一種無縫鋼管連軋機組芯棒限動小車的控制系統及其控制方法與流程

2023-05-15 04:11:37 1

本發明屬於電氣及自動化技術領域，尤其是一種無縫鋼管連軋機組芯棒限動小車的控制系統及其控制方法。

背景技術：

無縫鋼管熱連軋機按芯棒運行方式的不同，可分為全浮動芯棒連軋管機(MM)、半浮動芯棒連軋管機(Neuval)和限動芯棒連軋管機(MPM)三種類型。限動芯棒連軋管機的應用，降低了設備成本，克服了芯棒長度和重量的限制，改善了鋼管質量，並使生產出的鋼管直徑和長度都顯著地增加。

限動芯棒就是軋制時芯棒以限定速度控制運行。在每一個軋制周期內，都包含一個芯棒速度變化的周期，即芯棒的速度制度，其一般原則為：高速穿棒、高速回退和合適的限動速度。採用高速穿棒和回退是為了縮短軋制周期，提高節奏，減小溫降。使用直流電機和單臺傳動電機的控制方法，因轉動慣量等限制而無法達到所要求的加減速時間，而無法有效保證軋制效果。鑑於限動系統工藝的特殊性，本方案採用4臺交流異步電機並聯驅動的主從控制方法。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的不足之處，提供一種無縫鋼管連軋機組芯棒限動小車的控制系統及控制方法，縮短限動系統加減速時間，安全可靠，提升效率。

本發明解決其技術問題是採取以下技術方案實現的：

一種無縫鋼管連軋機組芯棒限動小車的控制系統，包括限動齒條、支撐滑輪以及傳動齒輪，限位齒條中部橫向間隔均布安裝有多個支撐滑輪，支撐滑輪限位滑動安裝在軋制線上，其特徵在於：限動齒條的上、下兩側均為連續的齒形結構，限動齒條的上、下兩側分別間隔設置有兩個傳動齒輪，每個傳動齒輪均安裝有一臺電機進行驅動，該四臺電機驅動限位齒輪從而帶動限位齒條沿軋制線的前、後運動；

每臺電機均連接有一逆變裝置，每臺逆變裝置串聯一整流/回饋裝置，整流/回饋裝置均通過整流變壓器連接主電路，該四臺電機並聯驅動。

而且，所述電機的控制系統均採用兩臺S120逆變裝置並聯驅動，每臺逆變裝置900KW，並聯後額定電流約1730A，最大電流約2500A。

而且，所述電機為交流異步電機，最高電壓為660V，對應的轉速是821rpm，在821～1600rpm轉速段進入弱磁調速。

而且，控制系統有兩個控制單元，該兩個控制單元分別設定為主控制單元和從控制單元，主控制單元控制兩臺電機，從控制單元控制兩臺電機，主控制單元連接PLC，主控制單元與從控制單元之間通過通信模塊連接，完成四臺電機的轉矩分配，使四臺電機中，一臺電機控制系統作為主電機工作在速度環，其餘三臺電機作為從電機接收來自主電機的轉矩給定值工作在轉矩環。

而且，所述主、從控制單元均採用CU320-2DP模塊，通信模塊選用兩塊CBE20選件板進行SIMANICS Link通訊，實現兩個控制單元之間的高速通訊。

而且，主電機接收PLC發出的快停信號，三臺從電機不接收快停信號，四臺電機在快停過程中仍保持主從控制；在系統停車後，將從電機的合閘信號撤銷。

本發明的優點和積極效果是：

本發明通過該主從控制方式，保證了四臺電機的轉矩平衡分配，該芯棒限動控制系統運行穩定，故障率低，最快生產周期達到了30s，日產量最高超過了2000噸，達到了預期控制效果。

附圖說明

圖1：芯棒限動齒條的結構簡圖；

圖2：限動芯棒運行曲線示意圖，其中橫坐標為時間，縱坐標為速度；

圖3：芯棒限動電控系統單線圖；

圖4：限動電機轉矩實際值對比曲線，從上到下依次為1號至4號電機；

圖5：限動電機運行速度和轉矩實際值曲線，三條曲線從上到下依次為來自PLC的速度給定值，速度實際值和轉矩實際值。

具體實施方式

下面結合附圖並通過具體實施例對本發明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發明的保護範圍。

一種無縫鋼管連軋機組芯棒限動小車的控制系統，如圖1所示，限動小車的控制系統包括限動齒條2、支撐滑輪3以及傳動齒輪1，限動齒條長度達25.6m、重40t，限位齒條中部橫向間隔均布安裝有多個支撐滑輪，支撐滑輪限位滑動安裝在軋制線上；齒條的前端4設有芯棒，齒條的尾端安裝夾持卡爪，可快速夾緊、鬆開芯棒；

限動齒條的上、下兩側均為連續的齒形結構，限動齒條的上、下兩側分別間隔設置有兩個傳動齒輪，每個傳動齒輪均驅動安裝有一個交流異步電機，該四臺電機驅動限位齒輪帶動限位齒條沿軋制線的前、後運動。

該四臺電機的驅動均採用西門子SINAMICS S120系列變頻裝置，以實現高精度的矢量控制，為了滿足電機基速以下過載1.55倍的要求，每臺電機的控制系統採用兩臺S120逆變裝置並聯驅動，每臺逆變裝置900KW，並聯後額定電流約1730A，最大電流約2500A。

每臺電機均連接有一逆變裝置，每臺逆變裝置串聯一整流/回饋裝置，整流/回饋裝置均通過整流變壓器連接主電路。

按照生產線的工藝要求，限動芯棒的最大前進速度為2.7m/s，最大返回速度為4.5m/s，最大加速度3m/s2；為了達到此要求，限動齒條的傳動採用四臺交流異步電機並聯驅動，以減小電機的轉動慣量。

由於限動系統工藝的特殊性，既要求電機在低速限動段有較高的轉矩，又要求在高速回退段較高的速度，所以電機採用特殊定製電機。定製電機的參數如表1所示。

表1限動電機參數表

由電機參數可知，電機轉速在450rpm以下時，電機電壓在370V以下，電流為1351A；電機的最高電壓為660V，對應的轉速是821rpm，在821～1600rpm轉速段進入弱磁調速。

限動芯棒齒條傳動電機為四套相互獨立的傳動系統，由於四個傳動齒輪在齒條側的剛性嚙合，電機的速度必須相同，如果四臺電機都作為獨立的速度控制，在運行過程中每臺電機的轉矩難以保證均衡一致。

本系統採用一個速度環，三個轉矩環的主從控制結構，既要保證整個系統的速度同步，又要保證電機的力矩均衡。

系統的控制方法：

控制系統包括有兩個控制單元，每個控制單元控制兩臺電機，兩個控制單元分別設定為主控制單元(Cu_Master)和從控制單元(Cu_Slave)，其中，主控制單元控制1號和2號電機兩臺電機，從控制單元控制限動3號和限動4號電機兩臺電機，主控制單元連接PLC，主控制單元與從控制單元之間通過通信模塊連接，完成四臺電機的轉矩分配，實現主從控制。

主、從控制單元均採用CU320-2DP模塊，選用兩塊CBE20選件板進行SIMANICS Link通訊，實現兩個控制單元之間的高速通訊。該通訊的主要任務，一是完成四臺電機的轉矩分配，實現主從控制；二是完成兩臺控制單元以及四臺電機的故障連鎖。

傳動控制：

由於四臺電機軸輸出端的剛性連接，傳動系統進行一主三從的同步控制，以實現轉矩的平均分配。選擇1號電機控制系統作為主，工作在速度環；其他3臺電機控制系統接收來自主電機的轉矩給定值，工作在轉矩環；轉矩的給定值選擇總轉矩設定r79。

快停控制：

由於限動裝置帶動齒條往復運行，在異常狀態下若不能及時停止，極有可能引起撞擊，損壞設備。為此，需要對電機的快停，急停等進行特殊處理。在快停時，為保證四套系統的轉矩平衡，只有主電機接收快停信號，三臺從電機不接收來自PLC的快停信號，以使四套裝置在快停過程中仍保持主從控制；在系統停車後，再將從裝置的合閘信號撤銷。

急停功能在該系統中被禁止。

通過該控制方式，保證了四臺電機的轉矩平衡分配，達到了主從控制的效果。

儘管為說明目的公開了本發明的實施例和附圖，但是本領域的技術人員可以理解：在不脫離本發明及所附權利要求的精神和範圍內，各種替換、變化和修改都是可能的，因此，本發明的範圍不局限於實施例和附圖所公開的內容。