季宝伟，鹿洪伟，王萌，陈笃超，李雨儒

（1.天津电气科学研究院有限公司，天津300180；2.丹纳赫西特传感工业控制（天津）有限公司，天津300385）

基于SL150的热连轧传动系统的控制与应用

季宝伟1，鹿洪伟1，王萌2，陈笃超1，李雨儒1

（1.天津电气科学研究院有限公司，天津300180；2.丹纳赫西特传感工业控制（天津）有限公司，天津300385）

SINAMICS SL150是西门子公司新型全数字矢量交交变频控制系统，用于替换上一代产品SIMADYN D系统。在SL150系统中，针对冶金轧制有一些特殊的应用，包括负荷平衡、负荷观测、陷波滤波器等，其中负荷平衡保证了上下辊输出转矩的平均分配，采用负荷观测器的控制系统具有较强的抗负荷扰动性，明显减少轧机动态速降和恢复时间，陷波滤波器的运用消除了机电共振现象，这些应用对生产线的正常快速生产、保证产品质量发挥着重要作用。

SINAMICS SL150；负荷平衡；负荷观测；陷波滤波器

福建某钢铁公司是专门从事不锈钢热轧卷、冷轧卷及不锈钢深加工企业，年产量达300多万t，最高生产速度20 m/s，该公司1 780 mm不锈钢热连轧项目，主传动电动机是同步电动机，采用西门子公司SINAMICS SL150新型全数字矢量交交变频调速系统进行控制，功率装置为三相无环流可逆式晶闸管变流器，采用简易而良好的创新设计，具有控制精度高、响应快速、可靠性强、较强的过载能力、操作简单及易于维护等特点。

1 SL150控制系统

1.1 电机数据

该生产线主传动电动机均采用同步电机，配置如表1所示。

表1 电机主要数据Tab.1 The main data of motor

1.2 变压器数据

定子整流变压器采用三裂解整流变压器，每个电机配有1个。具体见表2。

表2 定子变压器主要数据Tab.2 The main data of stator transformer

励磁变压器由于存在共用问题，有两裂解和三裂解整流变压器。具体见表3。

表3 转子变压器主要数据Tab.3 The main data of rotor transformer

变压器的接法有D/y和D/d，可消除和减小一定次数谐波的影响。

1.3 功率部分

1.3.1 定子整流柜

功率部分采用我单位研制的晶闸管热管风冷整流柜，构成直接反并联功率组件，比采用普通散热器和同样晶闸管元件构成的装置提高输出能力50%左右，运行稳定。

由于电机功率较大，同时要求较高过载倍数，所以配置了大功率整流柜，电机每相由单个或2个整流柜并联组成，粗轧满足2.5倍过载60 s，最高2.75倍过载10 s，精轧满足2.0倍过载60 s，最高2.25倍10 s，以满足轧制过程中电机的过载要求。

1.3.2 转子整流柜

粗轧和精轧转子整流柜额定电压660 V，额定电流分别是2 100 A和1 420 A，最大可至2 400 A和1 600A。

图1为该粗轧系统单线图。图2为该精轧系统单线图。

图1 粗轧系统单线图Fig.1 Single line diagram of rough rolling

图2 精轧系统单线图Fig.2 Single line diagram of finish rolling

1.4 数字控制部分

主机控制器由通用微处理单元SIMOTION D445、专用微处理单元CU320-2DP（SL150）、6RA70整流装置、各种辅助单元、接口单元（TM15，VSM，SMC30，SSI）、通讯单元（CBE30）及电源等组成。

系统硬件设备主要控制器以及接口端子板等组成，如图3所示。图3中，表示Profibus DP，——表示Drive-Cliq。

图3 数字系统组成示意图Fig.3 Schematic diagram of the digital system

SIMOTION D445主要完成系统起停的速度逻辑控制和速度调节（包括工艺控制）等任务，速度的给定控制、负荷观测、故障综合处理、主回路合分闸逻辑控制、操作面板OP控制、通讯等任务。SIMOTION D445与上级自动化、CU320-2DP、6RA70 DC Master装置、ET200M之间通讯采用Profibus DP方式，CU320-2DP与PSA，TM15，VSM，SMC30等之间通讯采用Drive-Cliq方式。

CU320-2DP（SL150）主要完成矢量控制、磁通控制等任务。包括采用电压模型和电流模型计算磁通矢量的磁通定向控制、励磁电流给定计算、磁通闭环（包括弱磁电压闭环和电势闭环）控制、三相交流电流给定计算、电压前馈控制、矢量闭环的逻辑控制、交流电流调节、断续补偿、换向逻辑控制、触发脉冲控制等。

PSA通过Drive-Cliq与CU320-2DP通讯，接收电流实际值、电压实际值和零电流信号，并发送定子脉冲信号。它与SSI之间通讯依靠光纤完成，SSI把光信号和电信号相互转化，与功率部分相连接，最终完成信号的发送和接收。

ET200M Motor用于检测电机绕组线圈、轴瓦、冷却水、风等PT100温度信号，用于电机故障报警联锁。ET200M Auxiliary用来检测辅助设备的开关量输入，比如电机风机电源、加热器电源、电机漏水检测电源、UPS电源、整流柜风机电源、脉冲电源、主开关操作电源、辅助ET200M电源、接地检测电源及信号等，并完成接触器、继电器、指示灯等的开关量控制输出，从而组成了整个系统逻辑连锁，其中也包括了励磁高压开关、定子高压开关以及主开关的联锁控制。

TM15包括24个双向DI/DO，用于采集了数字柜内的开关状态输入信号和控制继电器等输出信号，VSM检测进线同步变压器电压信号，SMC30是增量型编码器接口模块，用于电动机的速度闭环控制。

操作面板OP177B在系统中主要完成系统调试、显示运行参数以及主要开关状态、系统故障报警等功能。

SIMOTION D445通过与6RA70 DC Master装置通讯，发送励磁控制信号，同时接收6RA70装置反馈的信号，完成励磁电流的控制。

与上一代西门子SIMADYN D交交变频控制系统调试软件由STRUC G更新为SIMOTION SCOUT软件，SCOUT工程开发系统具有良好的用户友好性。运动控制、逻辑控制与工艺控制的工程开发，以及驱动器的组态与调试，均是由一个系统完成的。SIMOTION可以使用运动控制图MCC、梯形图LAD/功能块图FBD、基于文本的高级语言ST、驱动控制图DCC编程，使用DCC以结构化方式，可以轻易地实现增强型控制任务。SIMADYN D与SL150主要硬件比较见表4，从硬件结构上看，要比SIMADYN D系统更通用，更简化。

表4 SIMADYN D和SL150的硬件比较Tab.4 Hardware comparison between SIMADYND and SL150

2 负荷平衡控制

2.1 影响负荷不平衡的因素

引起上、下辊负荷不平衡的主要原因为：电机本身的差别、上下工作辊的辊径不同、速度调节器和电流调节器的动态响应差异、轧件上下表面的摩擦系数、温度差等。在轧制过程中，就会造成轧制速度和负荷的不平衡，线速度大的电机电流大，线速度小的电机电流小，因此经常出现过载现象，严重时损坏功率部件或机械设备，影响正常生产。

2.2 负荷平衡控制原理

负荷平衡控制采用PI调节器。由于积分调节作用的存在，能使被调节量的静态偏差为零。减小积分时间，可减少调节过程中被调节量的动态偏差，但会增加调节过程的振荡。相反，增大积分时间，可减小调节过程的振荡，但会增加被调节量的动态偏差。因此，在调试过程中，为了达到良好的负荷平衡效果，需要适当调整比例和积分时间。另外，对负荷平衡调节量和功能投入的阈值也需要根据实际情况确定，从而使负荷平衡达到很好的效果。从工艺角度看，为使轧件往复轧制和运输过程中自由顺畅，带头应微微上翘，即雪橇板特性，因此，咬钢后延时投入负荷平衡调节器。

通过计算转矩偏差对速度进行微调，从而改变转矩的大小。如图4所示，计算上、下辊的实际转矩偏差，以此偏差信号作为负荷平衡调节器的输入信号。经过死区功能块、滤波器后，进入负荷平衡PI调节器，得出纠正力矩不均的速度调节量，并将此调节量限制在所调系统当前速度给定的5%以内。

图4 负荷平衡控制简图Fig.4 Schematic diagram of the load balance control

为使平衡调节总使系统减速，调节量总是取负值叠加在负荷较大的电动机速度给定环节上，此功能由偏差极性判断模块和比较模块实现。此时，上、下辊的速度都可能进行调节。如果上辊的负荷大，就调节上辊速度，使其减小；如果下辊的负荷大，就调节下辊速度，使其减小。

根据现场调试经验，一般情况下比例系数为0.1～0.5，积分时间为1～5 s，负荷平衡调节器的输出限幅为3%～5%。图5为实际生产波形，在咬钢初期，上下辊负荷差比较大，主要因为雪橇板功能的投入所引起，待负荷平衡功能投入后，上下辊电流控制在5%以内，明显提高了轧制质量和生产节奏，一定注意负荷平衡调节器的调节量不能太大，其输出直接加减到上下辊的转速给定上，如果调节量太大，可能导致打滑，且动态波动较大，引起电机电流剧烈变化，从而影响系统的稳定性。

图5 负荷平衡控制实际波形Fig.5 Actual curves of the load balance control

在此应用中，是通过SIMOTION D445的CBE30模块进行通讯，在SCOUT的硬件配置中，把上辊、下辊配置成一主一从，并分配不同的IP地址，在下辊的D1HLBTWI程序包中实现负荷平衡的计算，再通过CBE30发送至上辊。

3 负荷观测器

3.1 负荷观测器的引入

在大多数的轧机传动系统中，速度控制器采用PI调节器，其积分时间常数比电流环大很多倍，当电机承受突加负载时，速度急剧下降，电机转矩分量给定不能及时增大以补偿速降，使得相对速降较大，恢复时间较长，这对于要求较高的传动系统，只靠调整速度调节器参数是很难满足调速系统的要求。

尤其是板带连轧的精轧机组，各机架主传动的转速按秒流量原则设定，使得在正常轧制时各机架间的钢材既不受拉，也不堆积。但问题出在咬钢期间，例如某一时刻机架咬入钢材，受突加负载影响，该机架转速下降，再逐渐恢复，这时前一架的转速已恢复，按照原来设定的速度轧制，在该机架和前一机架之间钢材堆积，很可能导致废钢现象，不能满足工艺的要求，因此，有必要引入负荷观测器。

3.2 负荷观测器原理

图6是负荷观测器的示意图。负荷观测器的任务是根据调速系统转速实际值n和转矩实际值T，输出电动机负载转矩的观测值T1，它是电流调节器的附加转矩给定，与速度调节器输出的转矩给定T*相加，共同产生转矩。没有负荷观测器时，克服负载所需要的转矩要在转速降低，转速偏差n*-n出现后，经速度调节器的PI作用，使T*增大才能得到，这个过程较慢。有负荷观测器后，在转速降低和转矩增加双重因素作用下，观测器很快输出负载转矩的观测值，送给电流调节器，使转矩迅速增大，速降、恢复时间减小。这时速度调节器的输出不再承担提供负载转矩给定的任务，只承担动态转矩给定和补偿负荷观测误差任务，变化范围大大减小，稳态时T*≈0。

图6 负荷观测器示意图Fig.6 Schematic diagram of load observer

负荷观测器是由模拟电动机的积分器和负载观测调节器组成，模拟电动机积分器的积分时间等于电动机和机械的机电时间常数，该时间常数需要在现场实际测量。调试过程中，比例设置较大，投入时，影响系统的正常工作，这时需要适当减小比例，增加积分时间。

图7为投入负荷观测器功能后，SCOUT软件采集的波形，热连轧精轧机F8速度响应大大加快，咬钢时动态恢复时间由520 ms减少到200 ms，可见负荷观测器的输出比速度调节器的输出快，以此达到减小动态速降和恢复时间的目的。

图7 负荷观测器实际运行波形Fig.7 Actual curves of the load observer

4 陷波滤波器

4.1 陷波滤波器的引入

在热连轧的大型轧机系统中，频繁出现轧机传动扭振现象，影响正常生产。因为轧机传动系统是一个机械动力学弹性模型，在调试期间或生产过程中，如果机械动力学模型的固有频率与电气系统的频率相吻合，整个传动系统会处于不稳定状态，从而导致机电共振现象，传动系统无法正常运行。

4.2 陷波滤波器的原理

抑制轧机机电系统共振的最简单有效的方法就是滤波滞后。在控制系统的正向通道中加一个惯性滤波环节，从而使控制系统特征频率偏离机电对象的固有频率，以消除共振现象。但是由于在控制系统中的正向通道中加入滞后环节，会影响系统的动态响应特性，牺牲了系统的动态品质。

因此改善其特性，希望避开机电对象的固有频率，还要保证系统的动态响应特性不受影响，因此，把1个陷波滤波器放在系统通道中，使滤波陷波频率ωc等于机电固有频率ω0，大大减小或消除振荡，同时对其他频率没有滞后作用，不影响系统动态响应。

在粗轧上辊系统调试过程中，发现由于交交变频系统的谐波频率与轧机机械系统固有频率恰好吻合，造成系统振荡，无法正常运行。在系统中设置了陷波滤波器后，有效地消除了机电共振现象。

5 结论

本项目采用西门子公司SINAMICS SL150新型全数字矢量交交变频控制系统，在2014年初顺利投产，至今已经连续运行11个月，取得了很好的控制效果，这也是该系统在国内的第一次大规模应用，标志着该系统应用的良好前景。

［1］天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册［M］.第2版.北京：机械工业出版社，2005.

［2］马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［3］陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［4］西门子公司.Medium⁃Voltage AC⁃Converter SINAMICS SL150 Operating Instructions［Z］.2012.

Control and Application of Hot Continuous Rolling Drive System Based on SL150

JI Bao⁃wei1，LU Hong⁃wei1，WANG Meng2，CHEN Du⁃chao，LI Yu⁃ru1
（1.Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China；2.Danaher Setra⁃ICG（Tianjin）Co.，Ltd.，Tianjin 300385，China；）

SINAMICS SL150 is the new digital vector AC-AC frequency conversion control system of Siemens company，used to replace the SIMADYN D system.In the metallurgical rolling，there are some special applications，including load balance，load observer，notch filter，load balance guarantees the average distribution of output torque of roll，the control system of the load observer had a strong anti load disturbance，obviously reduced the mill dynamic speed drop and recovery time，The usage of notch filter eliminates the electromechanical resonance phenomenon.The application ensures the normal rapid production and plays an important role in the quality of the products.

SINAMICS SL150；load balance；load observer；notch filter

TM921

B

2014-12-01

修改稿日期：2015-01-22

季宝伟（1982-），男，本科，工程师，Email：jbw1122@126.com