本發(fā)明涉及到煉鋼大斷面圓坯連鑄拉矯電機控制的技術領域，具體地說是一種用于在拉坯生產(chǎn)過程中對多臺拉矯電機的負荷進行動態(tài)分配以避免有些電機長期工作于過載而另一些電機處于空載或再生發(fā)電狀態(tài)的圓坯連鑄拉矯電機負荷動態(tài)分配及速度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術：

在煉鋼車間，拉矯機在連續(xù)澆鑄鋼坯的過程中是關鍵的設備，它對鋼坯具有破鱗﹑拉伸﹑彎曲﹑矯直的作用。對于大斷面圓坯連鑄拉矯電機控制系統(tǒng)，除了具有一般連鑄機拉矯電機控制系統(tǒng)的技術特點以外，又有其自身的控制特性。由于圓坯拉矯機的生產(chǎn)斷面不固定、斷面較大，生產(chǎn)中由于連鑄工藝的特點及驅(qū)動系統(tǒng)中多臺拉矯電機之間的動態(tài)負荷分配在拉坯生產(chǎn)過程中的作用尤為重要。因此有必要對圓坯連鑄過程中使用的多臺拉矯電機的負荷進行動態(tài)分配，避免有些電機長期工作于過載使變頻器報故障而另一些處于空載或再生發(fā)電狀態(tài)，從而引起設備在到達工作壽命前即損壞并且在拉矯電機故障期間引起結晶器液位波動，對鑄坯表面質(zhì)量造成嚴重影響，同時，速度和負荷存在不匹配的問題，還會對結晶器液位波動及工藝質(zhì)量的要求產(chǎn)生不利影響。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明正是針對現(xiàn)有技術中存在的技術問題，提供一種圓坯連鑄拉矯電機負荷動態(tài)分配控制系統(tǒng)及其控制方法，通過參與所有拉矯電機的調(diào)速過程以實現(xiàn)對多臺拉矯電機的負荷動態(tài)分配，控制系統(tǒng)結構簡單，操作方便，易于實現(xiàn)，能有效降低變頻器故障停機次數(shù)，減少了系統(tǒng)開停機時間，從而有效降低了結晶器液位波動并提高了連鑄設備使用壽命和鑄坯表面的質(zhì)量。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為，一種圓坯連鑄拉矯電機負荷動態(tài)分配控制系統(tǒng)，包括工控機、作為主站的PLC控制器、作為從站的多臺變頻器、多臺直流調(diào)速傳動裝置和多臺圓坯連鑄拉矯電機，所述工控機通過網(wǎng)絡與PLC控制器相連，所述PLC控制器與多臺變頻器間通過現(xiàn)場總線相連接，所有變頻器與所有直流調(diào)速傳動裝置進行一對一通信連接，所述直流調(diào)速傳動裝置與圓坯連鑄拉矯電機進行一對一通信連接，進而對拉矯電機進行變頻調(diào)速控制。

作為本發(fā)明的一種改進，所述PLC控制器采用西門子SP7-400系列PLC。

作為本發(fā)明的一種改進，所述工控機與PLC控制器之間的通信網(wǎng)絡采用工業(yè)以太網(wǎng)。

作為本發(fā)明的一種改進，所述PLC控制器與變頻器之間的數(shù)據(jù)傳輸用現(xiàn)場總線采用Profibus總線。

作為本發(fā)明的一種改進，所述變頻器采用西門子s120系列矢量控制變頻器(以下簡稱s120變頻器)，變頻器對圓坯連鑄拉矯電機進行帶速度反饋的矢量控制模式，速度反饋采用脈沖編碼器。

作為本發(fā)明的一種改進，所述PLC控制器包括電源模塊、CPU、Profibus通訊模塊、數(shù)字量信號輸入模塊和數(shù)字量信號輸出模塊，CPU采用c7-626/dp，通過cp342-5通訊模塊與工業(yè)以太網(wǎng)通訊，同時通過Profibus-dp接口與s120變頻器通訊。

利用上述控制系統(tǒng)進行動態(tài)負荷控制的方法，PLC控制器通過Profibus總線從各變頻器內(nèi)讀取圓坯連鑄拉矯電機(簡稱“拉矯電機”)的轉(zhuǎn)矩實際值，將每臺拉矯電機變頻器轉(zhuǎn)矩實際值與所有工作狀態(tài)下變頻器的平均值進行比較，經(jīng)過變換與限幅后輸出一個修正后的速度偏差值，將這一偏差值與速度設定值相加作為總的速度給定值，再通過Profibus總線傳輸給變頻器，參與調(diào)速過程。

作為本發(fā)明的一種改進，上述方法具體包括如下步驟：

(1)建立所述動態(tài)負荷分配控制系統(tǒng)的模型，在系統(tǒng)模型中包括負載優(yōu)化控制器、PID調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制器、轉(zhuǎn)矩模型、開關控制器、逆變器和磁鏈模型，其中負載優(yōu)化控制器包括依次相連接的平均負載計算功能單元、偏差負載計算單元和速度修正計算單元，由負載優(yōu)化控制器的輸出作為變頻器速度設定值的偏差參與控制；

(2)檢測圓坯連鑄拉矯電機的鑄坯速度，即拉矯電機的實際轉(zhuǎn)速，主要是根據(jù)生產(chǎn)設備的工藝參數(shù)，分析拉矯電機的實際轉(zhuǎn)速與拉矯電機給定拉速之間的關系，確定拉矯電機的實際轉(zhuǎn)速rpm與拉矯電機給定拉速之間的關系式如下：

電機轉(zhuǎn)速m/min[rpm]＝拉速[m/min]/Km (1)

式中，Km是轉(zhuǎn)換常數(shù)，且K_m＝K_rpm/K_半徑，K_rpm＝矯直輥徑*π/τ，K_半徑＝R/[R-(H_max+H_min)/4]，其中，K_rpm為拉矯輥的機械特性；π為圓周率3.14，τ為齒輪箱總減速比(嚙合)；K_半徑為針對拉矯輥的位置補償常數(shù)，即內(nèi)半徑與外半徑存在的差異；R為鑄機半徑，具體為在夾送輥處的鑄機半徑；H_max為鑄坯的最大直徑；H_min為板坯的最小直徑。

(3)在步驟(1)所建模型的基礎上增加速度微調(diào)補償，對報故障的變頻器進行速度微調(diào)。所述速度微調(diào)補償具體是設定在負載優(yōu)化控制器和PID調(diào)節(jié)器之間，將負載優(yōu)化控制器的輸出值經(jīng)過速度微調(diào)補償后再作為變頻器速度設定值的偏差量輸入PID調(diào)節(jié)器中。

作為本發(fā)明的一種改進，所述圓坯連鑄拉矯電機的速度微調(diào)補償量為0.0156。

相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的整體結構設計巧妙，拆卸組裝維修更換方便，成本較低，控 制精確度高，利用PLC控制器、變頻器、直流調(diào)速傳動裝置及用于速度反饋的脈沖編碼器等設備，對多臺圓坯連鑄拉矯電機實現(xiàn)了負荷的合理分配和速度的均衡調(diào)節(jié)，同時針對現(xiàn)場出現(xiàn)的電機故障(即由報故障的變頻器體現(xiàn))進行了速度的精確跟蹤并在原設計可控制模型基礎上增加了速度補償環(huán)節(jié)，解決了現(xiàn)場故障，滿足了生產(chǎn)工藝要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的控制系統(tǒng)結構示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例所公開的圓坯連鑄機的結構示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例所公開的動態(tài)負荷分配控制系統(tǒng)模型圖。

圖4為本發(fā)明實施例所公開的帶有速度微調(diào)補償?shù)膭討B(tài)負荷分配控制系統(tǒng)模型圖。

圖5為本發(fā)明實施例所公開的速度微調(diào)補償?shù)倪壿嬇袛嗫刂屏鞒虉D。

圖中：1-大包回轉(zhuǎn)臺，2-電磁攪拌系統(tǒng)，3-導線軌道，4-1#-9#拉矯電機。

具體實施方式

為了加深對本發(fā)明的理解和認識，下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述和介紹。

如圖1所示，一種圓坯連鑄拉矯電機負荷動態(tài)分配控制系統(tǒng)，包括工控機、作為主站的PLC控制器、作為從站的多臺變頻器、多臺直流調(diào)速傳動裝置和多臺圓坯連鑄拉矯電機，所述工控機通過網(wǎng)絡與PLC控制器相連，所述PLC控制器與多臺變頻器間通過現(xiàn)場總線相連接，所有變頻器與所有直流調(diào)速傳動裝置進行一對一通信連接，所述直流調(diào)速傳動裝置與圓坯連鑄拉矯電機進行一對一通信連接，進而對拉矯電機進行變頻調(diào)速控制。

具體的，所述PLC控制器采用西門子SP7-400系列PLC。所述工控機與PLC控制器之間的通信網(wǎng)絡采用工業(yè)以太網(wǎng)。所述PLC控制器與變頻器之間的數(shù)據(jù)傳輸用現(xiàn)場總線采用Profibus總線。PLC控制器通過在Profibus總線向變頻器傳輸設定值和控制字，而變頻器則把電機電流、力矩、變頻器狀態(tài)字通過Profibus總線傳送給PLC控制器。每一臺變頻器采用脈沖編碼器檢測速度反饋組成速度閉環(huán)，通過負載分配實現(xiàn)力矩外環(huán)控制，很好的實現(xiàn)了負載分配技術。

進一步的，所述變頻器采用西門子s120系列矢量控制變頻器，變頻器對圓坯連鑄拉矯電機進行帶速度反饋的矢量控制模式，速度反饋采用脈沖編碼器。

更進一步的，所述PLC控制器包括電源模塊、CPU、Profibus通訊模塊、數(shù)字量信號輸入模塊和數(shù)字量信號輸出模塊，CPU采用c7-626/dp，通過cp342-5通訊模塊與工業(yè)以太網(wǎng)通訊，同時通過Profibus-dp接口與s120變頻器通訊。

利用上述控制系統(tǒng)進行動態(tài)負荷控制的方法：PLC控制器通過Profibus總線從各變頻器內(nèi)讀取拉矯電機的轉(zhuǎn)矩實際值，將每臺拉矯電機變頻器轉(zhuǎn)矩實際值與所有工作狀態(tài)下變頻器 的平均值進行比較，經(jīng)過變換與限幅后輸出一個修正后的速度偏差值，將這一偏差值與速度設定值相加作為總的速度給定值，再通過Profibus總線傳輸給變頻器，參與調(diào)速過程。

具體的，上述方法具體包括如下步驟：

(1)建立所述動態(tài)負荷分配控制系統(tǒng)的模型，在系統(tǒng)模型中包括負載優(yōu)化控制器、PID調(diào)節(jié)器(即圖3及圖4中的比例調(diào)節(jié))、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制器、轉(zhuǎn)矩模型、開關控制器、逆變器和磁鏈模型，其中負載優(yōu)化控制器包括依次相連接的平均負載計算功能單元、偏差負載計算單元和速度修正計算單元，由負載優(yōu)化控制器的輸出作為變頻器速度設定值的偏差參與控制；

(2)檢測拉矯電機的鑄坯速度，即拉矯電機的實際轉(zhuǎn)速，主要是根據(jù)生產(chǎn)設備的工藝參數(shù)，分析拉矯電機的實際轉(zhuǎn)速與拉矯電機給定拉速之間的關系，確定拉矯電機的實際轉(zhuǎn)速rpm與拉矯電機給定拉速之間的關系式如下：

電機轉(zhuǎn)速m/min[rpm]＝拉速[m/min]/Km (1)

式中，Km是轉(zhuǎn)換常數(shù)，且K_m＝K_rpm/K_半徑，K_rpm＝矯直輥徑*π/τ，K_半徑＝R/[R-(H_max+H_min)/4]，其中，K_rpm為拉矯輥的機械特性；π為圓周率3.14，τ為齒輪箱總減速比(嚙合)；K_半徑為針對拉矯輥的位置補償常數(shù)，(內(nèi)半徑與外半徑存在的差異)；R為鑄機半徑，在夾送輥處的鑄機半徑；H_max為鑄坯的最大直徑；H_min為板坯的最小直徑。

(3)在步驟(1)所建模型的基礎上增加速度微調(diào)補償，對報故障的變頻器(即發(fā)生故障的拉矯電機)進行速度微調(diào)。所述速度微調(diào)補償具體是設定在負載優(yōu)化控制器和PID調(diào)節(jié)器之間，將負載優(yōu)化控制器的輸出值經(jīng)過速度微調(diào)補償后再作為變頻器速度設定值的偏差量輸入PID調(diào)節(jié)器中。

實施例：

如圖2所示，為一全弧形圓坯連鑄機的結構圖，從上往下依次包括大包回轉(zhuǎn)臺1、電磁攪拌系統(tǒng)2、導線軌道3以及1#-9#拉矯電機4，其可生產(chǎn)斷面為等多種不同規(guī)格圓坯，屬于大斷面圓坯連鑄機。拉矯電機設計為九架共同承擔送引錠及鑄坯生產(chǎn)的負荷分配，設計連鑄機的鑄流數(shù)為四機四流，拉矯電機的生產(chǎn)操作可以進行現(xiàn)場機旁箱(包括PLC控制器、多臺變頻器以及直流調(diào)速傳動裝置的電氣控制部件)和主控室操作臺兩地進行手動操作，同時在上位機(即工控機)監(jiān)控畫面上可以進行送引錠和鑄坯澆鑄的自動運行操作，關于拉矯電機的運行狀態(tài)參數(shù)可以在監(jiān)控畫面中進行實時的顯示并進行歷史趨勢的查看。拉矯電機負荷動態(tài)分配控制系統(tǒng)的工藝參數(shù)如下表。

表1.圓坯連鑄機工藝參數(shù)

在上述的系統(tǒng)中對拉矯電機采取動態(tài)等負荷分配的PID控制策略，即由負載優(yōu)化控制器的輸出作為變頻器速度設定值的偏差參與控制。變頻器采用有編碼器檢測的矢量控制方式，負載優(yōu)化控制器在可編程控制器(即PLC控制器)中通過編程軟件實現(xiàn)邏輯判斷和控制，它是由平均負載計算功能單元、偏差負載計算單元和速度修正計算單元等三部分邏輯控制模塊構成。具體的動態(tài)等負荷控制系統(tǒng)模型如圖3所示。

在圖3中，v_x—鑄坯速度給定值；ΔV_x—鑄坯速度補償值；—進行負荷分配的電動機磁鏈分量值；—進行負荷分配的電動機磁鏈分量反饋值；n—進行符合分配的電動機數(shù)量；T_s1—進行負荷分配的電動機轉(zhuǎn)矩分量；T_sn—進行負荷分配電動機轉(zhuǎn)矩分量反饋值；ω—電動機實際轉(zhuǎn)速；ω_x—電動機轉(zhuǎn)速給定值。

PLC通過Profibus總線從變頻器內(nèi)部采集轉(zhuǎn)矩實際值，與9臺拉矯電機所分配的轉(zhuǎn)矩理論均值進行比較，經(jīng)過PLC控制器內(nèi)部負載計算單元與速度修正計算后經(jīng)限幅輸出一個修正后的速度偏差值ΔV_x，將這一偏差值與速度設定值v_x相加作為總的速度給定值，再通過Profibus總線傳輸給變頻器，經(jīng)過變頻器內(nèi)部PID控制，實現(xiàn)拉矯電機的調(diào)速過程。整個控制系統(tǒng)的設計充分利用了傳統(tǒng)PID控制策略進行負荷分配和多個拉矯電機的速度匹配，從而對拉矯電機實現(xiàn)合理控制，并在項目調(diào)試初期生產(chǎn)正常，滿足了生產(chǎn)工藝需要。1#～9#拉矯電機的負荷及速度控制均采用上述模型進行調(diào)節(jié)，對于不同水平面的拉矯電機因為線速度不同，最終的給定速度不同，根據(jù)工藝標準及工藝參數(shù)進行公式換算并合理調(diào)節(jié)。

同時，對于拉矯電機的負荷分配和速度匹配的控制，基礎工作的關鍵是鑄坯速度的精確檢測，速度補償根據(jù)現(xiàn)場工藝參數(shù)的分析由PLC進行數(shù)學計算，主要是根據(jù)生產(chǎn)設備的工藝參數(shù)，分析拉矯電機的實際轉(zhuǎn)速與拉矯電機給定拉速之間的關系。這里將直流調(diào)速傳動裝置的速度參數(shù)(即拉矯電機的實際轉(zhuǎn)速)表示為rpm；拉速表示為m/min；利用可編程控制器PLC進行程序設計，對用于兩套設備之間轉(zhuǎn)換的常數(shù)K_m進行如下計算：

電機轉(zhuǎn)速m/min[rpm]＝拉速[m/min]/Km (1)

其中：K_m＝K_rpm/K_半徑，K_rpm＝矯直輥徑*π/τ，K_半徑＝R/[R-(H_max+H_min)/4]。

然而在采用上述連鑄拉矯電機進行生產(chǎn)送引錠的過程中，出現(xiàn)了四個鑄流的某一個變頻器經(jīng)常報故障7410電機過流跳閘，尤其為2#、4#和6#電機比較頻繁。查看變頻器說明書和上位機監(jiān)控畫面發(fā)現(xiàn)實際的電機電流一直在15.8A，而電機額定電流為7.9A，我們設置的電機過載電流為額定電流的1.5倍，也屬于正常設定值。經(jīng)過對送引錠時設備運行過程進行觀察，引錠桿在送入二冷室導向輥的區(qū)域，拉矯電機部分出現(xiàn)上升下降起伏較大，表明在引錠桿運行過程中，和現(xiàn)場的導向設備之間存在一定程度的作用力，或者說設備檢修時候的磨合階段出現(xiàn)的正常摩擦。長期觀察送引錠過程，2#、4#和6#拉矯電機起伏較大并且故障頻繁，處于整個拉矯系統(tǒng)對鋼坯進行校正的幾何轉(zhuǎn)點，在受力和速度變換中相對于其他電機存在很大差異。為此在設計動態(tài)等負荷分配控制模型基礎上增加轉(zhuǎn)速補償環(huán)節(jié)(即速度微調(diào)補償)，對報故障的變頻器進行速度微調(diào)。則形成帶有速度微調(diào)補償?shù)膭討B(tài)等負荷控制系統(tǒng)模型如圖4所示。

針對不同工藝環(huán)節(jié)圓坯連鑄拉矯電機的控制采用邏輯判斷進行自動投入與解除，投用后完全解決了送引錠過程中的電機過流跳閘問題，穩(wěn)定了生產(chǎn)節(jié)奏，具體的速度補充功能的邏輯判斷控制流程如圖5所示。首先根據(jù)拉矯電機的實際轉(zhuǎn)速ω的正負判斷生產(chǎn)工序操作情況，這里設定鑄坯拉速(即拉矯電機的實際轉(zhuǎn)速)為負時為送引錠狀態(tài)。當出現(xiàn)反饋速度ω_sp和設定速度ω_se不匹配時，根據(jù)生產(chǎn)試驗出的經(jīng)驗值0.0156進行拉速給定值ω_se的微調(diào)。

需要說明的是上述實施例，并非用來限定本發(fā)明的保護范圍，在上述技術方案的基礎上所作出的等同變換或替代均落入本發(fā)明權利要求所保護的范圍。在權利要求中，單詞“包含”不排除存在未列在權利要求中的元件或步驟。