基于西门子6RA7013控制器的棒材冷床动台调速装置

陈元招

(闽西职业技术学院电气工程系，福建 龙岩 364021)

随着现代生产技术和自动化设备的不断发展，棒材生产线的自动化程度越来越高，生产周期的缩短要求配套的辅助设备不断完善和改进。棒材生产一般要经过加热、轧制、输送、剪切、冷却及收集包装等工艺流程，冷床动台控制系统在整个工艺流程起着重要的作用。为了快速准确传动，冷床动台控制系统有交流电机传动和直流电机传动。交流传动大多用在年产量30万t左右的冷床控制系统，这种传动设备投入较低，皮带传动安全可靠，能快速、准确传动，但是传动比固定，无法按轧制节奏改变动作周期，需定期对皮带进行张紧。而直流传动适用于50万t左右的冷床动台传动，不仅执行元件少、传动准确、速度可调，而且在调试完成后制动器的出力会得到改善，摩擦片生产消耗量少。步进式冷床适应生产线的连轧化、较高轧制速度和切分轧制的要求，因此在棒材连轧生产线上得到广泛应用。

国外某钢厂新建一条年产量50万t，产品规格φ16～100 mm的棒材生产线，本文结合该生产线对棒材冷床动台调速装置进行设计研究［1］，介绍冷床动台控制系统构成及大功率全数字直流调速装置，并进行了参数设置和调试。

图1 PLC外围接口控制电路

1 冷床工艺流程

冷床是冶金轧钢行业对轧制产品有效进行冷却的工作台面。冷床主要由输入辊道、冷床本体、齐头装置及输出辊道组成。冷床本体是棒材冷却的主要区域，主要由矫直板、定台面、动台面及对齐辊道组成。动台面上部主要由固定梁、活动梁和齿条等组成，其冷床床面由步进齿条和固定齿条组成，步进齿条相对固定齿条平面平行运动，传动装置设在床体下面，冷床不工作时，固定齿条的齿面高于步进齿条齿面。步进齿条由1组偏心轮带动齿条运动，制动时偏心轮停在起始位置，当系统接到启动指令后，冷床电机启动，带动偏心轮从起始位置→加速运动→匀速运动→制动减速运动→回到起始位置，是一个“启-停”步进梁型冷床。活动梁向前移动1步，是通过步进齿条的移动来实现的。每1步结束，活动梁把棒材在1个带有与活动梁相同齿条的固定梁上，输出辊道传输1根棒材，步进齿条循环1次，不断地重复上述动作，棒材就会在冷床台面上逐个齿距地向前移动，使棒材在冷床步进过程中达到了工件冷却效果。

2 冷床动台控制系统构成

在传送过程中，棒材从冷床输入辊道落入稳定矫直板第一齿槽内，动台面按设定的工作周期将棒材沿直径方向一步步送到静台面上。动台面的传动有交流电机和直流电机传动，为了保证传动准确、速度可调及节约成本，防止堆钢，动台面采用直流电机传动。

冷床动台电机由PLC实现逻辑控制，PLC硬件采用西门子S7-200系列产品，冷床动台电机传动采用西门子6RA7013控制器、功率单元及励磁单元构成大功率全数字直流调速装置，通过人机界面(HMI)设定冷床参数，完成冷床动台控制系统功能要求。

2.1 PLC控制单元

冷床动台电机采用PLC控制，由接近开关进行位置检测，实现冷床动台电机的启停控制和速度给定功能，PLC外围接口电路如图1所示。轧件工艺参数设定和对现场设备的操作信号从HMI传送给PLC进行数据处理后，输出冷床定位和冷床点动信号控制冷床直流传动系统，而输出的给定信号、装置合闸及使能合闸信号控制6RA7013控制器外围接口的中间继电器，6RA7013控制器根据给定、装置合闸、使能合闸及反馈信号，实现冷床动台电机的启停、运行控制和运行状态监视等功能。

PLC程序如图2所示。当装置合闸开关旋转到接通后，再把运行开关旋转到接通位置，按下启动按钮，冷床动台电机启动，进行冷床定位，当冷床运动到低位接近开关时，冷床动台电机停止，冷床回到起始位置。

图2 PLC程序梯形图

图3 6RA7013控制器外围接口电路

2.2 大功率全数字直流调速装置

2.2.1 西门子6RA7013控制器

西门子6RA7013控制器是一个以电流环为内环，速度环为外环的双闭环逻辑无环流调速控制系统［2］。该控制器内置高性能微处理器，实现电枢和励磁回路所有从速度设定到触发脉冲的调节，以及监控、通讯、故障处理等各种辅助功能。而整个控制软件以功能块程序的方式存储在闪存中，通过操作控制面板的参数设置，可以方便地将软件功能块“连接”起来实现各种驱动控制和逻辑控制等功能，可自动测取、优化参数实现智能优化功能。由于采用全数字控制，运行可靠，抗干扰能力强，具有故障自诊断和处理功能。通过CBP2通讯板与PLC之间可快速完成过程数据传输与运算。6RA7013控制器外围带有开关量输入输出、模拟量输入输出、编码器接口、电机温度监控接口、通讯接口、操作面板编程接口，还可附加多种扩展板和附加板。6RA7013控制器外围接口电路如图3所示。

2.2.2 功率单元

根据步进式冷床控制特点，要求冷床动台电机频繁启动/停止，因此功率单元电路采用2组晶闸管装置反并联电路，工作在四象限电枢可逆运行的逻辑无环流状态［3］。功率单元电路如图4所示。6RA7013控制器根据给定值和反馈值进行数据处理计算，输出满足控制要求的正、反2组触发脉冲。当1组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另1组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，确保2组晶闸管不同时工作。为了抑制交流侧浪涌电压，则在进线侧串联电抗器，并在直流侧设置了保护电路，抑制晶闸管尖峰过电压。

2.2.3 励磁单元

由于励磁单元功率较小，选用晶闸管模块和二极管模块构成的单相桥式半控整流电路，可实现停机、满磁、自动弱磁等功能。励磁单元电路如图5所示，按直流电机励磁额定电压和电流值进行参数设置，6RA7013控制器根据设定值进行数据处理计算，输出的触发脉冲(G1、G2)控制晶闸管模块，得到直流电机所需的励磁电压;同时还将实际励磁电流信号反馈到6RA7013控制器，构成闭环电流控制系统，通过参数设置，实现励磁优化控制。

图4 功率单元电路

图5 励磁单元电路

3 调试及参数设置

3.1 开机试运行

检查电路连接是否正确，对6RA7013控制器的微处理器内在软件进行刷新，使调试参数与功率单元相对应，再进行开机前参数设置(详见《西门子6RA70系列全数字直流调速装置使用说明书》)。电机试运行参数见表1。

参数设置完成后，进行“装置合闸”，用万用表测量后计算励磁电流是否正常。如果计算值偏低，则增大参数P102值;反之减小，直到励磁电流略小于额定励磁电流。当励磁电流正常后，再进行“使能合闸”。合闸后，电位器缓慢增加，观察输出电压表有电压输出时，若电枢电流变化很快或有异常，则马上按下急停按钮;若输出电压正常且电机转动，则再增大电位器给定，完成电机试运行。

表1 电机试运行参数

3.2 参数优化设置

冷床动台电机试运行后，电枢两端电压波形可能出现缺相或幅值不同，为了得到更好的实际运行效果，需进行参数优化设置，即电流环优化、速度环优化和弱磁优化，这些参数优化可以进行自动优化和手动优化设置。

参数优化时可以先分别设置P051为25、26、27进行自动优化，也就是根据外部硬件在调速器内部软件自动换算获取优化参数。当自动优化设置不能完成时，可以输入经验参考值人为手动优化设置。若要达到对电机电枢和励磁的预控制，则可按表2输入不同参数的参考经验值进行电流环优化;若要达到对电机的运行速度动态响应得到改善，则按表3输入不同参数的参考经验值进行速度环优化;最后判断是否是弱磁电机或电机额定转速是否满足工艺要求，再确认是否需要进行弱磁优化，若需要，则拆开联动，按表4输入不同参数的参考经验值进行弱磁优化，使直流调速器达到最优的控制效果。

在参数优化过程中，打开“急停”“装置合闸”“使能合闸”开关，若发现电枢电流持续加大等异常情况，则马上按下“急停”按钮。

表2 电流环优化设置参数

表3 速度环优化设置参数

表4 弱磁优化设置参数

3.3 电枢试验

参数优化完成后，先检查三相全控桥式整流电路的接线，用万用表测量电枢电阻及电枢回路对地绝缘，将交流侧电压反馈选到调试挡，然后设置电枢参数。

参数设置说明见表5，把“装置合闸”旋转开关合上，再合上“使能合闸”开关，逐步减小P150的值，观察电流表、电压表是否有电流、电压产生。当正组停机后，只要设置P402为－5，P171为0，P172为－100，重复以上步骤试验反组。通过P402给定值实现正反组的切换情况及电枢两端输出波形。

表5 参数设置

4 应用效果

国外某钢厂棒材生产线冷床动台调速柜，其电机功率132 kW，电枢额定电压400 V，额定电流800 A，励磁额定电压180 V，额定电流18 A。因此，刷机时根据电流互感器变比，把电枢电流改为1 kA，电枢电压改为400 V，励磁电流改为30 A，参数设置按照动台电机参数设定，保证一定的过载能力。

由PLC与6RA7013控制器相结合构成的大功率全数字直流调速装置，利用接近开关实现位置反馈，提高了冷床位置控制精度，降低了堆钢故障率。同时，PLC通过编程方式实现了冷床动台电机的快速启动、准确停止及频繁启/制动，采用四象限运行控制方式，方便将制动时的再生能量回馈给电网，具有谐波含量低、功率因数高的优点，并且大大提高了生产自动化程度，增强了生产能力。

5 结语

根据输入的给定值，能够驱动冷床运行的直流电机在冷床上准确定位，以实现对冷床准确控制。由于直流电机调速性能好、转矩控制简单可靠、过载能力强，加上配套的西门子6RA70系列全数字直流调速装置和PLC控制器，能够保证制动命令及时准确地发出及控制冷床精确停在起始位置，故其以优越的性能在步进式冷床控制方面得到了广泛应用。

［1］王玉娟，孙洁．基于6RA70的棒材冷床控制方案的研究［J］．甘肃冶金，2012，34(3):114 －115．

［2］邹继涛，李炜，陈韬．西门子6RA70直流调速装置在轧机中的应用［J］．钢铁研究，2011，39(6):42 －45．

［3］田石钟，张奕黄，朱坤．基于6RA70控制的四象限直流调速系统［J］．微计算机信息，2009，25(19):6 －7．