不锈钢高速线材及大盘卷工程电气及自动化系统

杨雪梅

摘要:不锈钢线材市场前景好，国内市场对不锈钢线材下游深加工产品——五金线和紧固件线材的需求逐年增大，国内生产高品质的不锈钢线材企业很少，产品几乎依赖进口，市场需求潜力较大。浙江某集团公司抢占先机，经过15个月设计、施工,于2013年顺利竣工投产一条不锈钢高速线材及大盘卷工程。该生产线年设计能力30万吨,可生产Φ5—Φ38mm不锈钢盘条，主要钢种为不锈钢、优质碳素结构钢、硬线钢、低合金钢、焊条钢、冷镦钢等高端产品，达到世界先进水平。这是国内率先投产的不锈钢高速线材及大盘卷项目,它的建成为拓宽产品结构、提高市场竞争力提供有力保障。

该工程配备有一座加热能力为90吨/小时的步进梁式加热炉，1H～24V机架选用DANIELI短应力线轧机，平立交替的布置形式。高线精轧选用DANIELI顶交45°10机架无扭精轧机组和2+2双模块线材减定径机组和，2台瑞典森达斯的卧式钢带打捆机等主要设备。全线无扭轧制、控制轧制、控制冷却，设备技术装备达到国际先进水平，产品精度达到国标C级，机械性能好，品质高，具有较强的市场竞争能力。全线采用ABB电控系统。全连轧自动化系统和调速传动系统由高性能工业微机、可编程序控制器（PLC）及ABB全数字交、直流传动控制装置构成，辅以全分布式网络。整个自动化系统由三级控制系统和两层通讯网络构成。本文现就该工程的电气和自动化系统的配置、功能及特点作一详细分析。

关键词:供电 传动 速度级联 微张力逻辑联锁顺序控制

中图分类号：U223文献标识码： A

1供电

1.1全厂负荷

全厂电气设备总装机容量约45000kW，其中交流主传动设备容量25400kW。全厂总有功计算负荷约28000kW，补偿前功率因数为0.84，补偿后功率因数为0.93。

1.2高压供电

全厂正常由两路35kV电源供电。35kV电源采用电缆进线。当一路电源故障时，另一路电源可带全部负荷。高压开关柜选用KYN61-40.5系列中置式开关柜，柜内高压开关采用优质真空断路器ZN-85，断路器断流容量为40.5kA。继电保护采用微机综合保护监控系统。带微机后台装置一套。高压系统的操作及保护电源采用铅酸免维护电池组，电压为DC220V。

1.3高次谐波及功率因数补偿

本车间需要调速的负荷较多，且采用晶闸管变流装置供电。变流装置产生的高次谐波将使电压波形产生畸变，使电网质量下降。为减少高次谐波对电网的影响，拟将整流变压器按负荷大致分成两组，两组整流变压器的绕组联结电压相位相差30度，以减少谐波分量。同时设置谐波滤波装置和无功补偿装置，使车间35kV侧功率因数达到0.93左右，高次谐波电压波形畸变率极限值限制在国家标准允许范围内。根据就地补偿的原则，谐波滤波及无功补偿装置安装在1#主电室内。

1.4低压配电

全厂交流380V用电设备（不包括变频调速设备）总装机容量约18000kW。其中加热炉系统装机容量1200kW；水处理系统装机容量约2800kW。共选用7台国产优质节能型S11低损耗动力变压器向全厂低压负荷供电。

车间低压配电系统主要采用放射式供配电结构，部分检修电源采用链式供电。同一电气室动力变压器二次侧的低压配电柜设有联络开关通过母线或电缆连接起来。低压配电柜及MCC选用GCK抽出式开关柜，柜内电气元器件采用合资优质产品，柜内断路器短路额定开断大于50kA。低压配电柜回路数按冗余15％设计、制造。

2电气传动

2.1 主电机

本方案采用粗、中、预精轧、精轧24机架主传动电机为交流变频电机单独传动；线材精轧机10机架采用 4800kW交流变频电机集体传动；减定径机采用 3000kW、1000kW交流变频电机集体传动。

上述电机满足轧钢用电动机标准和要求，粗、中、预精轧、精轧主传动24台电机和减定径机模块2的电机采用国产交流调速异步电动机;精轧机及减定径机模块1采用国产交流调速同步电动机。

1~24机架交流主电机和减定径机模块2的电机均采用强迫风冷，定子电压690V，电机机座和端盖经树脂砂工艺浇铸而成，外带散热筋结构。电机绝缘等级F级，温升按B级考核；电机防护等级IP54。电机配有定子测温元件及防潮加热器，适用于全数字电压源型变频电源。电机速度检测采用旋转式脉冲发生器。

1~24机架交流主电机和减定径机模块2的电机均为S1 连续工作制，其过载能力如下：

基速：115%额定负载连续运行

160%额定负载：频繁运行（每60秒运行10秒）

切断过载为250%额定电流。

高速：160%额定负载1分钟

160%额定负载：偶尔运行60秒

切断过载200%额定电流。

精轧机组主电机为一台4000kW交流同步电机，减定径机组模块1主电机为一台3000kW交流同步电机，额定电压3150V。电机采用空-水冷却方式，自带空-水热交换器。电机配有定子绕组测温、轴承测温及防潮加热器，防护等级（本体/滑环）为IP54/IP23。

在额定电枢电压下和额定转速范围内，过载能力如下：

115%额定功率负载：长期连续运行；

150%额定功率负载：60秒（基速）；

140%额定功率负载：60秒（高速）；

2.2 辅传动电机

（1）交流辅传动电机

全厂需调速的交流辅传动电机采用变频电机，电机额定电压380V，电机绝缘等级F级，防护等级IP54，电机冷却采用自然冷却或带风机强迫冷却方式。

（2）全厂不调速的交流辅传动电机采用笼型转子异步电机，电机额定电压380V，电机绝缘等级F级，防护等级IP54，电机冷却采用自然冷却方式。

2.3 交流调速系统

（1） 概述

除线材精轧机组和减定径机组外，其余粗、中、预精轧机、精轧机、大盘卷卷取机等交流主传动以及交流调速辅传动均采用ABB公司的ACS800系列产品(包括完整的控制单元及功率单元)，由ABB电气工程公司供货。

线材精轧机及减定径机主传动采用ABB公司的ACS6000大功率中压3电平DTC控制的IGCT交-直-交变频调速装置。

各交流变频系统具有调节器参数自调谐、故障自诊断、状态检查、信号记录等功能，调节系统对速度及电流进行闭环控制。

各交流主传动测速装置采用无联轴器的空心轴型脉冲发生器。

不调速的交流电动机采用接触器控制。

传动装置主要性能指标：

装置的电流输出应满足：100%电机额定值连续工作，150%短时工作。

可进行恒转矩/恒功率调速。

动态响应不低于0.25%s。

静态精度不低于0.01%。

（2） 粗、中、预精轧、精轧和卷取机交流变频主传动

交流主传动调速系统主要由整流变压器、进线开关、进线电抗器、整流装置、逆变装置、制动单元等组成，构成公共直流母线系统。整流装置由整流变压器供电，不同的变压器的二次侧绕组分别采用Y(星型)和D(三角型)接线，形成等效12脉动整流，以减少供电系统的总体谐波分量。

传动装置采用ABB公司的ACS800（额定电压AC690V）系列产品，

ABB公司的ACS800系列产品是全数字交—直—交变频传动装置，所有的控制、调节、监控及附加功能都由微处理器来实现。

（3） 线材精轧机组和减定径机组交流变频主传动

精轧机和减定径机交流变频主传动需要从国外引进，采用ABB公司ACS6000系列三电平IGCT交-直-交变频调速装置。该系统完成同步电动机的软起动及变频控制。

ABB系统为全数字型，采用微机来完成所有的调节、控制、保护与监视，也具有完善的自诊断和故障报警、显示、记录功能。由于采用了带脉冲发生器的速度反馈和全微机控制，ACS6000系统可达到与直流传动相同的控制精度和动态响应。

在ABB控制柜的正面有一个操作与指示面板，可完成如下功能：

通/断操作

就地/遥控操作

复位

手动速度设定

紧急停车

面板上有小型显示屏，可显示电流、电压、故障信号，记录数据等。

ABB系统设有如下保护：

过流保护

过载保护

瞬时过电压保护

可控硅元件保护

接地保护

变流器冷却系统保护

电机失步保护

低电压保护

超速保护

欠励磁保护

（4） 辅传动变频装置

轧线交流调速辅传动也采用ABB 公司的ACS800系列产品，配套组柜。设计采用公共直流母线形式，整个轧线变频辅传动设一组整流单元（即设一条公共直流母线）。整流部分采用三相全波整流，功率元件为二极管，逆变部分采用三相全控桥，功率元件为IGBT。

2.4 整流变压器

全厂共配置9台油浸式整流变压器，分别为5800kVA 、5000kVA 、5000kVA 、5800kVA 、3300kVA ，35KV/0.69KV；1000kVA 、1300kVA，35KV/0.4KV； 11000kVA，35KV/3.16KV ；800kVA，35KV/0.4KV。整流变压器接线组别分别采用Dd0、Dy11，组成等效的12相整流，以降低35KV 母线上的谐波电流。所有整流变压器为油浸式铜线绕组，在设计制造整流变压器考虑如下几个方面：

－能承受较大的短路电流，要求较坚固的结构

－能承受较大谐波电流，要求散热能力强

－考虑到谐波的作用，要求采用较小的磁通密度

－瓦斯继电器，用于报警和跳闸

－指针式温度表带电气接点，用于报警和跳闸

－油箱，油位指示器

－呼吸阀

－底座及滚轮

3基础自动化系统

3.1电气控制系统简介

本系统方案是ABB公司可编程数字控制系统800xA为核心,配以成熟的线棒线材轧机控制软件包，构成网络化的强大分布式控制系统。基础自动化系统与传动系统之间完全通过网络交换信息，实现全数字化的控制，轧线主辅传动全部采用交流变频调速。控制信息和系统状态信息通过监控网(ETHERNET)和分布式I/O网(GENIUS BUS)交换。

控制系统硬件、人机接口终端(HMI)计算机和通讯网络，构成了全厂监视、控制系统。

3.2 控制功能概述

轧机速度设定和区域起停控制

轧机级联系统控制

手动机架间控制

微张力控制

自动活套控制

跟踪和堆钢自动检测

启停式飞剪周期控制

头尾剪切控制

测试

吐丝机前夹送辊控制

吐丝机控制

传送辊道上的头部定位控制

轴定位控制

协调控制

模拟轧制

连锁和顺序控制

事件和报警

3.3 基础自动化系统功能描述

操作人员通过 HMI人机接口系统与轧机控制系统交换信息，显示画面采用全汉字界面。系统可提供方便灵活的选择、设定和监控功能:

·轧线设备组态

·轧制表的建立、存贮和修改

·各种报警信息的显示、存储与打印

·系统故障诊断

·运行状态报表的存储及打印

·所有工程参数的预设定及修改

·为上述目的有如下显示画面:

a) 主菜单和子菜单

b) 轧线组态和机架间控制选择

c) 速度设定

d) 辊径设定

e) 轧制程序

·轧制状态显示,包括:

a) 主传动电流及速度的直方图和趋势图

b) 活套位置基准设定

c) 冲击速度补偿

d) 主轧线模拟图

e) 轧线故障及轧线PLC故障的报警画面

f) 帮助画面

通过人机接口终端计算机系统, 操作人员可进行轧线组态和设定。如果在计算机系统内有预先存贮的轧制程序，则可直接调用,对轧线进行自动设定。通过屏幕可方便地进行轧制程序表的输入、修改、存贮及调用。用鼠标指定需要修改的数据后便可进行设定、选择、修改等操作。事故及报警表通过屏幕显示并可自动存盘，自动打印，传动柜故障可在人机接口上很方便地查询到故障原因，这样可大大节省故障处理时间。

3.4 基础自动化系统控制设备

基础自动化系统主要控制器采用ABB公司的AC800系列PLC。它的逻辑及算术运算速度高，能满足各种复杂的、高速的实时控制要求，且具有很高的可靠性。

4 电气室

车间内设：0#加热炉区电气室: 一层建筑，MCC控制柜。

1#电气室：三层建筑，一层安装变压器、高低压开关柜、MCC控制柜、谐波滤波装置等；二层为电缆室且与主车间电缆通道相通；三层安装主、辅传动装置，并设有PLC控制室。主电室三层设有水冷空调。

2#电控室：二层建筑，安装变压器，MCC控制柜，PF线及打捆机PLC柜，以及用于风冷线的变频传动装置。

5 操作室

车间内设有7个操作室:

CS1：热送区操作室

CS2：炉前区操作室

CS3：轧线主操作室

CS4：集卷站操作室

CS5：称重区操作室

CS6：1#卸卷区操作室

CS7：2#卸卷区操作室

CS8：大盘卷挂卷区操作室

6 照明

车间内照明灯具的照明线路采用～380/220V三相四线制供电，至插座的线路采用～380/220V三相五线制，车间及轧辊机修间采用高效﹑节能﹑长寿命灯具照明，其它房间采用荧光灯或白炽灯照明，5 米平台下及主电室电缆夹层采用工厂灯照明，重要场所如主电室、电控室、操作室、主值班室等设应急照明灯。一般照明电压为～220V，检修照明选用移动式行灯及行灯变压器，拟采用24V安全电源。

7 防雷接地、工作接地及安全接地

(1)工作接地及保护接地:低压供电系统工作接地类型为TN-C-S系统，车间防雷按第三类工业建筑标准设计。

(2)防静电接地:对于易燃气体及流体流经的金属管道，每隔一定的距离及在管道的分支处进行接地。

(3)防雷接地:厂房防雷接地保护可利用建筑物金属体做防雷及接地装置。

(4)控制系统逻辑接地

(5)计算机系统接地

对于所有无特殊要求的接地系统，可以采用统一的接地体，其接地电阻按各接地系统所需的最小接地电阻确定。对于设备供货商有特殊接地要求的电气设备，单独进行接地设计。

对控制系统逻辑接地及计算机系统接地，其接地线路应采用放射式连接。其它的系统接地，其接地线路可采用干线式连接。

车间内所有正常不带电的电气设备的金属外壳均应可靠接地。

8 电气系统的消防措施

本轧钢车间为二级负荷，由二回线路供电。在主电室、电控室、操作室及主值班室设置手推车式或手提式灭火器，主电室还设有疏散指示标志及应急照明灯，同时在上述建筑物（不包括操作室及值班室）、变压器室内设置火灾自动报警装置；这些建筑物内的通风设备将与火灾自动报警系统联锁。

电缆的防火与阻燃主要采取如下措施：

1) 在电缆敷设完毕后，对所有电缆穿越的孔洞用阻燃材料进行封堵。

2) 对于电缆桥架，设置阻燃桥架。

3) 在环境温度高的区域使用耐高温电缆。

4)在火灾危险环境使用阻燃电缆。

5) 具体细节按照GB50217-2007《电力工程电缆设计规范》的规定进行设计。

9 电气线路及敷设

全厂电缆选用阻燃型铜芯交联乙烯绝缘电缆，局部采用耐高温电缆，变频电缆。

电缆敷设采用以电缆桥架+5m轧制平台下及1#电气室电缆室顶板下吊挂为主的敷设方式，局部地方设电缆沟。

结束语

由中冶华天工程技术有限公司设计的不锈钢高速线材及大盘卷工程，供配电方案充分考虑了此类项目的特点，经济，合理，可靠。全线采用的ABB传动及自动化控制系统硬件配置水平高,系统结构科学,控制功能完善。该项目立足高起点，瞄准国际冶金技术前沿，主要设备从意大利进口，达到世界先进水平。它的建成弥补了我国不锈钢线材下游深加工产品——五金线和紧固件线材需求旺盛，市场供给不足的缺憾，在钢铁行业都将产生重要影响，并为抢占国内外钢材的高端市场奠定了基础。