轉爐傾動電氣傳動控制方法
2023-10-22 06:41:02
專利名稱：轉爐傾動電氣傳動控制方法
技術領域：
本發明涉及冶金行業煉鋼工藝轉爐傾動裝置，尤其是涉及用於轉爐傾動裝置的電氣傳動控制系統。
背景技術：
轉爐傾動裝置在冶煉操作中，由於頻繁的啟動、制動和加減速，常常產生劇烈的扭 轉振動，出現強烈的扭振力矩衝擊，這不僅影響轉爐傳動設備的機械壽命，甚至會導致設備 事故。據工藝要求，轉爐的傾動角度為士360°，轉爐爐口和爐底方向軸線與地平面垂直時 為零位狀態，故爐子傾動負載力矩屬於反陰性的位能負載。當爐體處於正力矩狀態時，電動 機處於電動運行狀態，當爐體處於負力矩狀態時，電動機處於回饋制動狀態。為了使轉爐傳動設備處於良好的工作狀態，滿足生產過程中轉矩平衡、動態響應 快、速度控制精確及系統穩定的要求，需要對其傾動裝置採取控制。目前控制轉爐傾動方 案有多種，常用的是一主三從控制方式，但均存在一些諸如轉矩平衡差、主從切換繁瑣等缺 點ο
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種轉爐傾動電氣傳動控制系統及其控制方 法，本發明能夠使多臺傾動電機轉矩保持高度一致，使轉爐傳動設備處於良好的工作狀態， 從而能夠有效地延長機械的使用壽命。本發明解決其技術問題採用的技術方案是轉爐傾動電氣傳動控制方法包括以下步驟1)配置PR0FIBUS-DP網絡，然後運行該控制系統；2) PLC控制器通過其內部程序設置的速度調節器計算出的轉矩指令值發送給變頻 器，變頻器再根據該指令調節其對應的電機；3)傾動速度編碼器檢測各臺電機的實際速度值，並反饋至變頻器；4)變頻器通過PR0FIBUS-DP網絡將各臺電機的實際轉速和轉矩值發送到PLC控制 器，PLC控制器根據這些數據判斷各變頻器是否處於正常狀態；若變頻器工作正常或異常 變頻器的數目小於閾值，則進入下一步；若異常變頻器的數目大於閾值，則停機並轉人工處 理；5) PLC控制器經分析和運算後得到當前系統速度反饋值，再經PLC控制器的速度 調節器計算後，PLC控制器通過PR0FIBUS-DP網絡將轉矩指令值發送給四臺變頻器。本發明與傳統的控制技術相比，具有以下主要的優點其一.由於本系統簡單可靠，可減少人工維護量，降低事故發生率，延長轉爐的使 用壽命。其二.解決了傳統一主三從控制方案各變頻器工作在不同的模式下導致輸出轉 矩有差異的問題，本系統四臺變頻器工作模式相同，各電機轉矩給定值完全一致，真正實現了四臺傾動電機的同步運行。其三.由於不設置主變頻器，擺脫了傳統控制方式對單個變頻器依賴性很高的缺
點ο其四.四臺電機的速度反饋編碼器均反饋至PLC控制器，PLC可以對四個反饋信 號進行監控及比較，防止了由於單個編碼器故障而對系統產生影響的缺點。其五.不再需要進行變頻器的主從選擇和主從切換，簡化了操作步驟和流程，避 免了傳統控制方式下需要停機離線進行主從切換的缺點其六.相比在變頻器中實現速度調節器功能的傳統方式，在PLC控制器中能夠採 用更加複雜和智能的算法。其七.可兼顧速度精度高與轉矩平衡好的優點，減小了對機械的衝擊，易於維護。其八.由於國家經濟的發展，對煉鋼的技術水平和當今的自主化國產化的更高要 求，因此本控制系統具有廣闊的市場前景。綜上所述，本發明具有簡單可靠、控制精度高、動態響應快、無需主從切換和易於 維護等優點。有效地解決了傳統的一主三從控制方式(一個速度控制三個轉矩控制)，或傳 統的利用機械柔性尋找轉矩平衡的控制方式(都作速度控制，不做轉矩同步，只利用機械 柔性來尋找轉矩平衡)，所帶來的諸如轉矩平衡差、動態響應慢和機械損傷較大的缺點。
圖1為本系統所採用的PR0FIBUS-DP網絡配置圖。圖2為本方案的控制結構圖。圖3是以西門子6SE70變頻器為例，提供的傾動電機變頻器電路圖。圖4是速度調節器在PLC控制器內的算法流程圖。
具體實施例方式如圖1所示，轉爐傾動電氣傳動控制系統，包括PLC(可編程邏輯控制器)控制器、 多臺變頻器和傾動速度編碼器，它們之間通過PR0FIBUS-DP(分散型外圍設備過程現場總 線)總線連接在一起。每臺變頻器控制其對應的電動機。如圖2所示，變頻器可採用西門 子6SE70變頻器，變頻器通過CBP2通訊板接入PR0FIBUS-DP總線。上述控制系統的控制方法，包括以下步驟1)配置PR0FIBUS-DP網絡，然後運行該控制系統；2) PLC控制器通過其內部程序設置的速度調節器將轉矩指令值發送給變頻器，變 頻器再根據該指令調節其對應的電機；3)傾動速度編碼器檢測各臺電機的實際速度值，並反饋至變頻器；4)變頻器通過PR0FIBUS-DP網絡將各臺電機的實際轉速和轉矩值發送到PLC控制 器，PLC控制器根據這些數據判斷各變頻器是否處於正常狀態；若變頻器工作正常或異常 變頻器的數目小於閾值，則進入下一步；若異常變頻器的數目大於閾值，則停機並轉人工處 理；5)PLC控制器經分析和運算後得到當前系統速度反饋值，再經PLC控制器的速度 調節器計算後，PLC控制器通過PR0FIBUS-DP網絡將轉矩指令值發送給變頻器.
上述第1)步配置PR0FIBUS-DP網絡的方法為將PLC控制器作為PR0FIBUS-DP網 絡的主站，將變頻器均作為PR0FIBUS-DP網絡的從站，將所有變頻器均設定為轉矩閉環模 式。上述第2)步中，PLC控制器通過數字PID方法實現速度調節器，PID的表達式為下 式T* (k) = T* (k-1) + (KP+KJ) · e (k) -Kp · e (k_l)其中，f (k)為當前轉矩給定值，Τ*(k-1)為過去一拍的轉矩給定值，e(k)為當前速 度誤差，e(k-l)為過去一拍的速度誤差，Kp為比例增益，K1為積分係數，T為可調積分時間常數。上述第4)步具體包括以下步驟401)將傾動設定速度與各臺電機實際轉速值進行比較，如果誤差值在允許範圍之 內進行步驟404)，否則進行步驟402)；402)判斷步驟401)中速度誤差值不滿足要求的電機數量N1，並將其標記為編碼 器故障的變頻器；如果N1數量大於2臺，進入步驟408)；否則進入步驟403)；403)甩掉編碼器故障的電機，並畫面報警，然後進入下一步；404)將傾動轉矩設定值與參與傾動的電機的實際轉矩進行比較，如果誤差值在允 許範圍之內進行步驟407)，否則進行步驟405)；405)判斷不滿足轉矩平衡條件的電機的數量N2,如果N2數量大於2臺，進行408)， 否則進行406)；406)從滿足速度誤差約束條件的變頻器中繼續拋掉不滿足轉矩平衡條件的變頻 器，同時畫面報警，通知檢修人員，然後進入下一步；407)確定最終參與傾動的變頻器，並求它們的轉速平均值，進入PLC控制器的速 度調節器；408)通過PR0FIBUS-DP網絡向所有變頻器發急停信號，並在操作臺上聲光報警。下面結合具體實例對本發明作進一步說明，但不限定本發明。如圖1所示，本發明提供的轉爐傾動電氣傳動控制系統，包括四臺變頻器和由其 分別控制的四臺傾動電機，設有1套PLC控制器，PLC控制器除實現基本的聯鎖控制外還負 責傾動變頻器的速度閉環控制計算；PLC控制器作為主令給定，依據給定的速度及各臺變 頻器的狀態計算出四臺變頻的轉矩給定，併集中處理後，將信號發送至各臺變頻器。各臺變 頻器在整個系統中的地位及工作模式不再有差異，均工作在轉矩閉環模式，每臺變頻器轉 矩給定值大小相等且均等於PLC控制器速度調節器的輸出值。各臺變頻器配備CBP2通訊 板，並且與PLC控制器之間通過PR0FIBUS-DP網絡實現包括轉矩給定、控制字、狀態字的通 訊。由於轉爐傾動過程中四臺電機通過減速機作用在同一個軸上(剛性連接)，首先 就要求四臺電機運行速度一致，在此基礎上又要求四臺電機力矩必須一致(通常說的負荷 平衡)，也就是說四臺電機運行時速度和轉矩必須是同步的。具體措施為(西門子為例)設置1套414-DP主控PLC控制器，各變頻器與PLC控 制器之間通過PR0FIBUS-DP通訊，各變頻器配備CBP2通訊板，諸如轉矩給定、控制字、狀態 字、速度反饋值均通過PR0FIBUS-DP網絡在PLC控制器與變頻器之間傳輸.
四臺變頻器均工作在轉矩閉環控制方式下，在該方式四臺變頻器都接收PLC控制器速度調節器程序計算得到的轉矩作為轉矩設定值，並與電機輸出轉矩比較構成轉矩閉環控制。由於轉矩控制的本質是電流控制，所以轉矩環有極快的動態響應和極高的精度，工程上可以認為電機輸出轉矩始終跟隨轉矩設定值，這樣四臺傾動電機的輸出轉矩就始終保持大小相等，方向一致，這樣就很好的解決了四臺傾動電機負荷平衡的問題。PLC控制器除了通過PR0FIBUS-DP網絡讀取各臺變頻器的狀態字外，還需要讀取4臺電機的實際轉速，在比較4臺電機的實際轉速的偏差小於正常範圍後，將4臺電機的實際轉速值的平均值作為傾動電機速度的反饋值，傾動電機速度的給定值通過PLC控制器的模擬量輸入模塊讀取操作臺的傾動手柄的位置信號得到，利用PLC控制器提供的定時器中斷功能，並採用數字法PID (比例-積分-微分)算法實現速度調節器formula see original document page 6其中，f (k)為當前轉矩給定值，Τ*(k-1)為過去一拍的轉矩給定值，e(k)為當前速度誤差，e(k-l)為過去一拍的速度誤差，Kp為比例增益，K1為積分係數，T為可調積分時間常數。由式(1-1)可看出，只要存在速度誤差信號，調節器輸出值，即轉矩給定值就不斷累加，導致電機將加速，直至轉速反饋值等於轉速設定值，誤差為零，調節器輸出保持恆定值。PLC控制器程序中還設置四臺電機的轉速和轉矩監視模塊，如附圖4所示，程序先比較給定速度和每臺傾動電機的反饋，如果發現某一臺或者兩臺電機的實際速度與給定速度偏差過大，系統判斷該電機故障或編碼器故障，延時後自動拋掉故障的傾動電機，程序繼續比較速度誤差正常的電機的實際轉矩與設定轉矩的誤差，如果某臺電機的誤差大於允許值，則證明轉矩輸出執行機構故障，即變頻器或者電機故障，系統延時後拋掉故障變頻器，在保證有多於2臺電機參與傾動的情況下，在正常工作的幾臺傾動電機中建立轉矩閉環，這就避免傳統主從切換控制方式下因為主電機意外故障而導致這個系統需要停機切換的缺點。如果程序檢測發現有3臺甚至以上速度偏差過大，應該判斷為機械卡住，比如制動器意外抱間，這種情況下應跳轉至停機程序，並通知人工檢查。本發明應用的電源條件電源電壓3AC 380V_15% 460V+10%，電源頻率 50HZ(士6% )。本發明經過測試，可以達到以下的技術參數最大允許輸出頻率在3AC 380V 480V。轉速精度當η > 10%，轉速精度為0. ；當η< 10%，轉速精度為0. 2%。速度上升時間20ms。轉矩線性度 時，轉矩精度為< 2.5%。轉矩上升時間5ms。轉矩波動<2%。下面結合具體附圖對本發明作進一步說明，但不限定本發明。圖1為本系統的PR0FIBUS-DP網絡配置圖，PLC控制器(即PLC櫃)作為PR0FIBUS-DP網絡的主站，四臺傾動變頻器(即1 4號逆變器)均作為PR0FIBUS-DP網絡的從站，各臺變頻器不再需要通過模擬量接口通道或是SIMOLINK連接方式交換數據，各臺變頻器統一將被其控制的傾動電機的狀態字，轉速、電流、轉矩等信號通過該PROFIBUS-DP 網絡上傳至PLC控制器，並接收經過PLC控制器集中比較、分析和運算後的控制字和給定轉
矩信號。圖2為本系統控制結構框圖，傾動速度編碼器檢測各臺電機實際速度值並反饋至變頻器，變頻器通過PR0FIBUS-DP網絡將各臺電機的實際轉速和轉矩值發送到主控PLC， PLC程序根據這些數據判斷系統是否處於正常狀態，並由此決定下一步的動作(詳見圖4 說明)，經分析和運算後得到當前系統速度反饋值，經速度調節器計算後，PLC控制器通過 PR0FIBUS-DP網絡將轉矩指令值發送給各臺變頻器。四臺變頻器不再區分主從關係，均工 作在相同的轉矩閉環模式，轉矩給定值完全相等。各臺變頻器控制各自的傾動電機統一按 照PLC系統指令的轉矩出力，只要速度環存在誤差信號，轉矩指令值就會不斷增加，直到增 加至等於負載轉矩，轉速誤差為零，系統達到平衡狀態，圖3為傾動電機變頻器電路圖(以西門子6SE70變頻器為例)，其中DC24V電源為變頻器外接直流24V電源。CBP2為PR0FIBUS-DP通訊板，它用於通過TOOFIBUS-DP網絡把 SIMOVERTMASTERDRIVES連接到更高層的自動化系統。Bll為電機速度反饋編碼器，是反饋 電機運行速度的必要設備。急停和制動單元故障信號直接通過硬線連接至變頻器數字量輸 入引腳。圖4為PLC控制器轉速和轉矩監控功能模塊程序圖，進入中斷程序後按以下步驟進行401)將傾動設定速度與各臺電機實際轉速值進行比較，如果誤差值在允許範圍之內進行步驟404)，否則進行步驟402)。即若v*-vn| <emax，則進行404)，否則進行402)，其 中/為當前速度給定值，Vn為當前速度實際值，efflax為速度的最大誤差。402)判斷步驟401)中速度誤差值不滿足要求的電機數量N1，並將其標記為編碼器故障的變頻器；如果N1數量大於2臺，說明機械上卡住導致速度無法達到設定值，進入步 驟408)；否則進入步驟403)。若0< N1 <2，說明電機速度反饋編碼器故障。403)甩掉編碼器故障的電機，並畫面報警，然後進入下一步。404)將傾動轉矩設定值與參與傾動的電機的實際轉矩進行比較，如果誤差值在允許範圍之內進行步驟407)，否則進行步驟405)。即若|T*-Tn| < Temax，進入407)，否則進入 405)，其中f為當前轉矩給定值，Tn為當前轉矩實際值，Traiax為轉矩的最大誤差。轉矩誤差 過大說明傾動執行機構(變頻器或電機)的調節能力欠佳或故障。405)判斷不滿足轉矩平衡條件的電機的數量N2,如果N2數量大於2臺，進行408)， 否則進行406)；406)從滿足速度誤差約束條件的變頻器中繼續拋掉不滿足轉矩平衡條件的變頻器，同時畫面報警，通知檢修人員，然後進入下一步；407)確定最終參與傾動的變頻器，並求它們的轉速平均值V，進入PLC控制器的速度調節器，速度調節器使用比例_積分算法。408)停機過程，傾動速度值給定為零，PLC控制器通過PR0FIBUS-DP網絡向所有變頻器發急停信號，變頻器分閘，制動器抱閘，並在操作臺上聲光報警。最後所應說明的是，以上實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發 明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
轉爐傾動電氣傳動控制方法，其特徵在於包括以下步驟1)配置PROFIBUS-DP網絡，然後運行該控制系統；2)PLC控制器通過其內部程序設置的速度調節器計算出的轉矩指令值發送給變頻器，變頻器再根據該指令調節其對應的電機；3)傾動速度編碼器檢測各臺電機的實際速度值，並反饋至變頻器；4)變頻器通過PROFIBUS-DP網絡將各臺電機的實際轉速和轉矩值發送到PLC控制器，PLC控制器根據這些數據判斷各變頻器是否處於正常狀態；若變頻器工作正常或異常變頻器的數目小於閾值，則進入下一步；若異常變頻器的數目大於閾值，則停機並轉人工處理；5)PLC控制器經分析和運算後得到當前系統速度反饋值，再經PLC控制器的速度調節器計算後，PLC控制器通過PROFIBUS-DP網絡將轉矩指令值發送給變頻器。
2.根據權利要求1所述的控制方法，其特徵在於1)步配置PROFIBUS-DP網絡的方法 為將PLC控制器作為PROFIBUS-DP網絡的主站，將變頻器作為PROFIBUS-DP網絡的從站， 將變頻器均設定為轉矩閉環模式。
3.根據權利要求1所述的控制方法，其特徵在於2)步中，PLC控制器通過數字PID方 法實現速度調節器，PID的表達式為下式T*(k) = T*(k-l) + (Kp+KJ) · e(k)-KP · e(k_l)，其中，T*(k)為當前轉矩給定值，Τ*(k-1)為過去一拍的轉矩給定值，e(k)為當前速度誤 差，e(k-l)為過去一拍的速度誤差，Kp為比例增益，K1為積分係數，T為可調積分時間常數。
4.根據權利要求1所述的控制方法，其特徵在於4)步具體包括以下步驟401)將傾動設定速度與各臺電機實際轉速值進行比較，如果誤差值在允許範圍之內進 行步驟404)，否則進行步驟402)；402)判斷步驟401)中速度誤差值不滿足要求的電機數量N1，並將其標記為編碼器故 障的變頻器；如果N1數量大於2臺，進入步驟408)；否則進入步驟403)；403)甩掉編碼器故障的電機，並畫面報警，然後進入下一步；404)將傾動轉矩設定值與參與傾動的電機的實際轉矩進行比較，如果誤差值在允許範 圍之內進行步驟407)，否則進行步驟405)；405)判斷不滿足轉矩平衡條件的電機的數量N2,如果N2數量大於2臺，進行408)，否 則進行406)；406)從滿足速度誤差約束條件的變頻器中繼續拋掉不滿足轉矩平衡條件的變頻器，同 時畫面報警，通知檢修人員，然後進入下一步；407)確定最終參與傾動的變頻器，並求它們的轉速平均值，進入PLC控制器的速度調 節器；408)通過PROFIBUS-DP網絡向所有變頻器發急停信號，並在操作臺上聲光報警。
全文摘要
本發明提供了一種轉爐傾動電氣傳動控制方法，包括1)配置網絡，然後運行該控制系統；2)PLC控制器將轉矩指令值發送給變頻器，變頻器再根據該指令調節其對應的電機；3)傾動速度編碼器檢測各臺電機的實際速度值，並反饋至變頻器；4)變頻器通過網絡將各臺電機的實際轉速和轉矩值發送到PLC控制器，PLC控制器根據這些數據判斷各變頻器是否處於正常狀態；5)PLC控制器經分析和運算後得到當前系統速度反饋值，再經PLC控制器的速度調節器計算後，PLC控制器通過網絡將轉矩指令值發送給四臺變頻器。本發明使轉爐傳動設備處於良好的工作狀態，從而能夠有效地延長機械的使用壽命。
文檔編號G05B19/418GK101798615SQ20091027346
公開日2010年8月11日 申請日期2009年12月29日 優先權日2009年12月29日
發明者蘇瑞淼, 蔡煒, 陳澤望 申請人:中冶南方工程技術有限公司