羅克韋爾自動化變頻器及控制系統在鍊鋼廠200噸鑄造吊車上的應用

鑄造起重機用於冶金行業，其工作任務是為冶鍊爐運送鋼水。一般有5大機構：主起升，副起升、大車、主小車、副小車機構。由於起重機的位能負荷特性有更為苛刻的安全要求，各機構的大轉動慣量、短時工作、頻繁的起制動運行，對調速方案更加苛刻，近十年來隨著直接力矩控制理論的成熟及大功率矢量變頻器的成功製造，使得變頻調速技術在起重機上得以成功應用。但是，當採用變頻器傳動的起升機構拖動位能性負載下放或平移機構急減速、順風運行時，非同步電動機將處於再生髮電狀態，以往大部分都通過在中間直流迴路設置電阻器，讓連續再生能量通過電阻器以發熱的形式消耗掉，這種方式稱為動力制動。本文介紹了採訪羅克韋爾自動化PowerFlex 700S變頻器及控制系統在鍊鋼廠200噸鑄造吊車上的應用，同時由於採用羅克韋爾自動化的集成架構控制系統及軟體，設計和調試都變得更簡單，為用戶節省了時間和人力。

2冶金起重機系統簡介

本起重機為“冶金鑄造起重機”，代號為“YZ200/65t-19m A7”。主鉤負荷200噸，副鉤負荷65噸，跨度為19m，為四梁結構，分上下小車。

主起升部分包括兩台250kW電機，三台減速機；每一台電機有兩個制動器，制動器形式為液壓推桿式；此主起升機構的減速機為冶金鑄造用棘輪棘爪減速機，兩台電機輸出到棘輪棘爪減速機，再通過棘輪棘爪減速機輸出到兩台普通減速機，通過兩台普通減速機控制兩台鋼絲繩捲筒，每個捲筒上安裝兩根鋼絲繩，總計四根，通過四根鋼絲繩帶動下面的吊具（吊鋼包的板鉤）。副起升為一台160kW電機驅動，利用兩台液壓推桿減速機進行制動。

主小車部分為兩台22kW電機分別驅動兩邊的減速機以帶動車輪旋轉，通過每台電機一個液壓推桿制動器進行制動。副小車運行電機為一台15kW電機帶動一台減速機進行驅動兩邊的車輪進行工作，通過一個制動器進行制動。大車部分為四角四台45kW電機分別驅動四台減速機，帶動各部分的車輪進行工作，每個電機上面一台制動器。

3羅克韋爾自動化PowerFlex 700S變頻器

PowerFlex700S是羅克韋爾自動化公司推出的高性能系統型變頻器，它採用書本式結構設計，零間距安裝（Zero Stacking™)，大大減少了變頻器安裝空間，從而節省大量的盤櫃安裝空間，節約成套成本和安裝成本。內置了輸入EMC濾波器，直流母線電抗器和輸出共模濾波器，同時160kW以下變頻器內置了制動單元，大大方便了用戶的選型。因現場故障而需更換變頻器時，PowerFlex700S的可插拔控制端子排可以幫助客戶輕而易舉地恢復控制線路。虛擬背板概念使得程序具有可移植其他Logix平台的能力，實現NetLinx™體系結構的無縫集成和直接通訊驅動。

PowerFlex 700S採用是自有專利的、FORCETM磁通矢量控制技術，加上速度閉環控制，確保負載始終處於受控狀態。PowerFlex 700S具有TorqProveTM力矩校驗功能，TorqProveTM確保停車后機械報閘可靠的控制負載，和當收到運行命令，機械抱閘打開時變頻器能控制負載；TorqProveTM and Force TechnologyTM幫助消除人們對V/F標量型、傳統矢量型變頻器在抱閘時控制的不定因素的擔憂，並可以解決起重應用中的關鍵問題：

（1）溜鉤保護

當負載移動停止，機械抱閘閉合，變頻器將斜坡降低輸出轉矩，同時監測編碼器反饋，確認負載被控制。如果監測到編碼器反饋有變化(溜鉤)，變頻器會馬上增加輸出轉矩，重新控制負載，按照預先設定的速度下放負載。變頻器會重複以上的周期，直到抱閘能控制負載或負載安全下放到地面。

（2）速度偏離保護（失速保護）

變頻器會連續的監測速度命令和速度反饋，比較其偏差，如果偏差超出所允許的範圍，那麼變頻器將變為故障狀態，同時，抱閘投入工作。

（3）輸出缺相保護

三相輸出接線端被監測，確保輸出每有缺相。一旦TorqProve 使能，這項功能不能被屏閉。

（4）編碼器丟失

變頻器會連續的監測編碼器反饋，確保編碼器工作正常。只要出現編碼器丟失變頻器馬上變為故障狀態，同時，抱閘投入工作。一旦TorqProve使能，這項功能必需使能.

（5）基於負載大小的速度限制

允許高於基速運行（輕載時更快運行）；在基速時測量負載大小，若低於額定負載，則可超速。

PowerFlex 700S變頻器的力矩校驗時序圖如圖1所示。

圖1 力矩校驗時序圖

4冶金起重機系統控制方案

本系統全部採用羅克韋爾自動化公司生產的PowerFlex 700S變頻器，它採用ForceTM磁通矢量控制方式。這種控制方式採用實時計算的電動機轉矩和轉速構成轉矩轉速雙閉環系統，其動、靜態精度高（速度控制精度高達±0.001%，轉矩控制精度高達±2%）；在轉矩響應方面，比非ForceTM控制方式變頻器快許多（轉矩響應響應時間≤5ms），並克服了傳統調速系統和轉矩開環變頻器低速段輸出轉矩不足的問題，其零速轉矩可達200%。這些特點充分保證了位能性負載的要求。

系統具體配置如下：大車行走機構採用兩台變頻器，分別驅動一台電動機。其中一台為主機，另一台為從機。利用主從應用軟體，保證兩台電動機的速度同步和負荷平衡，防止大梁扭動和啃軌。小車機構變頻器採用一台變頻器。主起升機構和副起升機構，分別採用一台變頻器，並分別採用一台光電編碼器，做速度反饋和控制檢測用。系統採用能耗制動的方式將連續再生能量消耗點實現制動。所有變頻器配有各類標準的現場匯流排介面。大車和小車的控制系統圖如圖2所示，主鉤和副鉤的控制系統圖如圖3所示。

圖2 大車和小車的控制系統圖

圖3 主鉤和副鉤的控制系統圖

兩台主起升變頻器採用主從方式，通過光纖通訊方式傳遞力矩信號，採用力矩跟隨的方法保證兩台電機出力均勻。採用力矩跟隨方式作負荷分配具有力矩分配精度高、動態響應快、調速範圍寬等優點。力矩跟隨方式示意圖如圖4所示。

圖4 力矩跟隨方式示意圖

本系統採用Compact Logix作為核心控制器，採用工業控制現場匯流排，將PLC、遠程I/O、各機構變頻器、觸摸屏聯結起來，減少電纜投資，減少接線和維護工作量，減少故障點。遠程I/O和觸摸屏安裝於司機室。接受操作人員的指令，顯示系統各種工況信息，以利於操作人員監視、操作和方便維護人員故障診斷與維修。PLC安裝於控制櫃內。接收現場檢測器件的狀態信息、變頻器等狀態信息，控制系統運行。plc控制櫃、變頻控制櫃，以及電阻制動櫃安放在大樑上。

5結束語

本系統採用採用羅克韋爾自動化公司的Compact Logix作為核心控制器，與PowerFlex 700S高性能系統型變頻器一起組成一個高可靠性的系統，該冶金鑄造起重機經一次調試成功，整機設備運行良好，完全能夠滿足客戶的生產需求。目前，此系統在實際工作環境中運行良好，十分穩定。