李颖斌

摘 要：本文介绍了唐钢1700热轧卷取机传动系统的结构与控制方案，通过对西门子SinamicsS120整流单元与变频装置的介绍，系统地阐述S120变频器的特性，及主从控制在本系统中的应用。结合现场调试对速度环进行优化，确保传动系统可靠稳定运行。

关键词：S120变频器；卷取机；主从控制；矢量控制；速度调节优化

中图分类号：TG333.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）08-0080-01

1 引言

随着现代工业的快速发展，市场对热轧带钢产品的需求不断增大，2007年唐钢股份有限公司新建了1700热轧生产线，在热轧生产工艺中卷取机的自动化控制性能发挥着重要的作用。本文就其传动系统的特点，结合西门子SINAMICS S120变频器特性，简单介绍了卷取机的控制结构及传动系统的控制方案，通过变频装置的主从控制实现两台电机同轴驱动的同步控制，整个系统在投入运行以来，工作稳定满足了热轧线工艺生产需要。

2 系统结构

唐钢1700热轧生产线控制器采用的是西门子TDC控制系统，通过工业以太网与上位机及二级服务器通讯，以Profibus-DP通讯与传动控制系统及过程控制站进行数据交换，该生产线有两台卷取机，在正常生产作业时交叉作业，即一台卷取机卷取作业，另一台卷取机等待作业，因此应用西门子S120系列变频装置时，整流控制单元可按一台卷取机的电机容量进行选型，整流器选用的是带能量反馈的SLM系列整流单元，每台卷取机由两台电机来驱动，每台电机分别由一个S120系列逆变器控制，由于两台电机是同轴驱动，属于刚性连接，在两台变频器的同步控制上采用的是以CBE20模块作为通讯板，基于Profinet通讯的主从控制方式，保证了系统运行的快速性及同步性。其控制结构如下图1所示。

3 S120变频器的特点

SinamicsS120变频装置是西门子公司推出的全新的集v＼f控制、矢量控制及伺服控制于一体的驱动控制系统：（1）系统基本模块包括：整流模块，电机模块，控制单元，I/O模块，编码器模块等，这些模块可根据要求分别选配、安装，紧凑的模块化结构设计，大量节省了电气室空间。各模块之间通过DRIVE-CLiQ总线通信，由一个或多个控制单元实现系统控制。（2）采用全新的IGB整流回馈装置通过二极管桥回馈，同时以100%的持续反馈功率进行稳定的电网再生反馈，在实现四象限运行的基础上，成功避免换流故障。（3）应用Drive-CLiQ传动接口，保证了S120传动系统内部控制单元与功率单元间通信的快速性与可靠性。（4）传动装置设计均基于一个开发平台，将硬件与软件组态以及设计、调试等工作采用专用工具软件到统一的工作平台上，系统集成工作全面标准化。在本生产线的卷曲机采用S120系列变频装置，提高了传动的稳定性满足了系统的工艺要求。

4 主从控制方案

4.1 主从控制概述

在变频器的应用中，由于工艺要求或变频器容量限制，会采用一个传动设备由两个或多个电机驱动共同配合工作的主从控制方式，根据主从控制应用方案，通常采用以下两种控制方案来实现：（1）直接转矩分配，当电机之间是硬链接方式时，需将主机设定在速度模式从机设定在转矩模式，将主机的转矩设定值作为从机的转矩给定值，使从机转矩始终与主机一致，这样保证系统运行时，从机转矩始终与主机一致，同时因为机械结构的原因从机速度始终与主机相同，这样就完成了转矩的分配，该方式的特点是，从机转矩始终跟随主机转矩，系统按照主机的速度运行，转矩响应比较快。（2）速度偏差与转矩限幅，当电机之间采用软连接时，电机之间需要有相同的运行速度，同时保证电机力矩的平均分配，还要防止连接断裂时的保护。在速度偏差与转矩限幅方式时，主机从机都工作在速度模式，主从机速度设定值相同，然后从机在此基础上附加5%-10%左右的的速度偏差，将主机的转矩值连接到从机的转矩限幅上，在启动后，由于速度偏差的的存在，连接的材料迅速拉紧，从机的速度环饱和，输出的转矩受转矩限幅限制，从而保证从机的转矩跟随主机转矩，主从电机工作在各自的速度环模式下，不会发生飞车现象。

4.2 S120变频器主从控制及本系统中的控制应用

CU320作為控制单元的变频器主要有五种主从控制方式：（1）采用PROFIBUS DP，此时可以借助PROFIBUS DP的SLAVETOSLAVE通讯，实现两个S120设备之间的数据交换；（2）通过TM31端子模块互相连接，使用DI＼DO和AI＼AO完成数据交换。模拟量信号最好使用电流信号，采用双绞屏蔽电缆，尽量减少干扰；（3）通过在CU320扩展插槽增加CBE20通讯板，使用装置间通讯Sinamics Link网络进行配置及通讯；（4）通过在CU320扩展插槽增加TB30端子板，使用I＼O端子来实现数据交换，但TB30模拟量信号只支持电压型信号，需注意可能发生的干扰问题；（5）在一个CU320单元连接多个驱动轴的情况下，直接利用轴间变量的互联，来实现主从控制的数据交换，该种方式当CU出现故障时，两台设备都将无法运行。

在本生产线的卷取机控制中考虑到变频器容量，每台卷取机由两台性能相同的电机同轴驱动控制，电机在连接形式上属于刚性连接，因此采用了直接转矩分配的主从控制方式，主机从机通过CBE20模块连接，建立主从通讯，主机采用速度控制模式，通过DP通讯接受PLC控制字，再通过主从通讯将主机的转矩实际值作为转矩给定值发送给从机，这样保证系统运行时从机速度始终与主机同步，转矩始终跟随主机，达到了转矩负荷的平均分配。

5 变频调试及速度环优化

在该系统中变频控制采用的是带编码器的闭环矢量控制，首先对主、从电机进行静态辨识，在该过程中变频器将计算出电机的定子冷态阻抗、转子冷态阻抗、定子漏抗、转子漏抗、主电感参数；然后再通过变频器对电机进行动态辨识，以计算出磁化曲线的的磁通和励磁电流，自动进行速度环优化，计算系统传动惯量与电机传动惯量的比例，在动态测量时电机要解开减速机接手解除负载，然后通过starter调试软件对变频器常规参数进行设定，然后再对电机速度环调节器及转动惯量进行手动微调对系统优化，以满足系统对高性能传动的要求。

6 结语

SINAMICS S120变频器在热轧卷取机的控制中，应用starter调试软件与TDC控制系统相结合的方式便于现场调试，采用整流器、逆变器组合控制方式既稳定了母线电压又利用馈电功能节省了电能，该卷取机在投入使用后运行稳定、事故率低，取得了明显的经济效益，相对于传统变频器具有明显的优势。