森兰变频器在1250mm不锈钢带连退酸洗线的应用

／希望森兰科技股份有限公司 任光法 杜俊明 罗力／

森兰变频器在1250mm不锈钢带连退酸洗线的应用

／希望森兰科技股份有限公司 任光法 杜俊明 罗力／

在不锈钢带连退酸洗过程中，对速度和张力的控制，决定了产品的品质；而用户对高品质、高效率的需求，使系统稳定、可靠运行成为必然要求。因此具有高性能、高可靠性的核心部件——变频器，将成为高品质不锈钢产品的重要保证。森兰变频以其20余年的技术积淀，在此领域取得突破，成功应用于1250mm不锈钢生产线，开创了国产变频器在工程型复杂控制系统应用的先例，在冶金连续生产中对于国产替代进口具有示范意义。

酸洗；变频器；矢量控制；转矩控制；主从控制

1 酸洗工艺过程简介

热轧不锈钢带表面覆盖着一层黑灰色氧化铁皮，厚度在7.5～15μm，甚至到20μm。为保证成品钢带的表面质量，减少后续冷轧等深加工时磨损和能耗，要去除氧化层，而利用酸与铁的氧化物发生化学反应的基本原理，清除表面的油污、锈斑、氧化层、游离铁等污垢，并进行钝化。处理后的表面变成均匀银白色，耐腐蚀能力提高15～50倍，此过程即为不锈钢带的酸洗钝化处理。

不锈钢带的连续酸洗是指在开卷、换卷或收卷、卸卷时，带钢连续地通过盛有酸溶液的酸洗槽而不停车；具有产能高、生产成本低的优点；也有投资高，占地面积大的缺点，可为带钢冷轧机提供优良的酸洗带卷产品。连续酸洗机组一般分为入口段、工艺段和出口段，各段可单独运行，也可协调运行；在确保机组安全、高效、稳定操作运行的同时，能够充分满足用户对带钢连续酸洗生产较高的经济、环保等指标要求。

客户现场即为1250mm不锈钢带连退酸洗生产线，工艺流程如图1所示。由开卷机到入口活套为入口段，从入口活套到出口活套为工艺段，后续至收卷机为出口段。整个生产工艺流程共有50多台电机拖动，关键工位为开卷机、牵引矫平机、张力辊（1#～9#张力辊均为双电机构成的S辊）、入口活套、出口活套、收卷机工作在闭环矢量控制。根据工艺要求工作在速度控制或者转矩控制模式，其他如上料车、下料车、夹送辊、支撑辊、风机、破鳞机、抛丸机等要求不高可选择VF控制或开环矢量控制。

图1 连续酸洗工艺示意图

三个段的速度分别由1#、4#、9#张力辊中的一台（主机）确定，另一台或几台（从机）做转矩跟随，实现负荷均衡分配。整个系统具有穿带功能、双开卷机切换、静态建张、三段协调控制等功能，各段通过速度或转矩控制维持静态或动态的平衡。工艺段的速度对不锈钢带的酸洗品质起决定作用，过快，酸洗深度不够，可能成品中仍有斑迹存在；过慢，易发生过腐蚀和氢脆现象。而出入口活套依靠活套中的储料在换卷过程中起到缓冲作用，保持工艺段速度不变或者微降。

2 组网构成及数据交互

如图2所示，整个连退酸洗控制系统采用Wincc通用监控系统、PLC控制技术和Profibus-DP现场总线相结合的控制方案，由PLC实现控制和数据采集功能，由Wincc组态软件实现实时监控、显示设备运行状态、数据查询等功能，完成对设备的远程监控和故障诊断，提高了生产线电气控制系统的自动化水平，实现高精度、实时性好的参数测量及控制。中控室根据经验设定酸洗工艺段运行速度，系统将自动调整入口段和出口段速度，协调运行。

图2 控制系统组网示意图

考虑实际应用情况，选择PLC与变频器Profibus-DP通讯的数据类型为PPO4，即除控制字、速度给定及其应答外，读写4个过程数据，其意义见下表。

表 PLC与变频器间的过程数据

控制字中包含起停控制、脉冲封锁、紧急停车、故障复位、转矩/速度控制切换等功能；状态字中包含上电就绪、运行就绪、故障、报警、当前控制方式等反馈信息。过程字中的“位置1、2”来源于电机端的编码器正交计数，用于收、放卷的卷径计算，方便实现高精度的恒张力控制。由通讯给出的“速度给定”和“转矩给定”哪个有效，取决于系统的需求，当为速度控制时，“速度给定”有效，而“转矩给定”则可以选择作为速度调节器的输出限幅；相反，当前为转矩控制时，“转矩给定”有效，而“速度给定”可以作为速度限幅，防止生产线出现飞车。

3 变频器的关键功能

SB70系列变频器我是公司于2006年推出的通用型矢量控制产品，其控制性能、可靠性、接口灵活性等在此次应用中得以充分展现。

3.1 变频器的特点

SB70系列变频器采用转子磁场定向技术，实现对电机励磁电流和转矩电流的高精度解耦控制，使电机具有0.02%的稳态转速精度，5%的转矩精度，转矩响应时间在10ms左右，可与直流调速系统相媲美。

变频器所内置的高速脉冲输出PFO和高速脉冲输入PFI端子及功能，可以完美的适用于系统的主从负荷分配，具有数据精度高、抗干扰能力强、响应快（毫秒级）、无延迟等特点。

全系列变频器具有丰富的选配件，如现场选用的是24V电压等级的编码器接口板，兼容多种输出类型的编码器，具有带载能力强、抗干扰能力强的优点；高可靠性的DP通讯转换模块，内置森兰控制功能，便于用户参数配置组态。

3.2 速度与转矩控制的选择

如前所述，变频器接收来自PLC的控制指令和给定值，根据参数设定和控制指令中的“转矩/速度切换”确定当前控制模式，如图3所示。如抛丸机仅取速度指令，收卷机则速度和转矩都要用，空卷定位、钢带咬合后首圈、满卷切断后等均为速度控制。正常收卷时为转矩控制，转矩给定值来自钢带张力与当前卷径的乘积（传动比及转矩标定此处未考虑）；活套除穿带外，一直工作在转矩控制模式；作为开卷机，先正向送卷，使钢带延伸至牵引矫直机。焊接后，转为反向速度控制，并加以转矩限幅，在正常运行时，因速度给定和当前速度反向，速度调节器工作在饱和的转矩限幅状态，使开卷处的张力值保持恒定，限幅转矩的计算与收卷处原理相同；应用最多的张力辊，被选作主机的工作在速度控制模式，其他工作在转矩控制模式，只是转矩的来源略有区别。

图3 转矩/速度切换图

3.3 主从控制及负荷分配

对于入口段、工艺段和出口段中速度控制的3个主机全程采用速度控制，而其从机选择转矩控制。主机的PFO端子输出本机的“转矩给定”，从机的PFI端子接收数据，作为从机的“转矩给定”，实现负荷分配，PFO与PFI采用双绞线连接，如图4所示。5#S辊与4#S辊实际距离很近，仍认为是刚性连接，因此5#S辊也作为4#的从机。

图4 主从控制负荷分配图

因PFO和PFI只能传输无符号数据，利用变频器自身特有的“算术单元”进行加减运算，灵活实现了主、从机有符号数与无符号数的相互转换。应用中，综合考虑控制精度和要传递数据的最大最小值，确定是否需要增加一级“算术单元”对数据进行缩放；此项目中，电机的负载转矩小于80%的额定转矩，变频器用于模拟输入输出的转矩量是以2.5倍的电机额定转矩标定，因此80%的负载转矩时对应的变频器的转矩模拟量为32%。

4 现场情况

4.1 编码器的抗干扰处理

由于连退酸洗生产线设备众多，在现场布线时，很难将功率部分与信号部分分开，尤其是速度反馈的编码器信号线常常与电机电缆一起，且距离有的超过100m，不可避免地受到干扰。

现场也出现了开卷机反馈异常的现象。在静态建张时，转矩不稳定，不定时出现掉张现象，再反向绷紧重新建张；运行过程中，也有掉张出现，造成钢带抖动。造成这种现象的原因是电机电缆中的高频共模对编码器造成了干扰，会形成高频的无序脉冲，在变频器识别时会有速度跳变，致使磁场定向不准，转矩失控。现场的处理措施，重新处理电机和变频器的功率电缆屏蔽两端接地，编码器反馈电缆进行可靠的单端接地，并增加加强隔离整形的接口转换板；整改后，速度反馈跳变和系统掉张现象消失，达到令客户满意的控制效果。调试阶段现场如图5所示。

4.2 共直流母线设计

在项目沟通的前期，有采用统一整流直流供电的方案，且变频器本身具有共直流母线接口。鉴于合作方系统集成商的考虑，仍然采用传统的交流配电加制动单元的方案。

图5 调试阶段现场图片

从实际现场来看，后一种方案虽然实施简便，但能耗极大，造成不必要的浪费，且输入谐波高，对电网污染大。

后续的设计，可以考虑有源前端整流，实现单位功率因数，且满足能量双向流动；或者采用多脉波不控整流配小功率的能量回馈或者制动单元即可；这样既降低的能耗，又降低了谐波污染。

5 结束语

经过紧张而有序的调试，1250mm不锈钢带连退酸洗线项目顺利投运，各项指标达到设计要求，系统自动化程度高，整体运行平稳，得到了业主的高度赞赏。

此项目为公司积累宝贵的工程型复杂应用的实践经验，开创了国产变频器在板材连续生产线应用的先例，因其特有的经济性、自主性、可扩展性，在冶金连续生产中对于国产替代进口具有借鉴示范意义。

[1] 希望森兰科技股份有限公司.SB70系列高性能矢量控制变频器用户手册[M].

[2] 马小亮，魏学森.有机械联系的多电机传动系统的负荷均衡控制和扭振抑制[J].电气传动，2007，37（3）：3-6.

[3] 杜涛.宣钢二棒电气接地优化实践[J].电气传动，2014，44（5）：72-74.