CN106111929B - 一种圆坯连铸拉矫电机负荷动态分配控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种圆坯连铸拉矫电机负荷动态分配控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种圆坯连铸拉矫电机负荷动态分配控制系统及其控制方法，包括工控机、作为主站的PLC控制器、作为从站的多台变频器、多台直流调速传动装置和多台圆坯连铸拉矫电机，所述工控机通过网络与PLC控制器相连，所述PLC控制器与多台变频器间通过现场总线相连接，所有变频器与所有直流调速传动装置进行一对一通信连接，所述直流调速传动装置与圆坯连铸拉矫电机进行一对一通信连接，进而对拉矫电机进行变频调速控制。系统结构简单，操作方便，易于实现，能有效降低变频器故障停机次数，减少了系统开停机时间，从而有效降低了结晶器液位波动并提高了连铸设备使用寿命和铸坯表面的质量。

Description

一种圆坯连铸拉矫电机负荷动态分配控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及到炼钢大断面圆坯连铸拉矫电机控制的技术领域，具体地说是一种用于在拉坯生产过程中对多台拉矫电机的负荷进行动态分配以避免有些电机长期工作于过载而另一些电机处于空载或再生发电状态的圆坯连铸拉矫电机负荷动态分配及速度调节控制系统及其控制方法。
背景技术
在炼钢车间，拉矫机在连续浇铸钢坯的过程中是关键的设备，它对钢坯具有破鳞﹑拉伸﹑弯曲﹑矫直的作用。对于大断面圆坯连铸拉矫电机控制系统，除了具有一般连铸机拉矫电机控制系统的技术特点以外，又有其自身的控制特性。由于圆坯拉矫机的生产断面不固定、断面较大，生产中由于连铸工艺的特点及驱动系统中多台拉矫电机之间的动态负荷分配在拉坯生产过程中的作用尤为重要。因此有必要对圆坯连铸过程中使用的多台拉矫电机的负荷进行动态分配，避免有些电机长期工作于过载使变频器报故障而另一些处于空载或再生发电状态，从而引起设备在到达工作寿命前即损坏并且在拉矫电机故障期间引起结晶器液位波动，对铸坯表面质量造成严重影响，同时，速度和负荷存在不匹配的问题，还会对结晶器液位波动及工艺质量的要求产生不利影响。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种圆坯连铸拉矫电机负荷动态分配控制系统及其控制方法，通过参与所有拉矫电机的调速过程以实现对多台拉矫电机的负荷动态分配，控制系统结构简单，操作方便，易于实现，能有效降低变频器故障停机次数，减少了系统开停机时间，从而有效降低了结晶器液位波动并提高了连铸设备使用寿命和铸坯表面的质量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种圆坯连铸拉矫电机负荷动态分配控制系统，包括工控机、作为主站的PLC控制器、作为从站的多台变频器、多台直流调速传动装置和多台圆坯连铸拉矫电机，所述工控机通过网络与PLC控制器相连，所述PLC控制器与多台变频器间通过现场总线相连接，所有变频器与所有直流调速传动装置进行一对一通信连接，所述直流调速传动装置与圆坯连铸拉矫电机进行一对一通信连接，进而对拉矫电机进行变频调速控制。
其中，所述PLC控制器采用西门子SP7-400系列PLC。所述工控机与PLC控制器之间的通信网络采用工业以太网。所述PLC控制器与变频器之间的数据传输用现场总线采用Profibus总线。所述变频器采用西门子s120系列矢量控制变频器(以下简称s120变频器)，变频器对圆坯连铸拉矫电机进行带速度反馈的矢量控制模式，速度反馈采用脉冲编码器。所述PLC控制器包括电源模块、CPU、Profibus通讯模块、数字量信号输入模块和数字量信号输出模块，CPU采用c7-626/dp，通过cp342-5通讯模块与工业以太网通讯，同时通过Profibus-dp接口与s120变频器通讯。
利用上述控制系统进行动态负荷控制的方法，PLC控制器通过Profibus总线从各变频器内读取圆坯连铸拉矫电机(简称“拉矫电机”)的转矩实际值，将每台拉矫电机变频器转矩实际值与所有工作状态下变频器的平均值进行比较，经过变换与限幅后输出一个修正后的速度偏差值，将这一偏差值与速度设定值相加作为总的速度给定值，再通过Profibus总线传输给变频器，参与调速过程。
作为本发明的一种改进，上述方法具体包括如下步骤：
(1)建立所述动态负荷分配控制系统的模型，在系统模型中包括负载优化控制器、PID调节器、转速调节控制器、转矩模型、开关控制器、逆变器和磁链模型，其中负载优化控制器包括依次相连接的平均负载计算功能单元、偏差负载计算单元和速度修正计算单元，由负载优化控制器的输出作为变频器速度设定值的偏差参与控制；
(2)检测圆坯连铸拉矫电机的铸坯速度，即拉矫电机的实际转速，主要是根据生产设备的工艺参数，分析拉矫电机的实际转速与拉矫电机给定拉速之间的关系，确定拉矫电机的实际转速rpm与拉矫电机给定拉速之间的关系式如下：
电机转速＝拉速/Km (1)
式中，Km是转换常数，且Km＝Krpm/K半径，Krpm＝矫直辊径*π/τ，K半径＝R/[R-(Hmax+Hmin)/4]，电机转速的单位是rpm，拉速的单位是m/min，其中，Krpm为拉矫辊的机械特性；π为圆周率3.14，τ为齿轮箱总减速比(啮合)；K半径为针对拉矫辊的位置补偿常数，即内半径与外半径存在的差异；R为铸机半径，具体为在夹送辊处的铸机半径；Hmax为铸坯的最大直径；Hmin为板坯的最小直径。
(3)在步骤(1)所建模型的基础上增加速度微调补偿，对报故障的变频器进行速度微调。所述速度微调补偿具体是设定在负载优化控制器和PID调节器之间，将负载优化控制器的输出值经过速度微调补偿后再作为变频器速度设定值的偏差量输入PID调节器中。
作为本发明的一种改进，所述圆坯连铸拉矫电机的速度微调补偿量为0.0156。
相对于现有技术，本发明的整体结构设计巧妙，拆卸组装维修更换方便，成本较低，控制精确度高，利用PLC控制器、变频器、直流调速传动装置及用于速度反馈的脉冲编码器等设备，对多台圆坯连铸拉矫电机实现了负荷的合理分配和速度的均衡调节，同时针对现场出现的电机故障(即由报故障的变频器体现)进行了速度的精确跟踪并在原设计可控制模型基础上增加了速度补偿环节，解决了现场故障，满足了生产工艺要求。
附图说明
图1为本发明的控制系统结构示意图。
图2为本发明实施例所公开的圆坯连铸机的结构示意图。
图3为本发明实施例所公开的动态负荷分配控制系统模型图。
图4为本发明实施例所公开的带有速度微调补偿的动态负荷分配控制系统模型图。
图5为本发明实施例所公开的速度微调补偿的逻辑判断控制流程图。
图中：1-大包回转台，2-电磁搅拌系统，3-导线轨道，4-1#-9#拉矫电机。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。
如图1所示，一种圆坯连铸拉矫电机负荷动态分配控制系统，包括工控机、作为主站的PLC控制器、作为从站的多台变频器、多台直流调速传动装置和多台圆坯连铸拉矫电机，所述工控机通过网络与PLC控制器相连，所述PLC控制器与多台变频器间通过现场总线相连接，所有变频器与所有直流调速传动装置进行一对一通信连接，所述直流调速传动装置与圆坯连铸拉矫电机进行一对一通信连接，进而对拉矫电机进行变频调速控制。
具体的，所述PLC控制器采用西门子SP7-400系列PLC。所述工控机与PLC控制器之间的通信网络采用工业以太网。所述PLC控制器与变频器之间的数据传输用现场总线采用Profibus总线。PLC控制器通过在Profibus总线向变频器传输设定值和控制字，而变频器则把电机电流、力矩、变频器状态字通过Profibus总线传送给PLC控制器。每一台变频器采用脉冲编码器检测速度反馈组成速度闭环，通过负载分配实现力矩外环控制，很好的实现了负载分配技术。
进一步的，所述变频器采用西门子s120系列矢量控制变频器，变频器对圆坯连铸拉矫电机进行带速度反馈的矢量控制模式，速度反馈采用脉冲编码器。
更进一步的，所述PLC控制器包括电源模块、CPU、Profibus通讯模块、数字量信号输入模块和数字量信号输出模块，CPU采用c7-626/dp，通过cp342-5通讯模块与工业以太网通讯，同时通过Profibus-dp接口与s120变频器通讯。
利用上述控制系统进行动态负荷控制的方法：PLC控制器通过Profibus总线从各变频器内读取拉矫电机的转矩实际值，将每台拉矫电机变频器转矩实际值与所有工作状态下变频器的平均值进行比较，经过变换与限幅后输出一个修正后的速度偏差值，将这一偏差值与速度设定值相加作为总的速度给定值，再通过Profibus总线传输给变频器，参与调速过程。
具体的，上述方法具体包括如下步骤：
(1)建立所述动态负荷分配控制系统的模型，在系统模型中包括负载优化控制器、PID调节器(即图3及图4中的比例调节)、转速调节控制器、转矩模型、开关控制器、逆变器和磁链模型，其中负载优化控制器包括依次相连接的平均负载计算功能单元、偏差负载计算单元和速度修正计算单元，由负载优化控制器的输出作为变频器速度设定值的偏差参与控制；
(2)检测拉矫电机的铸坯速度，即拉矫电机的实际转速，主要是根据生产设备的工艺参数，分析拉矫电机的实际转速与拉矫电机给定拉速之间的关系，确定拉矫电机的实际转速rpm与拉矫电机给定拉速之间的关系式如下：
电机转速＝拉速/Km （1)
式中，Km是转换常数，且Km＝Krpm/K半径，Krpm＝矫直辊径*π/τ，K半径＝R/[R-(Hmax+Hmin)/4]，电机转速的单位是rpm，拉速的单位是m/min，其中，Krpm为拉矫辊的机械特性；π为圆周率3.14，τ为齿轮箱总减速比(啮合)；K半径为针对拉矫辊的位置补偿常数，(内半径与外半径存在的差异)；R为铸机半径，在夹送辊处的铸机半径；Hmax为铸坯的最大直径；Hmin为板坯的最小直径。
(3)在步骤(1)所建模型的基础上增加速度微调补偿，对报故障的变频器(即发生故障的拉矫电机)进行速度微调。所述速度微调补偿具体是设定在负载优化控制器和PID调节器之间，将负载优化控制器的输出值经过速度微调补偿后再作为变频器速度设定值的偏差量输入PID调节器中。
实施例：
如图2所示，为一全弧形圆坯连铸机的结构图，从上往下依次包括大包回转台1、电磁搅拌系统2、导线轨道3以及1#-9#拉矫电机4，其可生产断面为等多种不同规格圆坯，属于大断面圆坯连铸机。拉矫电机设计为九架共同承担送引锭及铸坯生产的负荷分配，设计连铸机的铸流数为四机四流，拉矫电机的生产操作可以进行现场机旁箱(包括PLC控制器、多台变频器以及直流调速传动装置的电气控制部件)和主控室操作台两地进行手动操作，同时在上位机(即工控机)监控画面上可以进行送引锭和铸坯浇铸的自动运行操作，关于拉矫电机的运行状态参数可以在监控画面中进行实时的显示并进行历史趋势的查看。拉矫电机负荷动态分配控制系统的工艺参数如下表。
表1.圆坯连铸机工艺参数
在上述的系统中对拉矫电机采取动态等负荷分配的PID控制策略，即由负载优化控制器的输出作为变频器速度设定值的偏差参与控制。变频器采用有编码器检测的矢量控制方式，负载优化控制器在可编程控制器(即PLC控制器)中通过编程软件实现逻辑判断和控制，它是由平均负载计算功能单元、偏差负载计算单元和速度修正计算单元等三部分逻辑控制模块构成。具体的动态等负荷控制系统模型如图3所示。
在图3中，vx—铸坯速度给定值；Δvx—铸坯速度补偿值；—进行负荷分配的电动机磁链分量值；—进行负荷分配的电动机磁链分量反馈值；n—进行符合分配的电动机数量；Ts1—进行负荷分配的电动机转矩分量；Tsn—进行负荷分配电动机转矩分量反馈值；ω—电动机实际转速；ωx—电动机转速给定值。
PLC通过Profibus总线从变频器内部采集转矩实际值，与9台拉矫电机所分配的转矩理论均值进行比较，经过PLC控制器内部负载计算单元与速度修正计算后经限幅输出一个修正后的速度偏差值Δvx，将这一偏差值与速度设定值vx相加作为总的速度给定值，再通过Profibus总线传输给变频器，经过变频器内部PID控制，实现拉矫电机的调速过程。整个控制系统的设计充分利用了传统PID控制策略进行负荷分配和多个拉矫电机的速度匹配，从而对拉矫电机实现合理控制，并在项目调试初期生产正常，满足了生产工艺需要。1#～9#拉矫电机的负荷及速度控制均采用上述模型进行调节，对于不同水平面的拉矫电机因为线速度不同，最终的给定速度不同，根据工艺标准及工艺参数进行公式换算并合理调节。
同时，对于拉矫电机的负荷分配和速度匹配的控制，基础工作的关键是铸坯速度的
精确检测，速度补偿根据现场工艺参数的分析由PLC进行数学计算，主要是根据生产设
备的工艺参数，分析拉矫电机的实际转速与拉矫电机给定拉速之间的关系。这里将直流
调速传动装置的速度参数(即拉矫电机的实际转速)表示为rpm；拉速表示为m/min；
利用可编程控制器PLC进行程序设计，对用于两套设备之间转换的常数Km进行如下计算：
电机转速＝拉速/Km (1)
其中：Km＝Krpm/K半径，Krpm＝矫直辊径*π/τ，K半径＝R/[R-(Hmax+Hmin)/4]。
然而在采用上述连铸拉矫电机进行生产送引锭的过程中，出现了四个铸流的某一个变频器经常报故障7410电机过流跳闸，尤其为2#、4#和6#电机比较频繁。查看变频器说明书和上位机监控画面发现实际的电机电流一直在15.8A，而电机额定电流为7.9A，我们设置的电机过载电流为额定电流的1.5倍，也属于正常设定值。经过对送引锭时设备运行过程进行观察，引锭杆在送入二冷室导向辊的区域，拉矫电机部分出现上升下降起伏较大，表明在引锭杆运行过程中，和现场的导向设备之间存在一定程度的作用力，或者说设备检修时候的磨合阶段出现的正常摩擦。长期观察送引锭过程，2#、4#和6#拉矫电机起伏较大并且故障频繁，处于整个拉矫系统对钢坯进行校正的几何转点，在受力和速度变换中相对于其他电机存在很大差异。为此在设计动态等负荷分配控制模型基础上增加转速补偿环节(即速度微调补偿)，对报故障的变频器进行速度微调。则形成带有速度微调补偿的动态等负荷控制系统模型如图4所示。
针对不同工艺环节圆坯连铸拉矫电机的控制采用逻辑判断进行自动投入与解除，投用后完全解决了送引锭过程中的电机过流跳闸问题，稳定了生产节奏，具体的速度补充功能的逻辑判断控制流程如图5所示。首先根据拉矫电机的实际转速ω的正负判断生产工序操作情况，这里设定铸坯拉速(即拉矫电机的实际转速)为负时为送引锭状态。当出现反馈速度ωsp和设定速度ωse不匹配时，根据生产试验出的经验值0.0156进行拉速给定值ωse的微调。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。在权利要求中，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。

Claims (2)

1.一种圆坯连铸拉矫电机负荷动态分配及速度调节控制系统，其特征在于：包括工控机、作为主站的PLC控制器、作为从站的多台变频器、多台直流调速传动装置和多台圆坯连铸拉矫电机，所述工控机通过工业以太网网络与PLC控制器相连，所述PLC控制器与多台变频器间通过Profibus总线相连接，所有变频器与所有直流调速传动装置进行一对一通信连接，所述直流调速传动装置与圆坯连铸拉矫电机进行一对一通信连接，进而对拉矫电机进行变频调速控制，所述PLC控制器采用西门子SP7-400系列PLC，所述变频器采用西门子s120系列矢量控制变频器，变频器对圆坯连铸拉矫电机进行带速度反馈的矢量控制模式，速度反馈采用脉冲编码器，所述PLC控制器包括电源模块、CPU、Profibus通讯模块、数字量信号输入模块和数字量信号输出模块，CPU采用c7-626/dp，通过cp342-5通讯模块与工业以太网通讯，同时通过Profibus-dp接口与s120变频器通讯；PLC控制器通过Profibus总线从各变频器内读取圆坯连铸拉矫电机的转矩实际值，将每台拉矫电机变频器转矩实际值与所有工作状态下变频器的平均值进行比较，经过变换与限幅后输出一个修正后的速度偏差值，将这一偏差值与速度设定值相加作为总的速度给定值，再通过Profibus总线传输给变频器，参与调速过程；具体方法包括如下步骤：
(1)建立所述动态负荷分配控制系统的模型，在系统模型中包括负载优化控制器、PID调节器、转速调节控制器、转矩模型、开关控制器、逆变器和磁链模型，其中负载优化控制器包括平均负载计算功能单元、偏差负载计算单元和速度修正计算单元，由负载优化控制器的输出作为变频器速度设定值的偏差参与控制；
(2)检测圆坯连铸拉矫电机的铸坯速度，即拉矫电机的实际转速，根据生产设备的工艺参数，分析拉矫电机的实际转速与拉矫电机给定拉速之间的关系，确定拉矫电机的实际转速rpm与拉矫电机给定拉速之间的关系式如下：
电机转速＝拉速/Km (1)
式中，Km是转换常数，且Km＝Krpm/K半径，Krpm＝矫直辊径*π/τ，K半径＝R/[R-(Hmax+Hmin)/4]，电机转速的单位是rpm，拉速的单位是m/min，其中，Krpm为拉矫辊的机械特性；π为圆周率3.14，τ为齿轮箱啮合总减速比；K半径为针对由于内半径与外半径存在差异而导致的拉矫辊的位置补偿常数；R为铸机半径，在夹送辊处的铸机半径；Hmax为铸坯的最大直径；Hmin为板坯的最小直径；
(3)在步骤(1)所建模型的基础上增加速度微调补偿，对报故障的变频器进行速度微调，所述速度微调补偿具体是设定在负载优化控制器和PID调节器之间，将负载优化控制器的输出值经过速度微调补偿后再作为变频器速度设定值的偏差量输入PID调节器中。
2.如权利要求1所述的一种圆坯连铸拉矫电机负荷动态分配及速度调节控制系统，其特征在于，所述圆坯连铸拉矫电机的速度微调补偿量为0.0156。
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