CN101798615A - 转炉倾动电气传动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种转炉倾动电气传动控制方法，包括：1)配置网络，然后运行该控制系统；2)PLC控制器将转矩指令值发送给变频器，变频器再根据该指令调节其对应的电机；3)倾动速度编码器检测各台电机的实际速度值，并反馈至变频器；4)变频器通过网络将各台电机的实际转速和转矩值发送到PLC控制器，PLC控制器根据这些数据判断各变频器是否处于正常状态；5)PLC控制器经分析和运算后得到当前系统速度反馈值，再经PLC控制器的速度调节器计算后，PLC控制器通过网络将转矩指令值发送给四台变频器。本发明使转炉传动设备处于良好的工作状态，从而能够有效地延长机械的使用寿命。

Description

转炉倾动电气传动控制方法

技术领域

本发明涉及冶金行业炼钢工艺转炉倾动装置，尤其是涉及用于转炉倾动装置的电气传动控制系统。

背景技术

转炉倾动装置在冶炼操作中，由于频繁的启动、制动和加减速，常常产生剧烈的扭转振动，出现强烈的扭振力矩冲击，这不仅影响转炉传动设备的机械寿命，甚至会导致设备事故。据工艺要求，转炉的倾动角度为±360°，转炉炉口和炉底方向轴线与地平面垂直时为零位状态，故炉子倾动负载力矩属于反阴性的位能负载。当炉体处于正力矩状态时，电动机处于电动运行状态，当炉体处于负力矩状态时，电动机处于回馈制动状态。

为了使转炉传动设备处于良好的工作状态，满足生产过程中转矩平衡、动态响应快、速度控制精确及系统稳定的要求，需要对其倾动装置采取控制。目前控制转炉倾动方案有多种，常用的是一主三从控制方式，但均存在一些诸如转矩平衡差、主从切换繁琐等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种转炉倾动电气传动控制系统及其控制方法，本发明能够使多台倾动电机转矩保持高度一致，使转炉传动设备处于良好的工作状态，从而能够有效地延长机械的使用寿命。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

转炉倾动电气传动控制方法包括以下步骤：

1)配置PROFIBUS-DP网络，然后运行该控制系统；

2)PLC控制器通过其内部程序设置的速度调节器计算出的转矩指令值发送给变频器，变频器再根据该指令调节其对应的电机；

3)倾动速度编码器检测各台电机的实际速度值，并反馈至变频器；

4)变频器通过PROFIBUS-DP网络将各台电机的实际转速和转矩值发送到PLC控制器，PLC控制器根据这些数据判断各变频器是否处于正常状态；若变频器工作正常或异常变频器的数目小于阈值，则进入下一步；若异常变频器的数目大于阈值，则停机并转人工处理；

5)PLC控制器经分析和运算后得到当前系统速度反馈值，再经PLC控制器的速度调节器计算后，PLC控制器通过PROFIBUS-DP网络将转矩指令值发送给四台变频器。

本发明与传统的控制技术相比，具有以下主要的优点：

其一.由于本系统简单可靠，可减少人工维护量，降低事故发生率，延长转炉的使用寿命。

其二.解决了传统一主三从控制方案各变频器工作在不同的模式下导致输出转矩有差异的问题，本系统四台变频器工作模式相同，各电机转矩给定值完全一致，真正实现了四台倾动电机的同步运行。

其三.由于不设置主变频器，摆脱了传统控制方式对单个变频器依赖性很高的缺点。

其四.四台电机的速度反馈编码器均反馈至PLC控制器，PLC可以对四个反馈信号进行监控及比较，防止了由于单个编码器故障而对系统产生影响的缺点。

其五.不再需要进行变频器的主从选择和主从切换，简化了操作步骤和流程，避免了传统控制方式下需要停机离线进行主从切换的缺点

其六.相比在变频器中实现速度调节器功能的传统方式，在PLC控制器中能够采用更加复杂和智能的算法。

其七.可兼顾速度精度高与转矩平衡好的优点，减小了对机械的冲击，易于维护。

其八.由于国家经济的发展，对炼钢的技术水平和当今的自主化国产化的更高要求，因此本控制系统具有广阔的市场前景。

综上所述，本发明具有简单可靠、控制精度高、动态响应快、无需主从切换和易于维护等优点。有效地解决了传统的一主三从控制方式(一个速度控制三个转矩控制)，或传统的利用机械柔性寻找转矩平衡的控制方式(都作速度控制，不做转矩同步，只利用机械柔性来寻找转矩平衡)，所带来的诸如转矩平衡差、动态响应慢和机械损伤较大的缺点。

附图说明

图1为本系统所采用的PROFIBUS-DP网络配置图。

图2为本方案的控制结构图。

图3是以西门子6SE70变频器为例，提供的倾动电机变频器电路图。

图4是速度调节器在PLC控制器内的算法流程图。

具体实施方式

如图1所示，转炉倾动电气传动控制系统，包括PLC(可编程逻辑控制器)控制器、多台变频器和倾动速度编码器，它们之间通过PROFIBUS-DP(分散型外围设备过程现场总线)总线连接在一起。每台变频器控制其对应的电动机。如图2所示，变频器可采用西门子6SE70变频器，变频器通过CBP2通讯板接入PROFIBUS-DP总线。

上述控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1)配置PROFIBUS-DP网络，然后运行该控制系统；

2)PLC控制器通过其内部程序设置的速度调节器将转矩指令值发送给变频器，变频器再根据该指令调节其对应的电机；

3)倾动速度编码器检测各台电机的实际速度值，并反馈至变频器；

4)变频器通过PROFIBUS-DP网络将各台电机的实际转速和转矩值发送到PLC控制器，PLC控制器根据这些数据判断各变频器是否处于正常状态；若变频器工作正常或异常变频器的数目小于阈值，则进入下一步；若异常变频器的数目大于阈值，则停机并转人工处理；

5)PLC控制器经分析和运算后得到当前系统速度反馈值，再经PLC控制器的速度调节器计算后，PLC控制器通过PROFIBUS-DP网络将转矩指令值发送给变频器。

上述第1)步配置PROFIBUS-DP网络的方法为：将PLC控制器作为PROFIBUS-DP网络的主站，将变频器均作为PROFIBUS-DP网络的从站，将所有变频器均设定为转矩闭环模式。

上述第2)步中，PLC控制器通过数字PID方法实现速度调节器，PID的表达式为下式：

T^*(k)＝T^*(k-1)+(K_P+K_IT)·e(k)-K_P·e(k-1)

其中，T^*(k)为当前转矩给定值，T^*(k-1)为过去一拍的转矩给定值，e(k)为当前速度误差，e(k-1)为过去一拍的速度误差，K_P为比例增益，K_I为积分系数，T为可调积分时间常数。

上述第4)步具体包括以下步骤：

401)将倾动设定速度与各台电机实际转速值进行比较，如果误差值在允许范围之内进行步骤404)，否则进行步骤402)；

402)判断步骤401)中速度误差值不满足要求的电机数量N₁，并将其标记为编码器故障的变频器；如果N₁数量大于2台，进入步骤408)；否则进入步骤403)；

403)甩掉编码器故障的电机，并画面报警，然后进入下一步；

404)将倾动转矩设定值与参与倾动的电机的实际转矩进行比较，如果误差值在允许范围之内进行步骤407)，否则进行步骤405)；

405)判断不满足转矩平衡条件的电机的数量N₂，如果N₂数量大于2台，进行408)，否则进行406)；

406)从满足速度误差约束条件的变频器中继续抛掉不满足转矩平衡条件的变频器，同时画面报警，通知检修人员，然后进入下一步；

407)确定最终参与倾动的变频器，并求它们的转速平均值，进入PLC控制器的速度调节器；

408)通过PROFIBUS-DP网络向所有变频器发急停信号，并在操作台上声光报警。

下面结合具体实例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

如图1所示，本发明提供的转炉倾动电气传动控制系统，包括四台变频器和由其分别控制的四台倾动电机，设有1套PLC控制器，PLC控制器除实现基本的联锁控制外还负责倾动变频器的速度闭环控制计算；PLC控制器作为主令给定，依据给定的速度及各台变频器的状态计算出四台变频的转矩给定，并集中处理后，将信号发送至各台变频器。各台变频器在整个系统中的地位及工作模式不再有差异，均工作在转矩闭环模式，每台变频器转矩给定值大小相等且均等于PLC控制器速度调节器的输出值。各台变频器配备CBP2通讯板，并且与PLC控制器之间通过PROFIBUS-DP网络实现包括转矩给定、控制字、状态字的通讯。

由于转炉倾动过程中四台电机通过减速机作用在同一个轴上(刚性连接)，首先就要求四台电机运行速度一致，在此基础上又要求四台电机力矩必须一致(通常说的负荷平衡)，也就是说四台电机运行时速度和转矩必须是同步的。

具体措施为(西门子为例)：设置1套414-DP主控PLC控制器，各变频器与PLC控制器之间通过PROFIBUS-DP通讯，各变频器配备CBP2通讯板，诸如转矩给定、控制字、状态字、速度反馈值均通过PROFIBUS-DP网络在PLC控制器与变频器之间传输。

四台变频器均工作在转矩闭环控制方式下，在该方式四台变频器都接收PLC控制器速度调节器程序计算得到的转矩作为转矩设定值，并与电机输出转矩比较构成转矩闭环控制。由于转矩控制的本质是电流控制，所以转矩环有极快的动态响应和极高的精度，工程上可以认为电机输出转矩始终跟随转矩设定值，这样四台倾动电机的输出转矩就始终保持大小相等，方向一致，这样就很好的解决了四台倾动电机负荷平衡的问题。

PLC控制器除了通过PROFIBUS-DP网络读取各台变频器的状态字外，还需要读取4台电机的实际转速，在比较4台电机的实际转速的偏差小于正常范围后，将4台电机的实际转速值的平均值作为倾动电机速度的反馈值，倾动电机速度的给定值通过PLC控制器的模拟量输入模块读取操作台的倾动手柄的位置信号得到，利用PLC控制器提供的定时器中断功能，并采用数字法PID(比例-积分-微分)算法实现速度调节器：

T^*(k)＝T^*(k-1)+(K_P+K_IT)·e(k)-K_P·e(k-1)       (1-1)

其中，T^*(k)为当前转矩给定值，T^*(k-1)为过去一拍的转矩给定值，e(k)为当前速度误差，e(k-1)为过去一拍的速度误差，K_P为比例增益，K_I为积分系数，T为可调积分时间常数。

由式(1-1)可看出，只要存在速度误差信号，调节器输出值，即转矩给定值就不断累加，导致电机将加速，直至转速反馈值等于转速设定值，误差为零，调节器输出保持恒定值。

PLC控制器程序中还设置四台电机的转速和转矩监视模块，如附图4所示，程序先比较给定速度和每台倾动电机的反馈，如果发现某一台或者两台电机的实际速度与给定速度偏差过大，系统判断该电机故障或编码器故障，延时后自动抛掉故障的倾动电机，程序继续比较速度误差正常的电机的实际转矩与设定转矩的误差，如果某台电机的误差大于允许值，则证明转矩输出执行机构故障，即变频器或者电机故障，系统延时后抛掉故障变频器，在保证有多于2台电机参与倾动的情况下，在正常工作的几台倾动电机中建立转矩闭环，这就避免传统主从切换控制方式下因为主电机意外故障而导致这个系统需要停机切换的缺点。如果程序检测发现有3台甚至以上速度偏差过大，应该判断为机械卡住，比如制动器意外抱闸，这种情况下应跳转至停机程序，并通知人工检查。

本发明应用的电源条件：电源电压3AC 380V-15％～460V+10％，电源频率50HZ(±6％)。

本发明经过测试，可以达到以下的技术参数：

最大允许输出频率：在3AC 380V～480V。

转速精度：当n＞10％，转速精度为0.1％；当n＜10％，转速精度为0.2％。

速度上升时间：20ms。

转矩线性度：＜1％。

转矩精度：在恒磁范围，n＞1％时，转矩精度为＜2.5％。

转矩上升时间：5ms。

转矩波动：＜2％。

下面结合具体附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

图1为本系统的PROFIBUS-DP网络配置图，PLC控制器(即PLC柜)作为PROFIBUS-DP网络的主站，四台倾动变频器(即1～4号逆变器)均作为PROFIBUS-DP网络的从站，各台变频器不再需要通过模拟量接口通道或是SIMOLINK连接方式交换数据，各台变频器统一将被其控制的倾动电机的状态字，转速、电流、转矩等信号通过该PROFIBUS-DP网络上传至PLC控制器，并接收经过PLC控制器集中比较、分析和运算后的控制字和给定转矩信号。

图2为本系统控制结构框图，倾动速度编码器检测各台电机实际速度值并反馈至变频器，变频器通过PROFIBUS-DP网络将各台电机的实际转速和转矩值发送到主控PLC，PLC程序根据这些数据判断系统是否处于正常状态，并由此决定下一步的动作(详见图4说明)，经分析和运算后得到当前系统速度反馈值，经速度调节器计算后，PLC控制器通过PROFIBUS-DP网络将转矩指令值发送给各台变频器。四台变频器不再区分主从关系，均工作在相同的转矩闭环模式，转矩给定值完全相等。各台变频器控制各自的倾动电机统一按照PLC系统指令的转矩出力，只要速度环存在误差信号，转矩指令值就会不断增加，直到增加至等于负载转矩，转速误差为零，系统达到平衡状态，

图3为倾动电机变频器电路图(以西门子6SE70变频器为例)，其中DC24V电源为变频器外接直流24V电源。CBP2为PROFIBUS-DP通讯板，它用于通过PROFIBUS-DP网络把SIMOVERTMASTERDRIVES连接到更高层的自动化系统。B11为电机速度反馈编码器，是反馈电机运行速度的必要设备。急停和制动单元故障信号直接通过硬线连接至变频器数字量输入引脚。

图4为PLC控制器转速和转矩监控功能模块程序图，进入中断程序后按以下步骤进行：

401)将倾动设定速度与各台电机实际转速值进行比较，如果误差值在允许范围之内进行步骤404)，否则进行步骤402)。即若|v^*-v_n|＜e_max，则进行404)，否则进行402)，其中v^*为当前速度给定值，v_n为当前速度实际值，e_max为速度的最大误差。

402)判断步骤401)中速度误差值不满足要求的电机数量N₁，并将其标记为编码器故障的变频器；如果N₁数量大于2台，说明机械上卡住导致速度无法达到设定值，进入步骤408)；否则进入步骤403)。若0＜N₁≤2，说明电机速度反馈编码器故障。

403)甩掉编码器故障的电机，并画面报警，然后进入下一步。

404)将倾动转矩设定值与参与倾动的电机的实际转矩进行比较，如果误差值在允许范围之内进行步骤407)，否则进行步骤405)。即若|T^*-T_n|＜T_emax，进入407)，否则进入405)，其中T^*为当前转矩给定值，T_n为当前转矩实际值，T_emax为转矩的最大误差。转矩误差过大说明倾动执行机构(变频器或电机)的调节能力欠佳或故障。

405)判断不满足转矩平衡条件的电机的数量N₂，如果N₂数量大于2台，进行408)，否则进行406)；

406)从满足速度误差约束条件的变频器中继续抛掉不满足转矩平衡条件的变频器，同时画面报警，通知检修人员，然后进入下一步；

407)确定最终参与倾动的变频器，并求它们的转速平均值v，进入PLC控制器的速度调节器，速度调节器使用比例-积分算法。

408)停机过程，倾动速度值给定为零，PLC控制器通过PROFIBUS-DP网络向所有变频器发急停信号，变频器分闸，制动器抱闸，并在操作台上声光报警。

最后所应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.转炉倾动电气传动控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)配置PROFIBUS-DP网络，然后运行该控制系统；

2)PLC控制器通过其内部程序设置的速度调节器计算出的转矩指令值发送给变频器，变频器再根据该指令调节其对应的电机；

3)倾动速度编码器检测各台电机的实际速度值，并反馈至变频器；

4)变频器通过PROFIBUS-DP网络将各台电机的实际转速和转矩值发送到PLC控制器，PLC控制器根据这些数据判断各变频器是否处于正常状态；若变频器工作正常或异常变频器的数目小于阈值，则进入下一步；若异常变频器的数目大于阈值，则停机并转人工处理；

5)PLC控制器经分析和运算后得到当前系统速度反馈值，再经PLC控制器的速度调节器计算后，PLC控制器通过PROFIBUS-DP网络将转矩指令值发送给变频器。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于1)步配置PROFIBUS-DP网络的方法为：将PLC控制器作为PROFIBUS-DP网络的主站，将变频器作为PROFIBUS-DP网络的从站，将变频器均设定为转矩闭环模式。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于2)步中，PLC控制器通过数字PID方法实现速度调节器，PID的表达式为下式：

T^*(k)＝T^*(k-1)+(K_p+K_IT)·e(k)-K_P·e(k-1)，

其中，T^*(k)为当前转矩给定值，T^*(k-1)为过去一拍的转矩给定值，e(k)为当前速度误差，e(k-1)为过去一拍的速度误差，K_p为比例增益，K_I为积分系数，T为可调积分时间常数。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于4)步具体包括以下步骤：

401)将倾动设定速度与各台电机实际转速值进行比较，如果误差值在允许范围之内进行步骤404)，否则进行步骤402)；

402)判断步骤401)中速度误差值不满足要求的电机数量N₁，并将其标记为编码器故障的变频器；如果N₁数量大于2台，进入步骤408)；否则进入步骤403)；

403)甩掉编码器故障的电机，并画面报警，然后进入下一步；

404)将倾动转矩设定值与参与倾动的电机的实际转矩进行比较，如果误差值在允许范围之内进行步骤407)，否则进行步骤405)；

405)判断不满足转矩平衡条件的电机的数量N₂，如果N₂数量大于2台，进行408)，否则进行406)；

406)从满足速度误差约束条件的变频器中继续抛掉不满足转矩平衡条件的变频器，同时画面报警，通知检修人员，然后进入下一步；

407)确定最终参与倾动的变频器，并求它们的转速平均值，进入PLC控制器的速度调节器；

408)通过PROFIBUS-DP网络向所有变频器发急停信号，并在操作台上声光报警。

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