（控制理论与控制工程专业论文）负荷换向交直交变流控制系统在线材精轧中的应用.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 摘要 本文以线材精轧机控制要求具有性能优越、工作稳定，具有高效、低 耗等特点作为出发点，对精轧中压变频技术及其国内外相关技术的现状与 发展进行了综述，选用西门子s 蹦0 r ts 全数字控制交流变频调速系 统，运用l c i 负荷换相交直交变流控制系统的国际先进技术，最终实现对 精轧机的精密控制。在对s i m 厄r t s 工程设计、安装调试及运行维护过 程当中，对中压变频技术的应用进行了探索及消化吸收，对线材精轧机组 主传动所用的s i m o v e r ts 系统在软硬件结构、功能组态及操作方式等 方面进行了全面的分析和研究。在这期间主要依据变频调速控制理论进行 了s i m o v e r ts 系统总体方案设计，并进行精轧机s i m o v e r ts 调速控 制系统的设计，解析负荷换相交直交变流控制系统在线材精轧机控制系统 中的应用。从其基本变频调速原理入手，研究s i m o v e r ts 控制系统的相 关硬件特性，并根据控制要求设计总体方案，其中对设计系统功率部分和 励磁部分作了较为详尽的过程分析，接着按轧钢工艺提出的具体控制要 求，设计了开环和闭环控制系统，从整体性能要求上进行了全面深入的研 究，并最终满足了精轧控制系统的高性能要求，在本文的最后，叙述了系 统的最终调试过程、关键参数的选取与设置，在调试过程中遇到的问题以 及提出解决方法，完全满足了高速精轧机的控制要求，将现代化轧钢工艺 和世界先进控制方案相结合，效果非常好，解决了精轧机控制精度要求高 的难题，提高了线材成品质量，经济效益显著。最终实现快速性、高精度 以及精确的在线跟踪控制的轧制要求，达到国内同行业的先进水平。 关键字：变频技术，中压负荷换相，s i e m e n sl c i ，s i m o v e r ts 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t i h es t a r t i n gp o 硫o fd u sa r t i c l ei st h ec h a r a c t e r i s t i c sw h i c hm e e tt h el i n em a t e r i a lc o n t r o l r e q u e s t si nf i n ew i r er o l l i n g ；i n c l u d i n gp e r f o r m a n c es u p e r i o r l y , w o r ks t a b i l i t ya n dl o wn o i s e i nt h i sa r t i c l e ，im a d ea l lo v e r v i e ww h i c hi st h em a i no ft h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h e d e v e l o p m e n to f c e n t e rp r e s s e da n df r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g yi nt h ef i n i s h i n gm i l l w e s e l e c t e ds i e m e n ss i m o v e r tse n t i r en u m e r i c a la cf r e q u e n c yc o n v e r s i o n v e l o c i t y m o d u l a t i o ns y s t e m ，a n du s e dt h el c il o a dr e v e r s i n ga c d c a cp o w e rc o n v e r s i o nc o n t r o l s y s t e mw h i c hi sb e l o n g st ot h ei n t e r n a t i o n a la d v a n c e dt e c h n o l o g y ，r m a u yr e a l i z e dt h en i c e t y c l o s er e g u l a t i o nc o n t r o li nf i n ew r o l l i n g ih a v ec a r r i e do na p r e l i m i n a r ya b s o r p t i o ni nt h e p r o c e s so fd e s i g n , i n s t a l l ，d e b u ga n do p e r a t i o nf o rs i m o v e r t ，ss y s t e m ，a n dm a d ea c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n d r e s e a r c ho nt h es o f t h a r d w a r es t r u c t u r e ，f u n c t i o nc o n f i g u r a t i o na n d o p e r a t i n gm o d eo fs i m o r tsi nt h em a i nc o n t r o lo ff i n ew i r er o l l i n g i nt h i sp e r i o d , b a s e do nt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o nc o n t r o lt h e o r y ，ih a v ec a r r i e do nt h e o v e r a l lp l a nd e s i g nf o rt h es l m o v e r tss y s t e m , a n ds h o v e l e dt h ea p p l i c a t i o no fl o a d r e v e r s i n ga c d c a cp o w e rc o n v e r s i o nc o n t r o ls y s t e mi nf i n ew i r er o l l i n g o b t a i nf r o mi t s b a s i cf r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o np r i n c i p l e ，s t u d y i n gt h er e l a t e dh a r d w a r e c h a r a c t e r i s t i co fs i m o v e r tsc o n t r o ls y s t e m ，a n da c c o r d i n gt ot h ec o n t r o l l i n gr e q u e s ti d e s i g n e dt h eo v e r a l lp l a n ，p a r t i c u l a r l yt h ep o w e ra n dt h ee x c i t a t i o np a r tih a sm a d eam o r e e x h a u s t i v ep r o c e s sa n a l y s i s a sm e e t i n gt h ec o n c r e t ec o n t r o lr e q u e s tw h i c hp r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h es t e e lr o l l i n gc r a f t ，ih a v ed e s i g n e dt h eo p e n c l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e m ， w h i c hc a nc o m p l e t e l ys a t i s f i e dt h eh i g hp e r f o r m a n c er e q u e s to fc o n t r o ls y s t e mi nf i n e w i r er o l l i n g i nt h ef i n a lo ft h i sa r t i c l e ，in a r r a t e dt h ed e b u g g i n gp r o c e s so fs y s t e m ， s e l e c t i o na n dt h ee s t a b l i s h m e n to fe s s e n t i a lp a r a m e t e r ，a sw e l la st h eq u e s t i o nm e ti nt h e d e b u g g i n gp r o c e s sa n ds o l u t i o np r o p o s e s a l lo ft h a tc a ns a t i s f yt h eh i g hs p e e dc o n t r o l r e q u e s ti nf i n ew i r er o l l i n gc o m p l e t e l y 。功eu n i f yo fm o d e r n i z e ds t e e lr o l l i n gc r a f ta n d w o r l da d v a n c e dc o n t r o lp r o j e c ts o l v e dd i f f i c u l tp r o b l e mo fp r e c i s i o nc o n t r o lr e q u e s ti n f i n ew i r er o l l i n ga n di m p r o v e dt h ee n d p r o d u c tq u a l i t yo fl i n em a t e r i a l ，a tt h es a l t l et i m e t h ee c o n o m i ce f f i c i e n c yh a sb e e nr e m a r k a b l e f i n a l l yi tc a nr e a l i z e st h ep r e c i s eo n - l i n e 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t f o l l o w - u pc o n t r o lr o l l i n gr e q u e s ta sr a p i da n da c c u r a c y ，a tt h es a m et i m ei ta c h i e v e s a d v a n c e dl e v e li nt h eg a m ep r o f e s s i o no fw h o l en a t i o n a ls c o p e k e y w o r d s ：f r e q u e n c y c o n v e r s i o n t e c h n o l o g y ，l o a dr e v e r s i n g ， s i 融皿n sl c i ，s i m o v e r ts 江苏大学工程硕士学位论文 独立完成与诚信声明 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等 违反学术道德、学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外， 本学位论文中不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得江苏大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并 表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：历彪彳更签字日期：z o 。7 牟6 司，5 司 保证人( 导师) 签名：夺互黑签字日期：归7 多厂保证人( 导师) 签名：静互1签字日期：归7 多， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密圈。 学位论文作者签名：历後仪 签字同期：珈7 年月妇 f 月 访吨 6 2 年 屺户 、幸 沙 名 勰 签 r 师 字 导 签 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：历炊f 叉 日期：妒1 年 f 月歹日 江苏大学工程硕士学位论文 第一章概述 引言 现今的轧线控制方案多数以p l c 和直流调速装置为主，其发展趋势逐渐趋于复 杂、精确与稳定，这就要求控制部分功能越来越强大。l c i 是负荷换相变频器，其中 l c i 是指b a dc o m m u t a t ei n v e r t e r 的英文缩写，是交直交电流型变频器，中间直流回路 储能元件为电抗器，用于连续的调节速度或同步电机的软起动。这种变频器电机的调速 范围可为1 ：1 0 到1 ：1 0 0 ，最高功率可达到7 0 m w 2 2 。s i m o v e r ts 系列变频器由于简 单的布局使得可控硅较少，维护方便，性能高效可靠；所以s i m o v e r ts 变频器的特 性使得在工业中用于连续调速。它具有以下特点：采用s 儿y nd 多处理器控制； 同步电机矢量控制；同步电机带速度反馈或无速度反馈的闭环控制，有速度反馈时速度 控制范围可达到1 ：1 0 0 ；( 无速度反馈时调速范围可达到1 ：1 0 ) 标准设置；控制字；状 态字；起停按s 斜坡曲线；故障分级：传动装置参数化和调试通过d r i v ee s 软件：控 制柜门有o p l 7 操作面板；根据变频器版本不同，可以控制无刷旋转磁场励磁或有刷直 流励磁；全面的安全和诊断概念给予系统最大的实用性和可靠性；通过机架的强迫风冷 使得控制系统保护级别达到i p 4 1 ；连续调速或软启动器，风冷或水冷采用统一的软件； 可选的接口可监视输入变压器；可选的接口可监视输入变压器；可选的接口可监视电机 及电机保护；开环闭环有4 种电机参数组，4 种给定参数组；标准设计了4 个模拟量输 出显示表，即：电机速度，电机电压，电机功率，直流回路电流1 2 0 l 。s i m o v e r ts 变 频器的特性使得在工业中特别是在钢铁行业中有较大的应用空间。 江苏大学工程硕士学位论文 第一章概述 第一章概述 1 1 课题背景 随着轧钢生产向大型化、高速化、精密化、连续化方向发展，轧钢生产对自动 化装备的要求也越来越高，自动化系统和自动化装备的水平对最终产品的质量影响 也很大。因此，轧钢系统中采用的自动化设备和系统比较多，各级自动化控制程度 也比较高，是现代钢铁工业自动化技术应用最集中的地方。在轧制过程中，影响成 品质量的因素很多，如坯料波动，硬度不均，张力不定，速度不稳，轧辊偏心，轴 承油膜和轧辊尺寸变化。为了解决这些问题造成的影响，我们在精轧机选择上主要 选择4 5 。无扭高速线材精轧机，吸收先进国家新技术，达到国际九十年代高科技产 品水平，其技术先进，性能稳定，轧钢速度快、效率高的特点，由于主传动电机多 采用2 6 0 0 、卜2 8 0 0 v 的中压电机，所以在所采取的控制方法及控制设备选择上都较 困难n 1 。 为了解决这些难题，精轧机控制系统我们选用了西门子s i m o v e r ts 中压变 频器闭环控制系统，其具有以下特性：1 、采用s y m a d y nd 多处理器控制；2 、 同步电机矢量控制；3 、同步电机带速度反馈或无速度反馈的闭环控制，4 、有速度 反馈时速度控制范围可达到1 ：1 0 0 。在轧制过程中，对产品质量提出了很多技术要 求，但最主要的是轧制速度和轧制精度两个质量指标，j ；l s u 速度控制和张力控制是 轧钢领域的两大关键技术。近年来，国内外轧制速度控制和张力控制技术方面，特 别是轧制速度控制技术方面取得了许多新的进展，大大提高了产品精度。从发达国 家引进的一些现代化设备，其关键技术是高精度的轧制自动化控制，其基础理论、 控制方案、检测技术、液压和计算机控制方面有了新的发展和提高，内容涉及机 械、工艺、液压和电气等方面，特别是由计算机组成的加工过程闭环自动控制技术 n o l ，在我们的调试使用后不难发现，其具有快速性、高精度以及精确的在线跟踪控 制等功能，大大的提高了产品的生产效率和质量质量，满足了产品发展的要求。但 2 江苏大学工程硕士学位论文第一章概 述 同时又因为控制技术难度很大，国外相关技术资料的封锁，且相关设备极其昂贵， 国内几乎没有相关的技术和使用经验，限制了我国对该项技术的应用。 1 2 本课题的现实意义 我国的工业化进程尚未完成，钢铁工业从总体上说还有一定的发展空间。国家重点 发展的各类基础设施建设，建筑工程项目以及制造业，金属制品行业需求都会继续给线 材产品提供广阔的市场。高速线材产品由于其轧制速度高，生产效率高、产品精度高、 生产成本低等特点，竞争优势明显高于普通线材，2 0 0 3 年我们高线产量占总线材产量 的6 7 5 0 ，2 0 0 4 年预计占7 5 左右，预计2 0 0 5 年所占的比例还会提高。 目前，我国正在建设的高速线材生产线有2 0 多条( 不包括筹划中的) ，新增的 1 0 0 0 万t 左右生产能力很快就会形成。这对高线产品的市场将直接产生影响，竞争将会 更加激烈。那些2 0 世纪8 0 年代末期至9 0 年代初期建成的生产厂应该尽早未雨绸缪， 在加强技术改造力度和产品结构调整上多下功夫。由此可见，在这种市场的驱动下，如 果有了一项具有高精度，高效率，低功耗，稳定性好的线材精轧机控制系统将会对产品 的质量，生产的效率，工厂的效益均带来极大的收益。 变频调速技术在高压大容量传动中推广应用的主要难题有两个：一是我国火力发电 厂中大功率电动机供电电压高( 3 - - - 1 0k v ) ，而变频器开关器件的耐压水平较低，造成电 压匹配上的难题；二是高压大容量变频调速技术技术含量高、难度大、成本也离，但一 般风机水泵等节能用调速装置都要求低投入高回报，从而造成经济效益上的难题【1 8 1 。 变频器中常用的开关器件多为i g b t 、g t r 、g t o 等，由于制造水平及原材料的原 因，使这些器件的耐压很难达到直接应用于6k v 的电压【1 0 1 ，因此许多国家的企业开始 研制开发新材料及新的高耐压器件。 现我们采用传统的电压型变频器结构，通过采用耐压较高的 一g b t 模块，使 得串联器件数减少为1 2 个，随着元件数量的减少，成本降低，方案变得简洁，从而使 柜体尺寸更小，可靠性更高，而且利用多重化结构，能有效抑制谐波甚至无谐波，这在 对谐波要求比较严格的电力系统中有着比较大的应用前景，还解决了变频器体积大，安 装不便，造价高的难题，同时，由于采用高耐压开关器件的变频器体积小，可靠性也就 3 江苏大学工程硕士学位论文第一章概述 相对较高，但是因都采用进口设备，其造价都不低，相比而言高耐压等级的元件自然还 会更加昂贵【9 】。 在线材轧制领域，由于品种规格繁多、生产工序多及工艺流程长、综合性能指标要 求较严，技术含量较高，属于劳动密集型和技术密集型产品。永钢线材厂2 0 0 2 年开始 投产，当时自动化程度不高，许多复杂工序的操作与控制是靠着操作工来完成的。这样 不仅浪费了大量的人力资源，同时使得操作变的更为复杂，且产品质量很不稳定，不合 格产品增多，生产同等产品的效率明显低于其他使用自动化控制的厂家，严重影响经济 效益。我们大胆引进先进技术，全面改进线材厂的控制系统，运用1 0 机架线材无扭精 轧机组的主传动系统，应用全数字大功率交流变频调速技术，采用s i e m e n s 公司的 s i m o v e r ts 电流源交一直一交变频器型全数字大功率交流变频调速装置( l c i ) 控制同 步电动机，测速反馈采用脉冲发生器，构成全数字大功率交流变频调速传动控制系统， 即所谓的无换向器电动机系统，按照我们设计的高精度控制要求，以满足生产工艺对线 材精轧机组主传动系统转速高及调频范围宽的要求，实现了提高生产安全性、提高轧线 控制系统稳定性、提高产品质量、达到了提高产品产量的目的，实现线材生产达到国内 同行业先进水平，同时系统本身与其他高压设备相比价格便宜，性能却依然很好；与常 压电机相比又克服了转矩乃至功率不足的缺点，成为最经济最有效的控制方案，运用国 际先进技术极大的推动了生产力，并在实际生产中产生了极高的收益。 1 3 国内外现状 1 3 1 线材生产的国内外现状 据记载，世界上第一台轧机在1 6 世纪问世，当时是用锻坯轧制线材。而比较正规 的轧机在1 8 世纪中期才出现，由粗轧及精轧两列横列式轧机组成。因为采用反围盘及 人工喂钢轧制等自动化程度不高的生产方式，使得其轧制速度不超过8 m s ，同时受头 尾温度差大的影响，线材存在尺寸精度差、盘重小、性能不稳定等致命缺点，限制了横 列式轧机的发展。2 0 世纪6 0 年代是线材生产技术发展的兴盛与创新时期，在轧制速度 不断提高的同时也解决了大盘重线材的控制冷却问题。目前世界上应用最广泛的摩根型 高速无纽轧机是美国摩根公司1 9 6 2 年开始研制的，1 9 6 6 年首先应用于加拿大钢铁公司 哈密尔顿厂。第一套摩根型高速线材轧机于1 9 6 6 年9 月正式投产，轧制速度4 3 一 4 江苏大学工程硕士学位论文 第一章概述 5 0 m s 。同时摩根公司和加拿大斯太尔摩公司联合开发了线材轧后控制冷却系统，称之 为斯太尔摩线。高速线材轧机一出现就显示出极大的优越性，继美国之后，其他一些国 家和公司也纷纷创新高速线材轧机，出现了各种机型，目前基本上有四种：( 1 ) 侧交 4 5 0 的美国摩根型；( 2 ) 1 5 0 7 5 0 的德国马克型；( 3 ) 顶交4 5 0 的英国啊希洛型： ( 4 ) 0 0 9 0 。平垃布置的意大利达涅利型 2 3 1 。为了提高线材的轧制精度，满足用户对产品尺寸 精度、表面质量、机械性能等的需求，2 0 世纪9 0 年代初，美国摩根公司和意大利达涅 利公司相继开发了减定径机组。它由2 台减径、2 台定径机架与l 套组合变速箱传动系 统组成成组更换机架圈。 我国高速线材生产、装备、技术是钢铁工业的重要产业之一，它广泛用于各项基础 设施建设、建筑工程建设和金属制品行业。从线材轧机的发展历史来看，2 0 世纪6 0 年 代以前，轧制速度达到4 0 m s 之后就很难再提高了。但是人们追求更为高效的生产工 艺以提高轧制速度和成品精度的目标却一直没有停止。我国1 9 8 7 年开始生产高速线 材，受消费结构不断升级的影响和消费市场强劲拉动的作用，生产线越建越多，产量快 速增长，呈现了在装备上追求高速、单线、无扭、微张力组合，在产品上追求高精度、 高品质、大盘重等特点团l 。目前，我国已成为世界上拥有高速线材生产线最多、产量最 大的国家，2 0 0 3 年全国线材总产量4 0 0 7 万t ，其中高速线材2 7 0 4 7 5 万t ，占6 7 5 ； 2 0 0 4 年线材总产量49 4 0 9 8 万t ，其中高速线材预计将占7 5 左右。至2 0 0 4 年底， 我国已有6 0 个高速线材生产厂共7 7 条生产线在生产。主要设备靠引进的有3 2 条：引 进二手设备的有1 7 条；我国自己设计制造的有2 8 条。这7 7 条生产线中，2 0 世纪8 0 年代建成的有2 0 条；2 0 世纪9 0 年代建成的有3 6 条；2 1 世纪初建成的有2 1 条圆。 目前我国高速线材产品的主要品种有普碳钢、优碳钢、焊条钢、焊丝钢、弹簧钢、 轴承钢、碳结钢、不锈钢、高速工具钢、冷墩钢、低合金钢等。目前各地正在筹划和正 在建设中的高速线材生产线还有不少，预计2 0 0 5 年至2 0 0 7 年期间将有2 6 - - 一3 0 条生产 线陆续建成投产，新增产能将在1 0 0 0 万t 以上 2 3 1 ，这对高速线材产品的市场将会产生较 大影响。 5 江苏大学工程硕士学位论文第一章概述 1 3 2 轧线自动控制国内外现状 随着人类科学的长足进步，人们所采用的方式方法越来越先进，而工业又正是最能 体现相关成熟技术的舞台，特别是工业自动化的发展，帮忙我们将整个人类社会推向全 球化、信息化、人性化、多维化、专业化的高速发展的新时期，特别是朝着自动化方面 发展。 自动化实际上是一门边缘学科，它从不同的学科领域汲取知识。加强对它的研究， 不仅有利于把一系列原来认为是各自独立的学科汇集起来，而且可以把它们用来解决各 种不同的工程技术问题。自动化就是在各种不同的生产过程中，采用自动化装置和电子 计算机，使各种过程变量( 如成分，流量，温度，压力，张力和速度等) 保持在所要求 的给定值上，并合理地协调全过程以实现自动操作的一种技术 4 1 。 轧钢自动化所要解决的问题是：提高和稳定产品质量，提高轧机的使用效率，以便 达到最经济的进行生产和经营的目的。实现自动化的方法很多，可以用电气方法，机械 方法，液压方法，电气液压方法，气动方法以及它们的综合应用方法，其中以电气自动 控制方法最为普遍阎。 轧制过程自动化的发展，大体经历了单机自动控制系统、电子计算机和单机自动控 制系统共存以及全部采用电子技术进行直接数字控制等几个阶段。大体经历可分为三个 阶段：第一阶段大约在四五十年代，为单机自动化阶段：第二阶段在六十年代，为计算 机和单机系统共存阶段；第三阶段为七十年代至今，是全数字计算机控制阶段【2 】。 在轧制控制方面国内外也有着不同的状况，自动控制程度也不同： 在国外，轧钢技术发展趋势及变革方向在进入2 1 世纪时，市场竞争变得更加激 烈，发达国家的钢材产量已经饱和，我国和发展中国家的钢材生产能力已达到相当水 平，产量可基本满足国内需求。因此，对钢材质量与价格水平都有新的严格要求。此 外，新兴产业的发展也对钢材品种提出了新的要求；同时，工程塑料等新材料的发展， 将与钢材竞争。国外轧钢工业的发展集中在工艺的短流程；生产过程的低污染和有利于 环保；轧材性能的高品质化、品种规格的多样化；控制手段的智能化，即轧钢生产转向 质量型、效益型和低成本型的轨道上来。计算机技术和信息技术的进步和在轧钢行业的 广泛应用，使轧钢厂的管理和生产过程控制产生了质的飞跃，出现了将生产、管理控制 6 江苏大学工程硕士学位论文 第一章概述 融为一体的计算机集成生产系统( c l v i s ) 5 1 。由于工艺过程的优化和控制手段的提高， 使钢材产品的质量达到了很高的水平。 在国内，重点钢铁企业主要生产工序的自动化基本状况是这样的：热连轧轧钢系 统；基础自动化、生产过程控制自动化系统中应用的可编程控制器；集散控制系统；工 控机、计算机等，重点企业的自动化程度和水平基本上能够代表全国钢铁行业的自动化 的现状。在我国有6 5 家重点钢铁企业，其中宝钢、鞍钢、首钢、武钢、马钢、攀钢、 本钢、唐钢、包钢、太钢、邯钢和济钢1 2 大钢厂自动化都已配置有基础自动化、过程 自动化，轧钢系统已配置有基础自动化。所以我们认为，只要配置了一台自动化控制装 置或控制系统，就认可该装备或系统初步具备了自动化的生产能力。钢铁行业自动化技 术经过多年的研究和发展，水平得到显著提高，有的已经领先国内，有的已经达到了国 际先进水平，特别是有的已经具有了自主知识产权并形成了产品在行业内推广应用，之 所以有这样的结果，一是在经济全球化、市场国际化的大环境下，企业认识到自动化技 术在企业发展中的重要作用，不断地采用新技术搞自动化；二是企业看到了自动化所产 生的实实在在的效果，为企业带来的巨大效益；三是企业在基建和技改项目上重视上自 动化项目，肯于投资。进入2 0 世纪9 0 年代，在信息技术和控制技术的迅猛发展和广泛 应用的推动下，钢铁工业向高精度、连续化、自动化、高效化快速发展，使钢铁生产工 艺、产品和技术装备呈现出如下特点：1 流程短、投资少、能耗低、效益高、适应性强 和环境污染少的新技术、新工艺被不断应用；2 提高产品的外形尺寸精度、改进表面形 貌和改善内部质量的技术受到重视；3 生产技术装备向大型化、现代化、连续化迈进。 信息技术、控制技术使检测和执行设备取代了传统的人工操作，工艺参数的检测方法和 检测仪表得到了高速发展：在现代钢铁生产过程控制中，计算机技术的应用已深入各个 领域，传统的计电仪功能划分不再明显；仿真技术在钢铁工业中日益广泛应用，不仅用 于控制系统的培训和新工艺、新控制方法的研究，而且易于模拟生产设备调试，指导生 产和参与生产；人工智能技术已经广泛应用，包括模糊控制、专家系统和神经元网络在 各个工序的应用已取得可喜成果和经济效益；可视化技术和监控系统为无人化工厂提供 了条件：从现场总线到车间网、工厂网、企业网的综合网络系统构成了企业的信息高速 公路。根据有关资料，“七五”末，大中型设备实现自动化的比重约为总生产能力的 7 江苏大学工程硕士学位论文 第一章概述 3 0 ，其中过程自动化为1 3 3 ，基础自动化为1 6 7 。大型主力轧机实现了过程自动 化的占全国成品材轧制能力的1 7 。上述配备了过程计算机生产设备是技术发达国家 2 0 世纪7 1 畦- 8 0 年代初的水平。“八五”期间，新建和改扩建的冶金大型工艺设备都已程 度不同的装备了过程计算机系统，各主要工序普遍提高了自动化的水平。通过2 0 0 3 年 的调查了解到，钢铁企业在“十五”期间内新上或改造的自动化工程中，基础自动化级已 经普及。在重要的生产工艺过程的控制自动化系统得到了企业领导决策层的高度重视， 在新建和技术改造项目建设的同时，加大投资力度，采用配套引进国外技术和装备或选 择与国内科研部门联合技术攻关相结合的道路，大大提高了生产过程的控制能力，提高 了过程控制自动化的水平。第三级的生产制造执行系统，作为近年国内外重要的生产管 理控制技术以其所产生的关键作用，已经被许多企业所接受。在一些新建的生产流程线 上，积极与国内外合作伙伴共同研发或购买软件平台，加速建设。这一级系统的陆续投 产运行，将会对钢铁企业产销一体、管控衔接、信息畅通的信息化起到至关重要的作 用。新建设的自动化系统，瞄准了国内外先进技术，力争达到国际先进水平。 因此，轧钢工艺自动化的发展特征为： ( 1 ) 轧制工艺与前后工序的连续化、紧凑化、节能化和可持续发展。 ( 2 ) 钢铁企业结构优化，工厂向合理规模经济和追求灵活化的方向发展( 多品 种、高质量、少批量、小订货量，最短交货期等) ，同时达到低成本。 ( 3 ) 高新技术在轧钢中得到应用，计算机、人工智能和虚拟轧制技术应用，如工 艺一组织性能模型预报在线应用等【。 1 4 中压变频器的发展 1 4 1 中压负荷换向变频系统的现状 2 0 世纪9 0 年代，交流变频调速技术及装置在我国有了突飞猛进的发展，由于变频 调速在频率范围、动态响应、低频转矩、转差补偿、功率因数、工作效率等方面是以往 的交流调速方式无法比拟的，因此在众多行业有了广泛的应用，并且在节约能源、改善 工艺、提高生产效率等方面发挥了巨大作用，取得了巨大经济效益。变频器正向着低噪 声、高性能、高可靠性方向发展，通用变频器以其调速范围宽、调速精度高、动态响应 快、效率高及操作方便等优点，在节约能源，控制工业生产过程，提高企业自动化生产 _ 8 - 江苏大学工程硕士学位论文 第一章概述 水平等方面取得了良好的效果。随着通用变频器的广泛应用，中压变频器正在得到推广 和应用。中压变频调速有多种方案，如中_ f b 卜中方案，中低方案及中一中方案等， 用户应结合本身中压电机负载的情况选择性能价格比最优的方案嗍。 在各种方案共存的情况下，各国国著名工控公司都针对不同的电机负载情况开发出 了相应的产品，如德国西门子，美国a - b ，瑞士a b b ，日本三菱等都有自己的特色产 品，其中压变频器产品及概况： ( 1 ) 西门子公司 西门子公司传动产品系列齐全，覆盖所有的应用领域，包括电流源型、电压源型和 公共直流母线型。在中压变频器应用领域，西门子公司采用中低| - 中方案较好地解决 了( 3 0 0 - 6 3 0 ) k w 6 k v 电机的调速问题，即在通用变频器的输入侧加一个降压变压器， 在输出侧加一个升压变压器组成中压变频器驱动系统，其主要特点是可靠性高，价格较 低，考虑到变频器输出含有高次谐波和直流分量，输出升压变压器需特殊设计。若将中 压6 k v 电机改为6 9 0 v 或3 3 0 0 v 电机，则只用降压变压器、变频器组成变频器驱动系 统，即所谓中低方案。中压变频器可用于新工程项目和技改项目，在新工程项目中， 可根据工艺要求对电机、变频器驱动系统做出合理的选择，而在技改项目中，可将6 k v 电机改为3 3 0 0 v 或更低电压等级的电机，虽增加了费用和工作量，但却使得电机、变 频器驱动系统更加合理，中低方案不仅解决了风机、泵等变转矩负载的调速问题，而 且对于具有较高起动转矩和加速转矩的负载( 如挤压机、提升机等转矩负载) 也提供了 较好的解决方案。为配套方便，西门子公司已在国内提供3 3 0 0 v 、6 9 0 v 中低压电机 2 4 1 。以下就西门子公司推出的采用高压i g b t 、三电平技术的直接高压中压变频器做一 介绍。 s i m o v e r t m v 中压变频器采用具有优秀性能的矢量转换磁场定向控制原理，其具 有极高的动态性能、极佳的转矩质量和完美的控制特性，采用高压i g b t 具有可靠性 高、驱动简单、触发功率低、不需要缓冲电路的特点，采用三电平技术降低对电机的冲 击。 m v 系列中压变频器保持了西门子低压变频器模块化结构的特点，其输入变压器为 三绕组，采用a f e 有源前端的m v 变频器可用于弱电网，具有动能储备电源、飞车再 9 江苏大学工程硕士学位论文第一章概述 起动电源和自动再起动功能。额定电机电压为2 3 k v ，3 3 k v ，4 1 6 k v 及6 k v 等规格 2 0 l o ( 2 ) 美国a - b 公司 a b 公司中压变频器为b u l 蛐1 1 5 5 7 系列，控制方式采用无速度传感器直接矢量控 制，电机转矩可快速变化而不影响磁通，运行效果近似直流传动装置。电路结构为交一 直一交电流源型，采用功率器件为g t o ，综合了脉宽调制技术和电流源功率结构的优 点；其谐波符合i e e e 5 1 9 1 9 9 2 ，a b 可提供几种方案以满足谐波抑制的要求，如标准 的1 2 脉冲或1 8 脉冲整流器，标准的谐波滤波器或功率因数补偿器及p w m 整流器等。 a - b 公司于近期推出新一代的中压变频器p o w e r f l e x 7 0 0 0 ，具有系统结构简单的特点， 采用s g c t - 对称门极换流晶闸管、电流源p w m 技术、直接矢量控制技术加上其固有的 能量再生能力、制动及加减速性能好，且使用简单凶。 ( 3 ) 瑞士a b b 公司 a b b 中压变频器为a c s l 0 0 0 系列，以i g c t 为主要开关器件、采用直接转矩控制 ( d t c ) 、三电平技术。i g c t 是关断增益为l 的( 汀o ，为解决g t o 关断过程中众多小阴 极单元的非均匀关断和阴极电流收缩效应，将g t o 门极驱动器与g t o 集成为一个组 件，使g t o 的负门极在l1 ts 内上升到阳极电流的幅值，这是i g c t 的基本原理。直接 转矩控制是1 9 8 5 年后与矢量控制技术并行发展的交流调速控制技术，在d t c 中，定子 磁通和转矩被作为主要的控制变量。目前a c s l 0 0 0 的功率范围为3 1 5 k w 5 0 0 0 k w ，输 出电压为2 3 k v ，3 3 k v 及4 1 6 k v 等，i g c t 在大功率中压变频器中具有一定的优势。 ( 4 ) 日本三菱电机 三菱电机新近开发的适用于平方转矩负载的中压变频器p m t - f 5 0 0 h v 系列，采用 单元串联多电平结构，输入侧采用2 4 相整流方式抑制高次谐波对电网的干扰，在整个 调速范围可达到o 9 5 的功率因数渊。 ( 5 ) 美国罗宾康公司 罗宾康公司中压变频器是由多个低压功率单元串联叠加实现高压输出，其各个功率 单元由一体化的输入隔离变压器的副边线圈分别供电，副边线圈在绕制时相互间存在一 个小的相位差，以消除各单元产生的大多数谐波电流，每个功率单元采用低压i g b t 构 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 第一章概述 成的三相输入，单相输出的p w m 变频器， 率的变频器，采用多电平的脉宽调制技术， 1 。4 2 中压变频技术的发展与产品的选择 输出0 - - - , 4 8 0 v 可调电压和0 - 1 2 0 h z 可调频 输出的电压波形接近正弦波 2 4 1 。 中压变频器的应用正在逐步推广，其在节能和提高企业自动化水平方面发挥了重要 作用，有些需调速的中压电机是生产过程的关键设备，由于其投资较大，因此要对中压 变频器及负载情况做综合的分析和比较再做选择阅。近年来，在中压变频器的应用过程 中，也出现了一些值得注意的问题：如在中低r 中方案中，没有合理处理变频器输出 含有高次谐波及直流分量问题，导致设备运行不理想；有些中压电机为恒转矩负载，或 较高的起动转矩和加速转矩，并非所有的中压变频器都能适用，由于选择不当造成设备 长期处于故障状态，既影响生产也造成投资浪费，这方面也有教训：无论在新的工程项 目还是在技改项目中采用中压变频器时应综合考虑供货商的技术方案、解决工程问题的 能力、售后服务质量等，在选择时应做较长期的考虑，要考虑几年后的发展，因设备的 运行是长期的。从近二十年低压变频器的应用和实践可以得出结论，销售业绩好的公司 都十分重视售后服务，都建立了2 4 小时服务体系网。随着高压i g b t 、i g c t 等电力电 子器件的开发和应用，中压变频器也得到了迅速发展。新器件的采用将使中压变频器的 结构更加简单可靠。对于6 k v 中压电机，有直接采用高压变频器的，如西门子m v 系 列中压变频器，已在国内取得众多的业绩。由于国内供配电与国外的差异，用户应根据 具体负载情况选择最佳方案以获得最佳的经济效益。在6 k v 中压电机的变频器改造过 程中，可将y 接起动的6 k v 电机改为接法，电压由6 k v 降为3 4 7 k v ，这和国际上通 行的3 3 k v 中压变频器接近，其综合了负载实际情况和电压源型变频器对原有电机绝缘 等级的要求，可获得合理的性能价格比；若将6 k v 电机改成较低的中压如2 1 3 k v 、 3 3 k v 、4 1 6 k v 或低压如6 9 0 v 而选择对应的中、低压变频器，这也是较为经济的方 案，因国外厂商在这方面已有多年的应用经验和业绩并且是标准产品，成本较低唧。为 满足国内用户的要求，中压变频产品将有多种规格的中低压电机以适应驱动系统的配 套，这些方案将适合于同步电机和异步电机的各种负载情况t 2 0 l 。 为了适应轧制过程自动化进一步发展的需要，还应重视以下几个方面： 江苏大学工程硕士学位论文第一章概述 ( 1 ) 改进计算机控制系统的配置形式，再进一步提高计算机系统的可靠性和稳定 性同时，必须进一步改进其配置形式。前阶段在广泛发展过程控制计算机系统的同时， 大力发展管理机系统，使管理机和控制机有机的结合起来，组成了分级集成控制系统 t 3 。近年来由于微处理机发展很快，用它来代替传统的硬件和逻辑接口，以实现对生产 设备的分散型控制，可使自动控制的灵活性和可靠性得到进一步提高，这就是当前计算 机轧制过程中的应用的一个重要趋判硐。 ( 2 ) 进一步提高和完善检测仪表和控制系统的性能和功能，在轧制速度越来越 快，产品范围越来越大，质量要求越来越严格的情况下，则检测仪表的性能以及控制系 统的功能，必须进一步提高和完善，才能与之相适应。 ( 3 ) 进一步应用现代控制理论，自适应控制是跟踪轧制过程，保证精度的有效手 段。今后要加强现代控制理论在大型生产系统中应用的研究，简化计算，便于应用，以 实现最优化控制和生产 s l 。 1 5 本文所研究的内容和研究成果 随着当今科学技术的飞速发展，高新科技已广泛应用于现代化的工业生产当中，在 这种大趋势下，各行各业都对其生产设备和工艺提出了更高的要求以满足提高产品质量 的需要。在高速线材生产中，对精轧机的控制要求是非常高的，它要求轧机控制系统具 有低噪声、高性能、高可靠性等特点且在性能方面也要具有调速范围宽、调速精度高、 动态响应快、效率高及操作方便等优点。为了实现这个目标，本课题引进德国 s i e m e n sl c i 先进变流设备作为精轧机控制器对传统线材轧机控制系统进行了大胆的 尝试和改进，最终收得了良好的效果。在与国外设计联络、技术培训、设备安装、负荷 调试及试生产过程中，本课题针对s i m o v e r ts 在工程设计、安装调试及运行维护等 方面的应用进行了全面探索和消化吸收，认识到线材精轧机组主传动系统在软硬件结 构、功能组态及操作方式等方面具有许多新特点，结合课题的具体实施过程，对l c i 变 频技术的原理、结构、特点等方面进行了分析研究，在此基础上，围绕着l c i 交真交变 频设备在线材精轧速度控制