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    一、 項(xiàng)目簡介

　　寶鋼薄帶連鑄新增試驗(yàn)軋機(jī)項(xiàng)目是為寶山鋼鐵股份有限公司薄帶連鑄產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)項(xiàng)目的一部分。試驗(yàn)機(jī)組的處理能力為每天一爐，規(guī)格為厚度1-3mm，最大帶寬1110mm，最大卷重18t。根據(jù)雙輥式薄帶連鑄中試的需要，寶鋼股份在原有薄帶連鑄試驗(yàn)機(jī)組上新增1套試驗(yàn)軋機(jī)。

            

                                    圖1 薄帶連鑄實(shí)驗(yàn)機(jī)組工藝流程圖

    試驗(yàn)軋機(jī)配置的目的：

    1) 通過新增試驗(yàn)軋機(jī)裝置和后續(xù)帶鋼冷卻系統(tǒng)及卷取機(jī)系統(tǒng)的局部改造，改善從薄帶連鑄到卷取成型全過程的穩(wěn)定性，為進(jìn)一步改善薄帶的澆鑄成型過程和提高連鑄薄帶的卷重創(chuàng)造有利條件；

    2)通過軋制進(jìn)一步改善連鑄薄帶的尺寸與板形精度；

    3)通過軋制和冷卻改善帶鋼的組織，從而進(jìn)一步改善連鑄薄帶的物理性能；

    4)本試驗(yàn)軋機(jī)僅限于薄帶連鑄連軋工藝和產(chǎn)品的開發(fā)試驗(yàn)。

　　圖1為薄帶實(shí)驗(yàn)軋機(jī)工藝流程圖。工藝過程為：經(jīng)電爐（部分經(jīng)過VOD和LF精煉）的鋼水澆鑄到高速旋轉(zhuǎn)的雙輥式薄帶連鑄機(jī)上，經(jīng)過氣冷的二冷系統(tǒng)以及活套，輸送到輸送輥道進(jìn)入軋機(jī)前夾送輥，單機(jī)架熱軋機(jī)軋制后的帶鋼進(jìn)入冷卻系統(tǒng)冷卻后由夾送輥送至飛剪切頭、切尾，然后帶鋼進(jìn)入卷取機(jī)前夾送輥，最后送入卷取機(jī)卷取成卷。卸卷小車卸下后由天車吊到V型架上進(jìn)行手動打捆。

    二、 控制系統(tǒng)構(gòu)成

　　新增試驗(yàn)軋機(jī)系統(tǒng)配置一套S7400 PLC（含F(xiàn)M458）、一臺HMI操作站（兼服務(wù)器）、一臺模型計(jì)算機(jī)、一套數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)及特殊儀表操作終端，模型計(jì)算機(jī)←→L1和HMI←→PLC通過TCP/IP方式通信，另外需要同原鑄機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行連接。根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置和復(fù)雜性，將新增系統(tǒng)計(jì)算機(jī)和原有系統(tǒng)計(jì)算機(jī)配置在一個網(wǎng)段，鑄機(jī)、L1和軋機(jī)計(jì)算機(jī)均采用TCP/IP以太網(wǎng)方式通信。

    在系統(tǒng)配置和選型上，要點(diǎn)如下：

　　采用電氣、儀表、計(jì)算機(jī)（EIC）一體化的結(jié)構(gòu)體系，共用數(shù)據(jù)。采用通用PC機(jī)作為L1的操作終端。

　　控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用SIEMENS公司的10/100MBPS的快速工業(yè)以太網(wǎng)，利用原有系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，增加兩個路由器：一個（不帶光口）用于新增計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接入，另一個（帶光口）用于新增PLC的網(wǎng)絡(luò)接入。

　　PLC控制器選用SIEMENS公司的CP416-2及FM458-1DP，PLC與外部設(shè)備的連結(jié)，如與分布式I/O、智能儀表、現(xiàn)場智能操作盤、調(diào)速裝置等將采用PPROFIBUS-DP-DP現(xiàn)場總線，根據(jù)距離傳輸介質(zhì)選擇使用雙絞線、同軸電纜或光纜。

　　采用高檔的PC服務(wù)器作為模型控制計(jì)算機(jī)。

　　采用最新型的FDAA系統(tǒng)用于軋制過程工藝數(shù)據(jù)的快速收集和分析。

　　PLC站的配置

　　采用SYNMADYN D系列的FM458模板或TDC專門用于軋機(jī)機(jī)架、層流冷卻等的控制，F(xiàn)M458模板插入S7-400主機(jī)架，TDC機(jī)架單獨(dú)成柜，F(xiàn)M458或TDC 的CPU 為64位浮點(diǎn) RISC CPU，最快采樣時間100μs，帶有256K緩沖存儲器，使用的編程語言為CFC和STEP7。配置以太網(wǎng)通訊模板用于實(shí)現(xiàn)與HMI站和模型服務(wù)器的通訊；配置PPROFIBUS-DP-DP接口模板用于連接FDAA系統(tǒng)；TDC的一個PPROFIBUS-DP接口用于連接主電機(jī)變頻調(diào)速裝置。

　　采用S7400系列的CPU用于軋機(jī)和層冷以外的公輔設(shè)備控制，配置一個PPROFIBUS-DP-DP接口用于連接ET200M站和機(jī)架變頻調(diào)速裝置；配置以太網(wǎng)通訊模板用于實(shí)現(xiàn)與HMI站的通訊。

           

圖2 薄帶連鑄實(shí)驗(yàn)機(jī)組三電系統(tǒng)圖

    通訊功能

　　PLC裝置通過工業(yè)以太網(wǎng)和計(jì)算機(jī)相連，通過PPROFIBUS-DP-DP現(xiàn)場總線與遠(yuǎn)程ET-200M及變頻調(diào)速裝置相連。本系統(tǒng)采用SIEMENS STEP7編程軟件對PLC系統(tǒng)進(jìn)行硬件組態(tài)，編程和參數(shù)設(shè)置。CFC、STEP7軟件運(yùn)行在Windows XP平臺上，可采用串行編程或以太網(wǎng)編程（或使用MPI多點(diǎn)通訊接口），編程方式靈活方便。

    HMI系統(tǒng)

　　由于薄帶試驗(yàn)機(jī)組現(xiàn)有操作室和計(jì)算機(jī)室的剩余空間有限，本項(xiàng)目需要新增的計(jì)算機(jī)設(shè)備較多，為了減少占地及節(jié)省投資不考慮HMI服務(wù)器加HMI操作站的標(biāo)準(zhǔn)配置，HMI服務(wù)器兼作HMI操作站。

    數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

　　數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)能夠幫助用戶進(jìn)行在線調(diào)試、故障跟蹤、故障診斷及分析等。本項(xiàng)目調(diào)試時間短，技術(shù)含量較高，且技術(shù)難度大，特別是對于軋制力調(diào)節(jié)、輥縫位置調(diào)節(jié)及彎輥力控制等實(shí)時性要求很高的功能，均需要使用實(shí)時的數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)來協(xié)助調(diào)試，這樣才能達(dá)到優(yōu)化工藝參數(shù)、加快調(diào)試進(jìn)程、提高控制精度的目的。

    三、西門子SM150選型依據(jù)、軟硬件及控制功能

    系統(tǒng)主回路原理圖如圖3所示

圖3 主回路系統(tǒng)原理圖

    選型依據(jù)

　　在SINAMICS家族中，G系列的主要用于風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)等要求控制精度不高的場合；所以不適合控制精度要求較高的主軋機(jī)上，功率最大1500Kw，所以容量不夠。

　　S120屬于低壓范疇，電壓主要在380V~690V，本項(xiàng)目電壓3000V，電壓等級不夠，功率最大為1200Kw，也達(dá)不到項(xiàng)目要求。S150最大功率容量為1200Kw，也達(dá)不到項(xiàng)目要求。

　　SM系列是中壓產(chǎn)品，功率元件采用IGCT模塊，適合于高壓大功率的場合，目前本項(xiàng)目電機(jī)功率3000Kw，若用SM雖然有些浪費(fèi)，但是為了以后的產(chǎn)業(yè)化，適合于不同的產(chǎn)品鋼種需求，所以采用SM150。

    主傳動電機(jī)

　　軋機(jī)主傳動電機(jī)采用上海電機(jī)廠生產(chǎn)的交流同步電動機(jī)，其主要的技術(shù)數(shù)據(jù)如下：

表1 主傳動電機(jī)技術(shù)

         

    硬件

    IGCT功率元件

　　整流和逆變的功率元件硬件設(shè)備是完全一樣的，其控制功能是不同的。

　　功率模塊由三塊不同的相位元件組成。每個相位元件有3個并聯(lián)的夾緊壓桿。每個相位元件安置在四個IGCT功率半導(dǎo)體和水冷卻體之間，以此使組件得到雙面冷卻。此外，每個相位元件安裝有4個空程二極管、2個中點(diǎn)二極管和2個端子接線。每個端子接線由一個開啟平衡電抗器、一個接線電容器和一個接線電阻組成。開啟平衡電抗器位于相位元件旁，接線電容器和電阻位于相元件的下部區(qū)。

                           

                                            圖4 IGCT功率元件　
 

    中間電路電容器通過低電感扁平軌道與單一相位元件相連接。低電感扁平軌道作為軌道束，其單一軌道與絕緣面相粘合。

    控制系統(tǒng)

    控制組件直接安裝在相位元件上；

    功率半導(dǎo)體通過控制組件開關(guān)。控制命令通過控制組件上PSA的合成材料光波導(dǎo)體連接進(jìn)行傳輸。

    D445控制器硬件組成

    控制模塊D445包含和傳動其他部分通訊的以太網(wǎng)接口、軟件和傳動程序等。主要如下：

    1. 8個狀態(tài)指示燈；

    2.8個數(shù)字量的輸入和8個雙向DI/DO，其中4個是快速DI；

    3. 提供24V直流電；

    4.可以擴(kuò)展接口（CBC10）；

    5.2個以太網(wǎng)接口；

    6.2個PPROFIBUS-DP-DP接口，一個接口為DP口，另外一個接口是DP和MPI通用接口；

    7.DP地址選擇撥碼（DP地址也可以軟件設(shè)置）；

    8.閃存卡。

    其中，現(xiàn)場總線用PPROFIBUS-DP和Pro-net、Drive-CliQ（編碼器接口板SM30、端子板TM15、TM31、CX32等采用Drive-CliQ與D445通訊）等通訊。

    檢測元件：速度檢測模塊SM30

    速度檢測模塊SM30用于檢測電機(jī)的編碼器的速度反饋信號

    檢測元件：電壓、電流檢測元件AVT

    電流和電壓實(shí)際值通過AVT組合組件測定。AVT組合組件的重要功能是將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，再將信號發(fā)送給PSA。信號通過光波導(dǎo)體傳送至PSA。

    檢測元件：電壓傳感模塊VSM10

    電壓傳感模塊VSM10主要用于檢測高壓開關(guān)電網(wǎng)一側(cè)的電壓、頻率、相位。

    冷卻設(shè)備

    循環(huán)冷卻設(shè)備（RKE）從變頻器將損失功率引離。其構(gòu)成主要包括：

    1 一個內(nèi)部充滿離子水的過濾水循環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)循環(huán)設(shè)備主要由兩臺泵組成，一用一備，24小時交替工作；

    2 一個外部原水循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)內(nèi)循環(huán)冷卻循環(huán)系統(tǒng)冷卻水溫度達(dá)到35℃以上，自動開啟外部循環(huán)系統(tǒng)。

    內(nèi)部水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的過濾水傳導(dǎo)出變頻器功率部件的熱量，再由無需保養(yǎng)的循環(huán)泵導(dǎo)入至熱交換器。過濾水的熱量在此被外部原水循環(huán)系統(tǒng)導(dǎo)出，再由泵重新輸送至變頻器。

    勵磁部分

    采用外部勵磁控制，主要采用西門子6RA70直流調(diào)速裝置作為勵磁控制單元，勵磁電流的大小是由D445控制。

    軟件

    SM150應(yīng)用軟件為Scort軟件，Scort軟件必須在Step7軟件環(huán)境下安裝。

    在實(shí)際編程語言中，編程方式可以采用以下幾種方式：

    可以以流程圖的方式對機(jī)器程序順序進(jìn)行圖形化編程；

    采用LAD（梯形圖）、FBD（功能結(jié)構(gòu)圖）、CFC語言方式進(jìn)行編程；

    可采用ST高級編程語言，主要用于SM150系統(tǒng)的通訊，如D445與TDC、觸摸屏等數(shù)據(jù)通訊；

    此外，在D445中，邏輯順序合閘功能采用CFC軟件編程實(shí)現(xiàn)。

    功能介紹

    三電平控制

    SM150中壓系統(tǒng)采用三電平控制，三電平中點(diǎn)鉗位式變流器在中高壓大功率場合應(yīng)用中相對于傳統(tǒng)兩電平變流器所表現(xiàn)出來的明顯優(yōu)勢：具有輸入功率因數(shù)高（ ）、輸出頻率高、無需無功補(bǔ)償，減少高次諧波等顯著優(yōu)點(diǎn)，特別是在低速時，輸出負(fù)載電流也能夠連續(xù)。

    SM150分為HVIGBT和IGCT兩個版本,但兩者的主回路都是用中點(diǎn)鉗位的三電平結(jié)構(gòu)。SM150是帶有源前端、可以4象限運(yùn)行的高性能變頻器，用的是中點(diǎn)鉗位的三電平結(jié)構(gòu)。SM150控制核心使用了SIMOTION D445控制器，功率部分基本上沒有變化。其最大單臺功率為10MV·A，3臺直接并聯(lián)起來可構(gòu)成28MV·A的逆變器。SM150也可以構(gòu)成一個公共直流母線帶幾個逆變器的系統(tǒng)。

    D445控制功能

    D445控制器是由TDC通過PROFIBUS發(fā)送過來的合閘指令，用CFC編程順序完成合閘過程。

    整個合閘過程連鎖條件：

    進(jìn)線柜、功率柜門上的連鎖開關(guān)已關(guān)好；

    接地開關(guān)已打開；輸出隔離開關(guān)已合好；

    冷卻循環(huán)系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒；

    D445控制器、電源擴(kuò)展控制模塊CX32、接口模塊PSA、整流模塊ALM、電機(jī)模塊MM和勵磁單元6RA70準(zhǔn)備OK；

    無急停、快停信號等等。

    TDC發(fā)出合閘指令，首先冷卻循環(huán)系統(tǒng)開始運(yùn)行（冷卻循環(huán)系統(tǒng)是兩臺泵，一用一備24小時交替工作）。冷卻循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行后，檢查冷卻循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行是否工作正常（包括流量、離子濃度等），之后進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)中間直流電壓充到±4800V的80％左右，通過VSM10檢測高壓開關(guān)電網(wǎng)一側(cè)的電源相位、頻率、電壓幅值。D445控制器通過DRIVE-CLIQ控制電源控制模塊CX32使其發(fā)出脈沖信號通過光電轉(zhuǎn)換接口板PAS傳輸光信號來驅(qū)動電源功率模塊ALM，使其電源功率模塊ALM工作處于逆變狀態(tài)，在1U1、1V1、1W1端產(chǎn)生三相交流電，與電網(wǎng)側(cè)的相位互差30?、頻率相同、電壓幅值與變壓器二次側(cè)相同時，才發(fā)出高壓斷路器合閘信號。D445接到高壓斷路器合好的反饋信號后，使其電源功率模塊ALM工作處于整流狀態(tài)，斷開預(yù)充電回路。之后發(fā)出同步機(jī)勵磁電流控制信號，接到同步機(jī)勵磁電流反饋信號后，TDC向控制器D445發(fā)出速度控制指令等控制信號，然后由D445控制電機(jī)模塊MM來完成同步機(jī)的啟動、運(yùn)行、加減速、穩(wěn)速等過程，從而完成同步機(jī)控制過程。

           

                                      圖5 SM150系統(tǒng)配置圖

    D445控制器開/閉環(huán)控制控制模式可以選擇

    1) V/F開環(huán)頻率控制；

    2) 帶編碼器矢量控制；

    3) 不帶編碼器矢量控制；

    4) 帶編碼器轉(zhuǎn)矩控制；

    5) 不帶編碼器轉(zhuǎn)矩控制。

    四、 項(xiàng)目運(yùn)行

    薄帶軋機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過了兩個星期的試車，完成了輥縫調(diào)零、剛度測試、換輥測試、空負(fù)荷試車等。后經(jīng)過2個半月的熱負(fù)荷試車，主軋機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，速度精度達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的± 0.01 %，轉(zhuǎn)矩精度達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的± 5 %。經(jīng)過這次新上主軋機(jī)系統(tǒng)后，熱軋板卷產(chǎn)品質(zhì)量得到了大大的提高，板形得到了改善。

    五、 應(yīng)用體會

通過這次SM150的主軋機(jī)系統(tǒng)調(diào)試，熟練掌握了整個SM150的調(diào)試技術(shù)。與以前的西門子產(chǎn)品相比，SM150除具備原有SIMOVERTML2等系列產(chǎn)品的特點(diǎn)外，還具備以下新特點(diǎn)：SM150應(yīng)用界面主要采用圖形化的方式；采用數(shù)結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行方便的查詢，如可查詢硬件組態(tài)、通訊狀態(tài)信息、電機(jī)狀態(tài)信息等；還可以仿真調(diào)試、數(shù)據(jù)采集跟蹤，界面友好；可以轉(zhuǎn)為專家模式；編程可靈活采用多種方式實(shí)現(xiàn)完成多種工藝控制。