD（功能框图）。结晶器调宽操作界面TP270使用PROTOOL进行组态及编程，PROTOOL是用于可视化过程的使用简单、高性能的可视化软件，可在Windows95/98，2000下运行。
应用软件STEP7功能
　　
结晶器调宽PLC软件由OB（组织块）、FC（功能块）、DB（数据块）、SFB和 SFC（系统功能块和系统功能）四部分组成 。
　　
OB（组织块）是操作系统和用户程序之间的接口。它们由操作系统调用并控制循环和中断驱动的程序的执行以及PLC启动，处理对错误的响应。调宽程序由五个OB块组成，分别完成程序执行和循环中断以及对站故障的处理;
　　
SFC（系统功能）是S7CPU为用户提供了一些已经编好程序的块，可在程序中进行调用。例如在DP通讯中使用了两个SFC块“DPRD_DAT”和”DPWR_DAT”，用于PLC和MC控制器之间的PROFIBUS DP 的数据传输;
　　
DB（数据块）用于存放程序工作时的变量数据，每个FB、FC、或OB可以从共享DB中读取数据，或将数据写入共享DB。程序中DB块主要有三种，操作数据（TP270），通讯数据用于MC控制的DB和与L1级PLC和L2级服务器的DB块;
　　
FC（功能块）是完成各种工艺功能的块，一个FC包含一个程序部分。例如调宽程序FC有用于完成手动操作的MANULLY的FC块，完成校验操作的“CALIBRATION”FC块，见图4所示。

应用软件PROTOOL功能

　　结晶器调宽系统TP270应用PROTOOL设计了10个画面来实现各种操作。
　　ALARM:系统报警画面，显示系统报警信息;
　　Main_screen :主画面，显示各系统的状态，可选择模式操作画面;
　　Calibration :校验模式操作，进行结晶器校验操作;
　　MANUAL:手动模式选择，进行结晶器手动操作;
　　Menu菜单选择;
　　PIC_12:MC故障复位操作;
　　Preconditon条件显示，自动操作条件显示;
　　SET-POINTS:自动控制，进行结晶器自动操作;
　　Trend1 电流趋势监控Trend2电流趋势监控。

交流伺服控制系统的优点

传统的结晶器调宽伺服控制系统一般由人机界面、PLC系统、执行机构（伺服阀或变频器）、反馈装置组成，在这种系统中，PLC系统承担了伺服控制器的功能，大量的伺服控制算法均由PLC实现，应说传统伺服控制主要由PLC完成。而交流伺服结晶器调宽控制系统也是由人机界面、PLC系统、执行机构（MC控制器）、反馈装置组成，在交流伺服控制系统中，MC控制器内部有位置控制单元，主要的伺服算法由MC运动控制器完成，执行单元是MC控制器，MC控制器在系统中实现主要伺服功能，而PLC在系统中，仅仅做一般作用数值计算、数据通讯，不承担伺服控制运算，在结晶器调宽伺服控制系统中伺服控制是由MC运动控制器来完成。
　　
液压伺服控制系统易出现管路漏油、元器件损坏、故障率高的弊端，而且备件昂贵，出现问题难以查找。与液压伺服控制系统相比，交流伺服系统控制精度高、响应快，故障率低，强大报警的功能便于查找问题和处理问题，降低维护工作的强度。
　　
液压伺服控制系统在连铸机拉钢期间可能出现结晶器锥度发生变化，造成的连铸机停拉甚至漏钢的事故。交流伺服系统控制系统中结晶器不可能出现锥度发生变化，所以不会造成生产事故。

结语

结晶器调宽交流伺服控制系统应用以来，表现出优越的控制性能:
　　
控制精度高、操作简单，深受操作人员的好评;
　　
控制系统故障率低，MC控制器强大的报警功能也方便维护人员查找故障，快速解决问题;
　　
避免了连铸机拉钢期间出现结晶器锥度发生变化，造成的连铸机停拉甚至漏钢事故，保证了生产顺利进行。
　　
交流伺服控制在济钢连铸机结晶器调宽系统的成功应用，实现了济钢1700连铸-连轧系统不停机改变铸坯断面的要求，从而为铸坯热装和直接连轧创造了条件，充分满足了轧钢每个单元内多规格的要求，大大提高了连铸及连轧的生产能力和增加金属收得率。