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PowerFlex700S交流变频器在酒钢120吨转炉倾动氧枪控制系统的改造应用 |
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PowerFlex700S交流变频器在酒钢120吨转炉倾动氧枪控制系统的改造应用
李德平
酒泉钢铁集团有限责任公司碳钢薄板厂,甘肃嘉峪关735100.
摘 要：PowerFlex700S变频器，自动化控制技术。
关键词：变频器
1．前言
酒钢碳钢薄板厂炼钢工序有3座120t顶底复吹转炉，转炉氧枪和转炉倾动采用矢量控制变频器，由于炼钢工序转炉原氧枪、倾动变频器1336FORCE系列变频器，美国罗克韦尔自动化公司于2008年已停止生产，三座转炉在线18台，为保证后期备件，需替换厂家推出的新一代功能更强大的PowerFlex700S变频器进行改造，以满足原系统的所有功能，替换型号PowerFlex700S变频器虽具有原1336 Force变频器的全部功能，但无法直接替换使用，因转炉倾动装置中，新替换变频器不能与原变频器混合使用实现同步，（转炉倾动四台变频器正常要求同步运行，四台变频器必须型号相同才可实现）因此，经过碳钢薄板厂的前期准备，分别与Rockwell西北办事处、和中冶赛迪等单位进行技术交流，最终确定了如下方案：利用2011年3#转炉年修的时间，用6台PowerFlex700S变频器替换原先的1336 FORCE变频器，替换下来的6台1336FORCE变频器作为1#、2#转炉的备件。这样基本上是彻底解决了1336 FORCE变频器备件的问题。具体需对整套转炉倾动系统变频器改型、PLC模块硬件、软件升级、大量修改程序以及系统性调试才能实现，因此于2011年6月份3#转炉年修的时间，将6台罗克韦尔自动化PowerFlex700S变频器替换原先的1336 FORCE变频器，通过穿插在年修中进行变频器安装、变频器的参数自整定、网络调试、原有控制程序的修改、冷负荷试车、热负荷试车过程，圆满的完成了此次改造项目。本次改造实现了预期的目标，按时按量的完成了设备、相应设计资料的交付（图纸、软件、参数表等），严格按照进度节点要求完成变频器参数的调整设定，完成相应控制软件的编制调试，自2011年6月22日投入生产运行期间，满足生产运行的各项要求，未出现设计缺陷导致的问题。
新改造的3#转炉的倾动和氧枪系统均仍然采用罗克韦尔自动化公司Allen-Bradley Logix平台控制系统-ControlLogix，NetLinx网络架构–ControlNet，基于磁场定向矢量控制（Field-oriented Control）技术的PowerFlex700S交流变频器，不仅实现了转炉倾动和氧枪系统的原有所有自动控制功能，而且其自诊断和保护功能更加可靠，进一步降低了设备故障停机时间，大大提高了生产效率。
2.炼钢厂转炉传动系统概述
转炉设备是炼钢厂的关键生产设备，其炉体外形如下图所示。转炉系统主要的电力传动设备包括炉体倾动的电力传动设备及氧枪传动的电力控制设备。
2.1转炉倾动的电力传动设备
在酒钢碳钢薄板厂120T转炉系统中，炉体倾动部分采用四台倾动电机，通过减速机刚性连接，并采用全悬挂固定方式和扭力杆力矩吸收方式，如图1所示。标准术语是：全悬挂四点啮合柔性传动方式。
2.2 转炉倾动工作方式及控制要求
在转炉的冶炼过程中，倾动电机的具有如下特点：
• 转炉倾动装置由四台倾动电机同时驱动，四台电动机同步启动，加、减速及同步运行，并要求它们保持速度同步和均匀的负荷分配。
• 转炉倾动速度可以在0.12～1.0rpm之间进行倾动速度调节，转炉倾动角度范围0～±360°
• 一台或二台电机出现故障时，要求传动系统仍能继续运转，这时，余下的二台或三台电机短时间内可低速运行，并保持速度同步和均匀的负荷分配。
• 转炉倾动过程中，在不同的工况下，倾动电机有时处于电动状态，有时处于发电状态，传动装置需要解决能量回馈问题。
• 倾动控制装置必须解决传动与抱闸机构之间的协调控制问题，防止“溜车”现象的发生。
• 转炉倾动装置具有大惯量、重载的运行特点，要求传动装置有足够的起动力矩和过载能力。
2.3 氧枪传动的电力控制设备
炼钢厂转炉的另一个关键设备是氧枪。图2是氧枪传动系统示意图。
氧枪是典型的位能负载，也是典型的提升应用，氧枪控制装置必须解决传动与抱闸机构之间的协调控制问题，防止发生“坠枪”事故。
2.4 氧枪工作方式及控制要求
氧枪传动系统具有如下特点：
氧枪下降时，电动机处于发电状态，要求氧枪传动装置能解决能量回馈问题。
酒钢碳钢薄板厂每台转炉配有两套氧枪，两台氧枪升降设备，一台工作，一台在待机位用于维修或备用；氧枪的升降速度可无级调节。
氧枪也具有大惯量、重载高力矩启动的运行特点，要求传动装置有足够的起动力矩和过载能力。
3．改造方案
3.1改造过程：改造与年修时间同步，2011年6月2日正式开始。改造一共分为5个阶段：
阶段1：变频器的安装。主要内容包括拆除原有变频器，安装新的变频器。
阶段2：变频器的参数自整定。主要内容包括每台变频器的上电自整定，相关电机参数的设置。
由于受3#转炉年修的制约，阶段1、2是交错在一起完成的，时间从6月2日至6月8日。在该阶段中，各项预定任务完成的都较为顺利。
阶段3：冷负荷试车。该阶段的时间在6月9日至6月10日，完成了空炉（未砌砖）、氧枪小车（未挂枪）的调试。
阶段4：热负荷试车。该阶段时间在6月20日至6月26日，完成热负荷下相关参数的整定。
3.2.1主要程序修改处
1.1 Routine “communication”
新增Rung14,15。用于各变频器与PLCZ32通讯故障时，将通讯故障变频器的逻辑1状态设置为故障，其余各参数（转矩、电流、转速、直流母线电压等）均设置为0。
1.2 Routine “communication_fault”
PLCZ31与PLCZ32通讯故障后，将各变频器的速度给定设定为“0”。变频器的逻辑命令（如停止信号）不在本Routine中设定。
1.3 Routine “communication_OK”
1.3.1 PowerFlex700S变频器的参数特性
1) 本次参数设置中，变频器的方向给定选择的是双极性（参数153的Bit0设置为1），即变频器的正转或者反转，取决于速度给定的正负。给定值为正值，变频器正转；给定值为负值，变频器反转。
2) 对于速度给定值而言，32768对应额定转速。比如，转炉的额定转速为1r/min，当速度给定值为9216时，给定的速度应为0.28r/min (9216/32768*1=0.28)。
3) 变频器与PLC的数据通讯采用DataLink的方式完成，数据通道为变频器内的DPI数据。DPI通讯的数据类型为DINT（不能修改），当链接参数的数据类型为REAL时，必须使用COP命令才能以REAL的格式读取链接的参数值，否则显示的数值是没有意义的整形数据。
1.3.2 程序的相应变化
1) 新增Rung56~58。用于倾动变频器速度给定的逻辑运算。
当PLCZ31本体的程序没有发出正转指令（Z32_Z31_REdata [0]. 4）或者反转指令（Z32_Z31_REdata [0]. 5）时，变频器的实际速度给定为0。
当PLCZ31本体的程序发出正转指令或者反转指令，但此时制动器尚未打开，人为给定变频器一个快速励磁速度（0.28r/min）。注：该励磁速度可以根据生产实际进行整定，不宜太快。
当PLCZ31本体的程序发出正转指令或者反转指令，且制动器已经打开，按照实际传输手柄的给定值到变频器的给定速度。
2) 新增Rung59。用于倾动变频器速度给定的趋势监控。未参与控制。
3) Rung66~71、Rung73~78、Rung80~85、Rung87~92、Rung112~116、Rung118~122：4台倾动变频器和2台氧枪变频器的参数读取。
当某台变频器与PLCZ32通讯正常时，读取相应的数据用于程序控制、画面显示；当某台变频器与PLCZ32通讯故障时，读取的数据相应为：变频器故障，其余各参数均为0。
4) 新增Rung94,95。用于判断当前处于工作位的氧枪电机制动器是否打开。
5) 新增Rung96~102、Rung104~110。用于氧枪变频器速度给定的逻辑运算。以下描述以氧枪A变频器为例，氧枪B变频器的正转指令（Z32_Z31_ REdata [20]. 4）、反转指令（Z32_Z31_REdata [20]. 5）。
当PLCZ31本体的程序发出正转指令（Z32_Z31_REdata [10]. 4）或者反转指令（Z32_Z31_REdata [10]. 5）时，如果此时制动器没有打开，将该信号保持直到制动器打开。将该保持信号与PLCZ31发出的指令进行“或”运算，得到运算后的上升命令或者下降命令。该逻辑的主要目的是：当人工点动下枪时，为避免点动的时间过短制动器还未松开运转指令已消失，变频器无法得到正常的控制速度与控制指令的情况。
当没有正转命令或者反转命令时，变频器的实际速度给定为0。
当发出正转指令或者反转指令，但此时制动器尚未打开，人为给定变频器一个快速励磁速度（10m/min）。注：该励磁速度可以根据生产实际进行整定，不宜太快。
当发出正转指令或者反转指令，且制动器已经打开，按照实际传输手柄的给定值到变频器的给定速度。
6) 新增Rung124。用于6台变频器直流母线电压的趋势监控。未参与控制。
2 Program “tag_map”
Routine “tag_map”程序无变化。
3 Program “oxygen_lance”
3.1 Routine “oxygen_lance”
1) 增加了给定速度与反馈速度判断的逻辑。
(1) 如果给定速度为0，反馈速度大于基准速度的1%。
(2) 如果给定速度不为0，反馈速度与给定速度的比值>1.25，或者反馈速度与给定速度反向（处于失控状态）。
上述情况任一满足，且变频器不处于减速状态，制动器处于打开状态，延时2秒后，发出变频器/电机速度异常信号，制动器立即失电。
2) 新增Rung42,43。用于2台氧枪变频器速度调节带宽的程序给定。该逻辑主要用于方便在线整定（可根据实时趋势的情况在线整定带宽。通常情况下，该数据无需修改。）
3.2 Routine “oxygen_lancetag_map”
增加了变频器与PLCZ32通讯故障时（比如1786-RPFS模块故障、CNB模块故障等ControlNet网络通讯故障），变频器的状态强制为故障、未准备好、未运行。
3.3 Routine “oxygen_lancetag_switch”
对于1336FORCE变频装置而言，参数150为“0”表示闭环控制；为“5”表示开环控制。
对于PowerFlex700S变频装置而言，参数222为“0”表示闭环控制；为“2”表示开环控制。
同时，与变频器进行通讯的MSG指令的相关参数发生相应变化：Message Type: CIP Generic；Service Type: Parameter Write; Instance:222。
4 Program “bof”
4.1 Routine “main”
1) 增加了给定速度与反馈速度判断的逻辑。
(1) 如果给定速度为0，反馈速度大于基准速度的1%。
(2) 如果给定速度不为0，反馈速度与给定速度的比值>1.2，或者反馈速度与给定速度反向（处于失控状态）。
上述情况任一满足，且变频器不处于减速状态，制动器处于打开状态，延时1.5秒后，发出变频器/电机速度异常信号1。
2) 增加了4台变频器速度差异判断的逻辑。
4台变频器的速度与主装置的速度反馈进行判断：如果变频器处于运行状态，任一变频器的速度偏差超过50%（主装置速度反馈的1.5倍）或者速度反向超过35%。
上述情况满足，制动器处于打开状态，延时1秒后，发出变频器/电机速度异常信号2。
变频器/电机速度异常信号1或者2发出，制动器立即失电。
3) 新增Rung29，30。用于4台倾动变频器速度调节带宽的程序给定。该逻辑主要用于方便在线整定（可根据实时趋势的情况在线整定带宽。通常情况下，该数据无需修改。）
4.2 Routine “boftag_map”
增加了变频器与PLCZ32通讯故障时（比如1786-RPFS模块故障、CNB模块故障等ControlNet网络通讯故障），变频器的状态强制为故障、未准备好、未运行。
4.3 Routine “bof_status”
增加了Rung66~70。
倾动变频器输出接触器已吸合，且该变频器与PLCZ32通讯正常，表示该变频器已经投入。可以接受运行信号。
4.4 Routine “UFcontrol_state”
程序无变化。
5 Task “Vector_CommuFault_450ms”
新增程序Program “Vector_CommuFault”。主要用于判断变频器与PLCZ32的通讯故障。
5.1 Routine “main”
5.2 Routine “B3QD_MotorVector”
5.3 Routine “B3YB_LanceVector”
通过变频器的DPI数据链接，读取参数“317”（同步链接系统时间）。该计数器在0~1048575us之间不停变化，只要变频器处于运行状态，该数据就不断刷新。
处理器每450ms更新一次该数据。如果数据刷新后，发现与上一次数据一致，说明网络通讯出现故障，给出相应变频器的通讯故障信号。
6 PLCZ31程序的主要修改处
6.1对Program “oxygen_lance”的Routine “oxygen_lance”进行修改。
氧枪A变频器：新增Rung23~26、修改Rung27；氧枪B变频器：新增Rung37~40、修改Rung41。以下描述以氧枪A变频器为例，氧枪B变频器的正转指令（B3YBCO02wor.4）、反转指令（B3YBCO02 wor.5）。
6.2当程序发出正转指令（B3YBCO01wor.4）或者反转指令（B3YBCO01wor.5）时，如果此时制动器没有打开，将该信号保持的时间存储。
6.3当制动器打开后，延时一段时间（该时间等于存储的时间）发出停止指令。该逻辑的主要目的是：当人工点动下枪时，为避免点动的时间过短制动器还未松开就已发出停止指令。
6.4当延时完成后，存储的时间自动清零。同时，如果制动器已经打开，且此时正转指令或者反转指令仍旧保持，存储的时间也将自动清零。
3.2后台控制系统：Allen-Bradley Logix平台控制系统-ControlLogix
ControlNet系列转炉传动变频控制系统在传动部分采用PowerFlex700S系列变频器作为核心部件。在转炉倾动部分配置四台变频器，采用“一拖一”驱动方式，四台变频器之间采用光纤构成通信环网；氧枪部分同样采用“一拖一”方式驱动，并配置光栅编码器；外围控制系统采用AB ControlLogix系列PLC，并配套PowerFlex700S系列变频器专用的PLC处理器、I/O等通信程序和工艺控制程序，结果证明PowerFlex700S系列转炉传动变频控制系统可以非常完美地完成转炉驱动的各种工艺要求：在倾动电机速度同步、负荷平均分配和氧枪电机零速满转矩、报闸控制、抗过载能力等诸多方面均表现完美。
3.3 转炉倾动部分变频控制系统性能说明
PowerFlex700S系列转炉传动变频控制系统中，最为成功之处是在倾动部分采用了四台变频器“一拖一”驱动方式，并且圆满地解决了变频器之间的“主从”应用问题。以往的转炉驱动系统中，一般采用直流调速系统或采用“一拖四”的交流调速方式，这种方式下只能保证电机的转速基本一致，而完全无法保证电机的负载一致问题，特别是“一拖四”的交流调速系统，采用一台变频器同时驱动四台电机，由于电机的电气特性并非完全一致，变频器只能采用“V/F”控制方式，起动转矩低，转矩控制特性差。另外，由于电机的电气特性差别，驱动过程中电机的转速无法保证一致，而转炉的倾动电机之间属于齿轮刚性连接，微小的转速差别可能引起非常大的负载不平衡，情况严重时甚至会出现在倾动过程中有的倾动电机处在电动状态，而有的倾动电机却处在发电状态，造成了负载的严重不平衡，经常损坏倾动电机。而在 PowerFlex700S系列转炉传动变频控制系统中，4台变频器通过光纤连接，通过PLC编程构成主从应用工作组，工作时其中一台设为主传动工作方式，另三台工作在从传动方式，从传动变频器以速度/力矩工作方式工作，主变频器速度由上位机PLC系统通过变频器I/O口给定，主变频器通过光纤环网向从机发送运行信息，内容包括主机转速，转矩及开关状态等，从机PLC与主传动连接，实现转矩跟随，由主从切换功能自动实现与主传动的速度/力矩跟踪和力矩准确分配，直接用软件实现了多电机传动中速度同步和力矩分配。系统正常运行时，上位PLC系统通过现场总线与变频器正常通讯，实现控制和现场数据采集，当因某种原因引起某台从变频器或电机故障时，故障变频器自动停止工作，另外三台变频器继续工作，主变频器控制负载在这三台变频器之间平均分配；当主变频器或电机出现故障时，主变频器停止工作，并发出故障信号，由上位PLC系统起动故障处理程序，通过变频器I/O端口，设置另外一台变频器为主传动，组成新的主/从工作组，按主/从方式继续工作，新的主变频器负责速度控制和负载分配。整个转换过程在2秒钟以内完成。PowerFlex700S变频器的这种主从转矩可以重新配置的特点，保证了转炉倾动系统在任何一台或二台倾动电机或变频器出现故障的情况下，仍能继续工作，且不会出现电机负荷分配不均匀的现象。PowerFlex700S变频器转距跟随特性及主变频从一台变频器切换到另外一台变频器的情况下，主从应用的速度环和力矩环仍然是在变频器内部实现的，具有极快的响应速度和控制精度。而其它品牌的变频器在主从应用时，为了实现主机从一台变频器到另一台变频器的切换，必须把速度环放在变频器外部，例如在PLC中实现速度环，这样，速度环的响应速度和控制精度就大打折扣，会引起速度不稳、溜车等一系列问题。尤其是在炼钢过程中操作转炉倾动时，例如在炼钢工人需要采样钢水样品时，负载力矩的突然变化，要求速度环尽快响应，但以PLC实现的速度环可能来不及响应，出现溜车。
3.4 转炉氧枪部分变频控制系统特性综述
在氧枪部分的变频控制系统中，最为关键的一点是变频器需要具有非常的的起动转矩，原因是氧枪属于典型的提升机负载，只要制动报闸一打开，电机就有100%的负载，而这时电机的转速为零，再考虑到加速转矩、摩擦力矩及氧枪粘钢水等因素，所以氧枪变频器的起动转矩最少应不低于额定转矩的120% 。而PowerFlex700S系列变频器所独有的Force控制技术，为氧枪电机提供了良好的动态特性和负载力矩响应能力，超过200%的启动力矩及先进的提升应用程序可以完全满足氧枪工艺要求。另外，氧枪需严格监控，防止出现“溜枪”故障，在PowerFlex700S系列转炉传动变频控制系统中，充分利用了Force变频参数及应用程序，并结合PLC编制了一套抱闸逻辑控制程序，成功实现了变频器在机械抱闸尚未打开的情况下，仍能维持零速满力矩运行，大大提高了系统应用的可靠性。
3.5 氧枪电动机运转特性分析：
氧枪电机机械特性和负载特性示图 2 。氧枪提升时，电动机电磁转矩要克服负载转矩，即电动机制电磁转矩 M 的方向与旋转的方向相同，故电动机处于电动运行状态，工作于第一象限。氧枪下降时，由于氧枪属重载，在该重载的作用下，电动机转速要高于电机的同步转速，而电机的电磁转矩方向与旋转方向相反，因此电动机处于回馈制动状态工作于第四象限。
3.6 转炉倾动负载特性及电动机运转特性分析：
转炉倾动方式为全悬挂四点啮合柔性传动，原设计最大倾动力矩为240吨.米，过载倾动力矩：660吨.米，倾动速度：0.12-1.0r/min ，倾动角度为正反 360 °，减速比为 1 ： 802.3 。 根据工艺要求，转炉的倾动角度为正反 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为角度的函数 M fz =f( θ ) ，属于反阴性的位能负载。 另外，据工艺设计说明，该转炉按正力矩设计，即炉子耳轴下部比上部高，下部比上部重。从而确保转炉电控系统失灵或抱闸力不够时，能靠炉体自身的正力矩来确保炉口向上，这样不至于发生倒钢等事故。但当为修炉拆除炉底后能入炉口粘钢渣太多（达到或超过 8 吨）时，炉体可能出现上部较下部重，由于液体钢水重心随转炉倾角的变化而变化，这样在修炉和出渣或出钢时，可能出现负力矩。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，电动机的机械特性和负载特性如图 3 。
4. 酒钢碳钢薄板厂3#转炉变频调速系统的原理及用于转炉倾动和氧枪升降负载的分析
4.1 变频调速原理及机械特性
由于异（同）步电动机的同步转速 n1与电源频率成正比，所以改变电源频率就能改变同步转速n1，从而实现调速，这就是变频调速。
在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量ρm为不变额定值。磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费；磁通太大，又会使铁芯饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持ρm不变是容易做到的。在交流异步电机中，磁能是由定子和转子磁势合成产生的，怎样才能保证磁通恒定呢？
我们知道，异步电动机的电势方程为
E1=4.44f1W1Kw1ρm
因为电压 V 1 =E1 +IZ1 ，如果忽略定子压降，则上式可近似表示为 E1=4.44f1W1Kw1ρm≈V1
所以 ρm =C1V1/f1
式中， E 1 为定子每相感应电势的有效值， f1为定子频率， W1为定子每相绕组串联匝数， KW1为基波绕组系数，ρm为每极气隙磁通量， C 1 =1/4.44K W1W1 ，是一常数。
由ρ m 的表达式可见，要保持电机磁通恒定，必须使定子电压随定子频率成正比变化。即：V 1 /f 1 =V’ 1 /f’1 ，这种 V 1 与 f 1 的配合变化称为恒磁通变频调速中的协调控制。根据 V 1 /f 1 协调控制的方式不同，可以得到不同的调速成特性。
（ 1 ）基频以下调速。
（ a ）恒电压频率比调速。由电动机的电磁转矩公式 M=C m ρ m I’ 2COSρZ 可知， M 与ρ m , I’ 2 成正比，要保持 M 不变，则必须ρ m 不变，即要不 V 1 与 f 1 成正比变化。即
V 1 /f 1 =V 1e /f 1e =常数
带下标 e 表示额定频率时的相应数值。
这是恒电压频率比的协调控制方式（简称恒压频比），其机械特性曲线簇（以某一台 8 极电机为例）如图 4 所示。由图可见，从同步转速（ M=0 ）到最大转矩（ M max ）的特性可近似看作是线性关系，且线性段基本平行，类似于直流电机的调压特性。但最大转矩阵 M max 却随 f 1 下降而减少，这是因为 f 1 高时， V 1 和 E 1 数值都较大，定子阻抗压降的比例很小，所以 V 1 ≈ =E 1 ；而 f 1 低时， V 1 和 E 1 数值较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不能再忽略了。 E 1 与 V 1 相差较大， E 1 小于 V 1 很多，所以ρ m 小很多， M max 就很小。这对于风机水泵类机械负载起动还是合适的。
（ b ）恒最大转矩调速。用 V 1 /F 1 = 常数协调控制，在低速时最大转矩 M max 减小。降低了起动与过载能力，低速时为了保持 M max 不变，提高起动能力，就必须采用定子电势 / 定子频率 = 常数 的协调控制。如前所述，因为低频时， V 1 和 E 1 都较小，定子阻抗压降的份量就比较显著，不能忽略。这时随转速的降低，定子电压应适当提高，以近似补偿定子阻抗引起的压降，从而保证电机具有恒最大转矩 M max 。这时电机的机械特性如图 5 所示。恒压频比控制特性和恒电势频率比控制特性如图 6 所示。
（ 2 ）基频以上调速（恒功率调速）。
有时为了扩大调速范围，可以使 f 1 >f 1e ，从而得到 n>n e 的调速。但是定子电压 V 1 却不能增加得比额定电压 V 1e 还要大，最多只能保持 V 1 =V 1e 由式ρ m =C 1 ( V 1e /f 1e )可知，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。弱磁后额定电流时的转矩减小，特性也变软。则可得到近似恒功率的调速特性如图 7 中 f e =50H Z 以上的特性。
把基频以下调速和基频以上调速两种情况结合起来，可得图 8 所示的异步电动机变频调速控制特性和图 7 所示的异步电动机变频调速的机械特性。如果电动机在不同转速下都不超过额定电流，则电机都在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。按照电力拖动原理，在基频以下属于“恒转矩调速”，而在基频以上，基本上属于“恒功功率调速”。
由于转炉倾动和氧枪升降属重起动或满载起动负载，故要求电动机在起动时要有足够大的起动转矩和足够大的过载能力。通过以上分析可知，采用恒磁通变频调速，在低频时（低速时）可通过人为地提高电压来保证电机具有最大恒转矩调速特性，因而可以满足重载起动负载要求。另外由于氧枪和转炉倾动均为位能负载，故有发电制动工作状态。而变频器可通过另加一反向逆变桥或加一“过压保护放电阻”提供这种“回馈”通路。 从上述分析还可看出，变频调速可得几乎与直流电机调速相同“硬度”的机械特性。因而可以说，这种变频调速传动系统完全具备了用于转炉倾动和氧枪升降这种位能负载上的可能性。在本项目中使用的A-B PowerFlex700S变频器采用FORCE磁场定向控制专利技术，能够获得交流电动机速度和转矩的卓越控制性能。FORCE技术是使交流电动机真正获得“类似直流调速”性能的世界最先进的变频技术。
4.2 酒钢碳钢薄板厂3#转炉采用罗克韦尔自动化PowerFlex700S变频技术功能概述：变频装置HMI上显示的数据，HMI上对设备的操作；计算机操作画面、操作台、箱对设备的操作。具体为：4台变频器通过光纤连接，构成主从应用工作组，工作时其中一台设为主传动工作方式，另三台工作在从传动方式，从传动变频器以速度/力矩工作方式工作，主变频器速度由上位机PLC系统通过变频器I/O口给定，主变频器通过光纤环网向从机发送运行信息，内容包括主机转速，转矩及开关状态等，从机通过PLC系统程序控制，实现转矩均衡，由主从切换功能自动实现与主传动的速度/力矩跟踪和力矩准确分配，直接用PLC实现了多电机传动中速度同步和力矩分配。系统正常运行时，上位PLC系统能够通过现场总线与变频器正常通讯，实现控制和现场数据采集，当因某种原因引起某台从变频器或电机故障时，故障变频器能够自动停止工作，另外三台变频器继续工作，主变频器控制负载在这三台变频器之间平均分配；当主变频器或电机出现故障时，主变频器停止工作，并发出故障信号，由上位PLC系统起动故障处理程序，通过变频器I/O端口，手动选择另外一台变频器为主传动，组成新的主/从工作组，按主/从方式继续工作，新的主变频器负责速度控制和负载分配。整个转换过程能够在短时间内完成。满足了转炉倾动系统在任何一台或二台倾动电机或变频器出现故障的情况下，仍能继续工作的功能。为扩大调速范围、提高调速精度，各变频器均带编码器反馈。对氧枪的控制，正常情况下，变频器与氧枪电机一一对应。当一只氧枪在换枪位置以下而其对应的变频器故障，通过PLC系统控制接触器的切换，投入另一台变频器，将该氧枪提升至换枪位置并换枪。
（1）变频装置的单机调试、检修在人机接口操作面板（HIM）上完成；
（2）设备联动运行通过PLC系统实现（操作地点：正常生产时在中控室或机旁，联机调试时在变频器柜柜门）。
在任何一种情况下，均能保证控制方式的唯一性，而且控制方式的切换通过柜门上转换开关、按钮实现，方便、可靠。
4.3 系统构成描述
改造后的3#转炉倾动和氧枪变频系统的变频装置采用美国Rockwell Automation公司PowerFlex700S系列交流变频器，每座转炉独立设置一套变频系统，由6台PowerFlex700S变频器组成。变频器的参数设置、编程通过安装在变频控制柜柜门上的人机接口操作面板HIM完成，也可以通过计算机图形化参数设置、编程及监控软件DriveTools32，通过与变频器通讯下载/上载方便地实现上述功能。转炉倾动变频器通过Drive-to-Drive Link通讯，能以最大500Kbps的速率实现变频器间的通讯，从而满足系统负荷分配和主/从切换的要求。3#转炉倾动和氧枪变频变频系统配置了一套相对独立的PLC系统，该PLC采用Rockwell Automation公司ControlLogix控制系统，通过控制总线ControlNet网络接口实现转炉各变频器及PLC间通讯, 同时实现转炉与主PLC系统的通讯。
4.4 PowerFlex700S变频器的参数及设置：
1、PowerFlex700S变频器的参数较多，包含在以下12个文件中：
每个文件包含若干个参数组，变频器某项功能所需要的参数都在一个组内，这样在完成一种功能设定时不需要改变参数组，但一个参数可以在多个组中。组态参数把源参数（link）和汇参数（sink）链接起来，一个源参数可以链至多个汇参数，反之，一个汇参数只能链至一个源参数。在实际应用中，只有源和汇链接好以后，输入和输出才有意义。主要设置参数为电机铭牌参数，极限参数（包括速度和电流），定标参数，链接参数和通讯口。氧枪和倾动系统参数链关系如下：
倾动链接参数：
目标参数 目标参数名称 源
参数 源参数名称
变频器的输出数据，对应PLC的输入数据
660 DPI数据输出A1[DPI Data Out A1] 306 直流母线电压/[DC Bus Vage]
661 DPI数据输出A2[DPI Data Out A2] 303 电动机转矩基准值[Motor Torque Ref]
662 DPI数据输出B1[DPI Data Out B1] / /
663 DPI数据输出B2[DPI Data Out B2] 300 电动机速度反馈[Motor Spd Fdbk]
664 DPI数据输出C1[DPI Data Out C1] 222 电动机反馈首选装置[Mtr Fdbk Sel Pri]
665 DPI数据输出C2[DPI Data Out C2] 317 同步链接系统时间[SL System Time]
666 DPI数据输出D1[DPI Data Out D1] 308 输出电流[Output Current]
667 DPI数据输出D2[DPI Data Out D2] 303 电动机转矩基准值[Motor Torque Ref]
PLC的输出数据，对应变频器的输入数据
/ / 651 DPI 数据输入A1[DPI Data In A1]
/ / 652 DPI 数据输入A2[DPI Data In A2]
110 速度/转矩模式[Speed/TorqueMode] 653 DPI 数据输入B1[DPI Data In B1]
111 转矩基准值1[Torque Ref 1] 654 DPI 数据输入B2[DPI Data In B2]
90 速度调节器带宽[Spd Reg BW] 655 DPI 数据输入C1[DPI Data In C1]
/ / 656 DPI 数据输入C2[DPI Data In C2]
833 模拟量输出1 实型[Anlg Out1 Real] 657 DPI 数据输入D1[DPI Data In D1]
835 模拟量输出1标定[Anlg Out1 Scale] 658 DPI 数据输入D2[DPI Data In D2]
倾动程序应用参数：（与控制有关）
参数号 参数名称 参数值 备注
27 [Speed Ref A Sel] 速度基准值A选择 16
32 [Accel Time 1] 加速时间1 3.0
33 [Decel Time 1] 加速时间1 2.5
75 [Rev Speed Limit] 负向速度限幅 -0.85
76 [Fwd Speed Limit] 正向速度限幅 0.85
84 [SpdReg AntiBckup] 速度调节器防超调 0.3
102 [Spd Reg Pos Lim] 速度调节器上限 0.85
103 [Spd Reg Neg Lim] 速度调节器下限 -0.85
128 [Regen Power Lim] 再生功率限幅 -8.0
153 [Control Options] 控制选项
Bit 0 双向速度基准值 1
Bit 8 3线控制 1
Bit 10 电动机方向 0
233 [Encdr 0/1 Config] 编码器0/1组态
Bit 6 编码器0方向 0
414 [Brake/Bus Cnfg] 制动/母线组态 xxxxxxxxxxxx0110
416 [Brake PulseWatts] 制动脉冲功率 135000
417 [Brake Watts] 制动功率 22500
532 [Maximum Freq] 最大频率 60
544 [External DB Res] 外部制动电阻 5
650 [DPI In DataType] DPI输入数据类型 xxx10000 PLC输出
659 [DPI Out DataType] DPI输出数据类型 01001111 PLC输入
821 [Analog I/O Units] 模拟量I/O单位 xxxxxxxxxxxxxxx0
0xxxxxxxxxxxx000
823 [Dig In Debounce] 数字输入防反跳 x101000000010100
000000000000000x
828 [Dig In4 Sel] 数字量输入4选择 38
831 [Anlg Out1 Sel] 模拟量输出1选择 0
845 [Dig Out1 Sel] 数字量输出1选择 4
850 [Dig Out2 Sel] 数字量输出2选择 17
倾动自整定参数：
参数号 参数名称 参数值 备注
2 [Motor NP FLA] 电动机铭牌满负载电流 230
4 [Motor NP RPM] 电动机铭牌转速 585
5 [Motor NP Power] 电动机铭牌功率 147
6 [Mtr NP Pwr Units] 电动机铭牌功率显示单位 0
9 [Total Inertia] 总惯量 0.2458
421 [Iqs Integ Freq] 转矩电流积分频率 0 需核实
422 [Iqs Reg P Gain] 转矩电流调节器比例增益 0 需核实
429 [Ids Integ Freq] 励磁电流积分频率 0 需核实
430 [Ids Reg P Gain] 励磁电流调节器比例增益 1.2
453 [Iu Offset] U相电流偏移 -8
454 [Iw Offset] W相电流偏移 -2
480 [VPL Mem Data Int] 速度位置环存储器整型数据 64
486 [Rated Slip Freq] 额定滑差频率 1.628 需核实
488 [Flux Current] 励磁电流 38.43
490 [Stator Inductance] 定子感抗 180.76
491 [Stator Resistance] 定子阻抗 2
492 [Leak Inductance] 漏感抗 14.6
502 [Rotor Resistance] 转子阻抗 1.88
503 [Current Reg BW] 电流调节器带宽 900
527 [Start/Acc Boost] 起动/加速起动 3.6
528 [Run Boost] 运行推进 3.0
氧枪链接参数：
目标参数 目标参数名称 源
参数 源参数名称
变频器的输出数据，对应PLC的输入数据
660 DPI数据输出A1[DPI Data Out A1] 306 直流母线电压/[DC Bus Vage]
661 DPI数据输出A2[DPI Data Out A2] 303 电动机转矩基准值[Motor Torque Ref]
662 DPI数据输出B1[DPI Data Out B1] / /
663 DPI数据输出B2[DPI Data Out B2] 300 电动机速度反馈[Motor Spd Fdbk]
664 DPI数据输出C1[DPI Data Out C1] 222 电动机反馈首选装置[Mtr Fdbk Sel Pri]
665 DPI数据输出C2[DPI Data Out C2] 317 同步链接系统时间[SL System Time]
666 DPI数据输出D1[DPI Data Out D1] 308 输出电流[Output Current]
667 DPI数据输出D2[DPI Data Out D2] 303 电动机转矩基准值[Motor Torque Ref]
PLC的输出数据，对应变频器的输入数据
/ / 651 DPI 数据输入A1[DPI Data In A1]
/ / 652 DPI 数据输入A2[DPI Data In A2]
/ / 653 DPI 数据输入B1[DPI Data In B1]
/ / 654 DPI 数据输入B2[DPI Data In B2]
90 速度调节器带宽[Spd Reg BW] 655 DPI 数据输入C1[DPI Data In C1]
/ / 656 DPI 数据输入C2[DPI Data In C2]
/ / 657 DPI 数据输入D1[DPI Data In D1]
/ / 658 DPI 数据输入D2[DPI Data In D2]
4.5．更换同型号电机和反馈类型改变后，需要重新做AUTOTUNE，（自整定）可以继续使用原有其他参数。
4.6. DriverTools调试软件
PowerFlex700S系列交流变频器可用软件DriverTools进行参数设定。该软 件提供下列参数功能：
* 菜单索引的参数存取
* 参数组读及写
* 将现有的参数组复制到同系列的其它装置上
* 打印参数组
* 过控制字进行操作（开关量命令、如开/关命令）及施加给定值
* 通过状态字进行观察及读出实际值
* 读出故障信号和报警信号
5． 结论
酒钢碳钢薄板厂120t 3#转炉倾动、氧枪变频器改造项目，自2011年6月22日改造完成投入生产以来，运行非常稳定，性能可靠，故障率低，受到了生产岗位的肯定和好评，应用证明，罗克韦尔自动化公司Allen-Bradley Logix平台控制系统-ControlLogix，NetLinx网络架构–ControlNet，及基于磁场定向矢量控制（Field-oriented Control）技术的PowerFlex700S交流变频系统非常完美地完成了酒钢集团碳钢薄板厂120T转炉设备的传动任务，该系统具有目前世界最先进的变频技术，有较大的市场推广价值。
6．参考文献
（1）中冶赛迪工程技术股份有限公司. 酒泉钢铁(集团)有限责任公司炼钢转炉工程技术附件
2004.6.8.
（2）PowerFlex700S高性能交流变频器用户手册 2007.
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