1、變頻器主從控制原理
變頻器主從控制即使用多個變頻器控制一個或一組負載，負載之間通過剛性或柔性耦合。外部信號(包括起動、停止、給定信號等)只與主機變頻器相連，主機通過光纖將從機控制字和轉(zhuǎn)速給定值、轉(zhuǎn)矩給定值廣播給所有的從機，實現(xiàn)對從機的控制。從機一般不通過主從通訊鏈路向主機發(fā)送任何反饋數(shù)據(jù)，從機的故障信號單獨連至主機的運行使能信號端，形成聯(lián)鎖。一旦發(fā)生故障，聯(lián)鎖將停止主機和從機的運行。
圖1 ABB變頻器主從連接(注：T=發(fā)送器；R=接收器；RMIO=I/O和控制電路板)
圖2 ABB從機故障信息配線
變頻器主從控制應用注意點：一般主機采用速度控制，而從機采用速度還是轉(zhuǎn)矩控制要視主從電機軸是采用什么方式耦合，主從之間采用剛性連接時從機需采用轉(zhuǎn)矩跟隨，柔性連接時要采用速度跟隨。因為前者兩組傳動裝置間不能存在速度差異，后者會存在速度差異。
2、高爐上料工藝對傳動系統(tǒng)的要求
在高爐上料系統(tǒng)控制中，上料小車的控制是整個電控系統(tǒng)的核心部分。它是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求,把槽下備好的不同料類和不同重量的原料及時、安全、準確定位地運送到高爐爐頂，保證高爐的正常生產(chǎn)，一但控制出現(xiàn)故障，將直接影響高爐的生產(chǎn)。
高爐原料從槽下輸送到爐頂。小車輸送方式是：小車卷揚機采用交流電動機拖動，電機正、反轉(zhuǎn)控制，牽引通過鋼絲繩連接的兩臺料車在斜橋上一上一下交替工作，為了能對小車做到精確控制，控制系統(tǒng)必須具備以下條件：
①系統(tǒng)能頻繁起動、停止。
②系統(tǒng)能正、反雙向控制。
③系統(tǒng)能做到無極調(diào)速，調(diào)速范圍大、平滑性較高，做到平穩(wěn)起動－加速－穩(wěn)定運行－減速－平穩(wěn)停車。
④系統(tǒng)起動轉(zhuǎn)矩大，做到平穩(wěn)起動。
⑤系統(tǒng)在停車時做到穩(wěn)定、精確定位，防止料車過頭。
⑥在零速時維持大轉(zhuǎn)矩輸出，防止料車起動和停車時重載下滑。
圖3 高爐料車系統(tǒng)
上料工藝對料車控制的最主要的要求是：在起動或停車的瞬間也就是在零速時，變頻器必須有最大的轉(zhuǎn)矩輸出，以防止料車下滑，因此在起動時對轉(zhuǎn)矩的要求大于對速度的要求。
3、傳動系統(tǒng)的方案選擇
當前交流變頻調(diào)速系統(tǒng)主要為矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct torque control，簡稱DTC)。直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標的概念，在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，因此DTC直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)可以做到轉(zhuǎn)矩的建立優(yōu)先于速度。市面上各種品牌的變頻器控制方式大多采用矢量控制，而ABB采用獨特的DTC直接轉(zhuǎn)矩控制方式，因此在設計中選用ABB的ACS800系列變頻器。
本案例中，根據(jù)生產(chǎn)工藝負載的需要，計算出拖動負載電機的容量為700KW。如果采用單電機傳動，電機、減速機等機械設備體積和重量龐大，對安裝和日后的維護帶來不方便，而且工作量大，同時控制系統(tǒng)的變頻器所需的容量大、價格昂貴。在啟動和運行過程中，電機電流大，對電氣設備、電纜要求等級高，這都增加了投資成本。最后決定采用多傳動控制方案。
4、變頻器主從控制方案的實施細節(jié)
4.1 本案例中主要設備如下：
①4臺ACS800-07-0770-3變頻器，每兩臺為一組主從控制系統(tǒng)，雙套機組為“一用一備”；
②兩臺ABB 380V 355kW（HXR450L G8）交流電機；
③兩臺ZSY710-22.4減速機(中硬齒面，減速比22.4)；
④4臺 YWZ9-800/301料車機械制動器(三相AC380V)；
⑤2只庫伯勒(kuebler) 絕對單圈軸型編碼器8.5852 1232 G121；
⑥4套LK4-188/3主令控制器(i=1:20，10A，380V，24路出點)；
⑦兩套保護控制柜；
⑧4套制動電阻柜；
⑨兩套電源切換柜。
4.2 變頻器主從參數(shù)設置
在高爐上料傳動系統(tǒng)中，主機和從機的電機軸通過減速箱、鋼絲繩卷筒進行剛性連接在一起，因此主機應該采用速度控制模式，從機應該采用轉(zhuǎn)矩控制模式，以使傳動單元之間不存在速度差異。所有的外部控制信號將只連接到主機上數(shù)字輸入口DI1—DI6，而從機的控制信號通過光纖從主機通訊獲得，不需另接外部控制信號。由于從機不會通過串行主/從機的連接向主機反饋任何數(shù)據(jù)。因此單獨使用一根電纜將從機故障信息端口RO3傳送給主機的啟動聯(lián)鎖端口X22組的８和11號端子。該連接在從機出現(xiàn)故障時，主機和從機都會停止運行。
表1列出了在主、從控制應用中需要調(diào)整的參數(shù)。
表1 ACS800主從控制參數(shù)更改表
4.3 電機運行方向和多步速度控制的實現(xiàn)
以下的線路連接和參數(shù)設定只在主機上完成。
4.3.1 電機起動、運行方向的控制
高爐上料計算機控制系統(tǒng)是由一套施耐德Quantum PLC控制的。料車的控制分為自動和手動兩種方式，自動由PLC完成，手動由操作箱完成。由于上料小車是一個重載負荷系統(tǒng)，考慮到控制的安全性問題，在設計中采用通過電纜一對一信號傳輸控制，PLC輸出兩個正、反向運行數(shù)字信號I0.1、I0.2以及手動開關信號通過控制選擇，通過必要的保護聯(lián)鎖后，連接到變頻器的DI1和DI2兩個輸入點，完成變頻器的起動、正反轉(zhuǎn)、停車的控制。在完成了外部連線后必須對變頻器內(nèi)部相應參數(shù)進行設置，主要設置參數(shù)如表2：
表2 ACS800主從控制參數(shù)更改表
4.3.2 料車運行過程中的速度控制
上料小車在整個運行過程中，要經(jīng)過五個不同速度階段，速度運行圖如圖4所示。
①起動加速階段：料車在坑底從零速以較小的加速度上升至于鋼軌斜橋拐點a處；
圖4 料車運行速度
②從鋼軌斜橋拐點a處以較大的加速度直接加速到高速(450r/min)階段；
③高速運行450rpm/min階段；
④在距爐頂10米處，減速運行到150rpm/min階段，b點到d點；
⑤ 停車運行階段，d點到e點。
上料系統(tǒng)小車在不同速度階段和停車點的位置控制是非常重要的，若減速位置滯后，在停車時速度太快、設備竄動大，會造成料車“掛頂”，損壞設備；若停車點提前造成料車不到位，原料不能到受料斗。為了實現(xiàn)料車的精確定位，通過凸輪式主令控制器和絕對式編碼器來實現(xiàn)精確定位。
凸輪式主令控制器經(jīng)過減速機連接在料車鋼絲繩卷筒的軸上，由于卷筒軸的轉(zhuǎn)動帶動主令控制器凸輪的轉(zhuǎn)動，導致主令控制器各個相應機械觸點的閉合或斷開，就可不斷給出料車的各個位置信號，分別有：“料車在底部”、“料車減速”、“停車”、“抱閘”、“減速檢查點”、“超極限”、“上密檢查點”等行程位置信號。
料車在底部時，主令控制器“料車減速點”位置信號為常閉點，連接到變頻器的DI4 數(shù)字輸入端子，此時變頻器速度設置值為450r/min。在料車距爐頂10M時，主令控制器“料車減速點”信號斷開,變頻器DI4信號消失，變頻器速度設置值切換為150rpm/min，料車開始減速運行。
在料車減速運行的c點為“減速檢查點”，PLC將通過編碼器位置信號檢測料車是否超速；同時，通過變頻器內(nèi)部編程，用變頻器內(nèi)部檢測電機是否超速，輸出繼電器DO3從電氣回路連鎖料車超速。一旦檢測到料車超速，上述兩個措施都會立即停止變頻器輸出。
為了實現(xiàn)料車的平穩(wěn)起動，在ABB變頻器自定義編程里定義了料車加速的“斜坡切換”：在料車啟動后的18秒內(nèi)，以較長的加速時間加速，從0點運行到a點；料車在平穩(wěn)經(jīng)過鋼軌斜橋拐點后再以較短的加速時間加速到450rpm/min。
料車停車位置由主令控制器在離爐頂0.5M的d點處將信號發(fā)給PLC，PLC將輸出給變頻器的正反運行信號設置為“00”，此時變頻器通過斜坡減速后到轉(zhuǎn)速1rpm/min時實現(xiàn)平穩(wěn)、精確停車。
主令控制器的“超極限”信號，是料車到高爐頂部的超極限保護點f，也通過電氣回路，串聯(lián)到變頻器的“零壓”保護信號點。是最后一個保護點，以防料車沖頂。
表3為變頻器實現(xiàn)速度控制的主要參數(shù)和自定義編程：
表3 ACS800速度控制參數(shù)
5、制動方式的選擇和實現(xiàn)
為防止料車在起動時后退下滑事故的發(fā)生和實現(xiàn)爐頂?shù)木_停車，電機的制動措施的實施是關鍵。
5.1 變頻器起動、停車方式的選擇
根據(jù)高爐上料系統(tǒng)中料車的起動是重載起動，而且電機起動必須與機械制動釋放同時進行，因此在變頻器中選擇電機起動的方式的參數(shù)“21.01 START FUNCTION”必須選擇為“CNST DC MAGN”（恒定直流勵磁方式），為確保在需要高瞬時轉(zhuǎn)矩應用場合的需要，恒定預勵磁時間要設置到足夠長，以產(chǎn)生足夠的勵磁和轉(zhuǎn)矩。預勵磁時間在參數(shù)“21.02: CONST MAGN TIME”中根據(jù)實際需要設定。
為保證料車的平穩(wěn)、精確停車，減少電機和機械設備的竄動，變頻器中選擇電機停車方式的參數(shù)“21.03: STOP FUNCTION”必須選擇為“RAMP”(斜坡減速停車方式)。
5.2 電氣制動方式的選擇
ACS800變頻器內(nèi)部有電磁制動和直流制動兩種電氣制動方式，我們?yōu)榱吮ＷC料車的平穩(wěn)、精確停車，減少電機和機械設備的竄動，電機停車方式選擇為斜坡減速停車方式，而斜坡減速過程是在運行信號斷開以后。而運行信號斷開以上兩種制動方式立即失效，達不到制動目的。因此采用制動斬波器和制動電阻器進行制動，可以通過變頻器的“27 BRAKE CHOPPER”（制動斬波器控制）中的6組參數(shù)對有效性、控制模式、電阻值、熱時間常數(shù)、過載保護、功率值等進行設置。
5.3 制動的控制
上料料車在停車后或運行過程中可能發(fā)生突然停電等故障，這時電機處于無力矩狀態(tài)，重車將下滑，必須有外部的機械制動才能控制，可采用大推力液壓抱閘制動器。而液壓抱閘制動器在松開和閉合過程中都有滯后性，同時起動過程是重載，電機需要建立足夠的轉(zhuǎn)矩和電流，制動器才能松開，所以對制動器的控制是非常關鍵的。ACS800變頻器機械制動控制功能就可以實現(xiàn)對外部制動器的精確控制。
在料車啟動瞬間，首先要檢測變頻器輸出力矩是否足夠。在判斷建立了足夠的轉(zhuǎn)矩和電流后，變頻輸出繼電器DO2得電，加入抱閘接觸器得電條件的連鎖，控制液壓抱閘的打開。參數(shù)設置如下：
表4 啟動力矩判斷的自定義編程
為了保證系統(tǒng)的安全運行，外部制動器除了受變頻器控制外，在其控制線路上還必須串入位置檢測保護信號、超極限保護信號、變頻器故障信號、零壓保護信號、急停開關、鋼絲繩“松繩”、“變頻低速”等聯(lián)鎖保護信號，做到某一故障發(fā)生時能即時制動。選擇停車方式是斜坡減速停車同時使用了機械制動功能，在故障需要立即停車也就是在參數(shù)“21.07 RUN ENABLE FUNC”選擇“OFF3 STOP”（急停停車）功能時，變頻器也是以“斜坡減速停車”為主，無法立即停車，但在變頻器上有一個啟動聯(lián)鎖端口X22組的8和11號端子，在正常工作時必須短接，如果斷開，變頻器立即封鎖輸出，因此我們把急停開關、故障停車等信號接入8和11號端子之間，需要立即停車時斷開這兩個端子之間的連接，保證了料車的安全。
