电气传动2015年第45卷第7期
鹿洪伟1，程克林2，赵春晓1，季宝伟1，董云鹏2，穆太青1
（1.天津电气科学研究院有限公司，天津300180；
2.河北钢铁股份有限公司承德分公司自动化中心，河北承德067000）
摘要：无缝钢管是一种重要的经济钢材。限动芯棒连轧管机的应用，克服了芯棒长度和重量的限制，改善了钢管质量，使生产出的钢管直径和长度都显著地增加。通过对某生产线连轧管机芯棒限动系统设备结构、轧制工艺等的描述，介绍了其特点和应用；并对其电气传动控制系统的设计和应用，尤其是对基于S120变频装置的一主三从控制系统的结构配置、控制任务的实现等，进行了详细的介绍。 关键词：限动芯棒；S120；主从控制；SINAMICS Link 通讯中图分类号：TM921
文献标识码：B
Application of Retained Mandrel Control System Based on S120
LU Hong⁃wei 1，CHENG Ke⁃lin 2，ZHAO Chun⁃xiao 1，JI Bao⁃wei 1，Dong Yun⁃peng 1，MU Tai⁃qing 1
（1.Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China ；
2.Automation Center ，Hebei Iron and Steel Limited by Share Ltd Chengde
Branch ，Chengde 067000，Hebei ，China ）
Abstract:Seamless pipe is an important economic steel.The application of retained mandrel pipe mill ，
优糖米overcomes the limitation of weight and length ，improve the quality of pipe ，and make the diameter and length increased effectively.By the description of retained mandrel system equipment structure ，and the rolling process ，introduced the application and characteristic.And described the design and application of the electric drive control system ，especially the configuration and solution of control task by the typical 1master⁃3slave control systems base on S120inverter in
detail.
Key words:retained mandrel ；S120inverter ；master⁃slave control ；SINAMICS link communication
作者简介：鹿洪伟（1983-），男，本科，工程师，Email ：****************
热轧无缝钢管的工艺流程，一般包括管坯准备、加热、轧制、精整和检测包装等几个环节。连轧管是指将长芯棒插入毛管中，送入并同时在沿轧制线顺次布置的机架中进行轧制。按芯棒运行方式的不同，可把连轧管机分为全浮动芯棒连轧管机（MM ）、半浮动芯棒连轧管机（Neuval ）和限动芯棒连轧管机（MPM ）3种类型。限动芯棒连轧管机的应用，降低了设备成本，克服了芯棒长度和重量的限制，改善了钢管质量，并使生产出的钢管直径和长度都显著地增加。本文以某公司180mm 热轧无缝钢管芯棒限动控制系统为例，来介绍其控制和应用。1芯棒限动系统简介
1.1
设备结构
限动芯棒连轧机组是在全浮动芯棒连轧机组的基础上发展起来的，它的主要设备由4部分组成：限动芯棒连轧管机，芯棒限动系统及轧机前台，脱管机，芯棒循环系统。
连轧管机由5个工作机架组成，由5台电机单独驱动。每个机架2个轧辊，沿轧制轴线依次为水平和垂 直交替布置，即1，3，5机架轧辊为水平布置，2，4机架轧辊为垂直布置。相邻的机架之间均有1个芯棒支撑机架。
ELECTRIC DRIVE 2015Vol.45No.7
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电气传动2015年第45卷第7期
芯棒限动系统的主要设备是限动齿条，它长度达25.6m ，重40t ，上、下两侧为齿形结构，由4台电机驱动的齿轮带动以实现沿轧制线的前后运动。齿条的前端设有芯棒尾端夹持卡爪，可快速夹紧、松开
芯棒。4台电机上、下各2台布置，经减速机后的齿轮与齿条啮合。其结构简图如图1所示。
1.2生产工艺流程
限动芯棒就是轧制时芯棒以限定速度控制
运行。穿孔毛管送至轧机前台入口辊道后，限动齿条带动经石墨润滑过的芯棒快速插入毛管，其前端达到机架预定位置后，将毛管推入连轧机的轧辊孔型中进行轧制，芯棒按限定恒速运行。毛管出轧机机架后，直接进入连轧机后的脱管机进行脱管。当毛管尾端一离开末机架，芯棒立即制动，并快速返
回至准备位，更换芯棒准备下一轧制周期。换下的芯棒经循环区进行冷却和润滑，一般情况下6至7根芯棒即能满足生产要求。连轧机组的工艺布置简图如图2所示。
在每一个轧制周期内，都包含1个芯棒速度变化的周期，称之为芯棒的速度制度。其一般原则为：高
速穿棒、高速回退和合适的限动速度。采用高速穿棒和回退是为了缩短轧制周期，提高节奏，减小温降。其速度变化情况如图3所示。
按该生产线的工艺要求，限动芯棒的最大前
进速度为2.7m/s ，最大返回速度为4.5m/s ，最大加速度3m/s²。为了达到此要求，限动齿条的传动采用4台交流异步电机并联驱动，以减小电机的转动惯量。
1.3
电机数据
由于限动系统工艺的特殊性，既要求电机在
低速限动段有较高的转矩，又要求在高速回退段有较高的速度，所以电机采用特殊定制电机。其参数为功率710kW ，电压370V/660V ，电流1351A/784A/742A ，频率23.2Hz/41.4Hz /80.8Hz ，转速450r/min/821r/min /1600r/min ，极数6。光纤电话机
由电机参数可知，电机转速在450r/min 以下时，电机电压在370V 以下，电流为1351A ；电机的最高电压为660V ，对应的转速是821r/min ，在821~1600r/min 转速段进入弱磁调速。
2电气控制系统
2.1
电气控制系统的配置
限动芯棒齿条传动电机为4套相互独立的传动系统。由于4个传动齿轮在齿条侧的刚性啮合，电机的速度必定相同。此时如果4台电机都作为独立的速度控制，在运行过程中每台电机的转矩难以保证均衡一致。在典型的主从控制系统中，既要保证整个系统的速度同步，又要保证电机的力矩均衡，所以，该系统采用1个速度环，3个转矩环的主从控制结构。
2.1.1逆变装置
电机的驱动选择西门子SINAMICS S120系
列变频装置，以实现高精度的矢量控制。为了满足电机基速以下过载1.55倍的要求，每台电机的控制系统采用2台S120逆变装置并联驱动，每台装置900kW ，并联后额定电流约1730A ，最大电流约2500A ，可以达到电机最大1.7倍过载。
西门子SINAMICS S120系列变频装置的并联，具有结构简单、调试方便等特点，并且无需均流互感器等设备，有利于节省成本。
图1
芯棒限动齿条结构图
Fig.1
Structure of retained mandrel driving gear
图2连轧机组的工艺布置简图Fig.2
Arrangement diagram of pipe mill
图3
限动芯棒运行曲线
Fig.3
Running speed of retained
mandrel
鹿洪伟，等：基于S120
的芯棒限动控制系统的应用57
去离子水机器电气传动2015年第45卷第7期
2.1.2整流/回馈装置
由于限动齿条的制动比较频繁，再生能量大，为了实现能量的回馈，并基于成本的考虑，该系统选择晶闸管整流/回馈的控制方式。控制装置采用西门子6RA70全数字直流调速装置，功率单元为热管散热结构的大功率可逆整流装置，电路结构为对称式。装置额定电压950V，额定电流1650A，具有2倍的过载能力。
晶闸管整流/回馈装置结构紧凑、造价低，有效地节约了成本，减小了设备的占地面积。但由于该控制系统的晶闸管触发延迟角α不能小于30°，所以进线电压不能使用标准电压（660V）。在该系统中，整流/回馈装置的输出电压为910V，整流变压器的副侧电压选择900V。
2.1.3滤波电抗器
由于整流器输出直流母线上接有大储能电容，造成直流母线电压被抬高，整流输出电流断续，流过晶
闸管的电流及进线电流波形变为尖脉冲，既给晶闸管带来大的电流冲击，又给电网带来大的谐波和无功，需要在直流侧配置滤波电抗器加以解决。
气瓶水压试验滤波电抗器的额定电流按整流装置的额定电流来选择，电感值按使电流连续来进行计算。该系统的滤波电抗器额定电流为2000A，电感值L D=0.27mH。
2.1.4逆变器控制单元
逆变装置的控制单元采用2台CU320-2DP 模块，每个控制单元控制2台电机。其中1#Cu定义为主（Cu_Master），控制1#，2#电机；2#Cu定义为从（Cu_Slave），控制3#，4#电机。为了实现2个控制单元之间的高速通讯，选用2块CBE20选件板进行SIMANICS Link通讯。
控制系统的单线图如图4所示。
2.2电气控制任务的实现
2.2.1SINAMICS Link通讯
SINAMICS Link通讯通过安装在CU320控制单元上的选件附加板CBE20来实现，通讯接口为InterFace1（IF1）。SINAMICS Link能够实现100 Mbit/s的全双工通讯，报文为16个固定的过程数据空间（PZD），最多能接收（和发送）16个PZD。
该通讯的主要任务：一是完成4台电机的转矩分配，实现主从控制；二是完成2台控制单元以及4台电机的故障连锁等。SINAMICS Link通讯示意图见图5。
2.2.2整流/回馈装置的应用
整流/回馈装置采用外环为电压环，内环为电流环的双闭环控制结构，输出侧电压设定为910V。当电机工作于电动状态时，外环电压调节器输出为正，整流桥工作；当电机工作于再生状态时，电压调节器输出为负，回馈桥工作。直流电压外环还起维持直流母线电压不变的作用。
为了抑制输出电压的波动，除了设置适当的调节器P，I参数外，还在速度调节器和电流调节器之间加入了前馈微分环节，将直流电压波动控制在了±0.6%以内。
2.2.3电机的主从控制
4台电机轴输出端的刚性连接，要求传动系统进行一主三从的同步控制，以实现转矩的平均分配。为此，选择1#电机控制系统作为主，工作在速度环；其他3台电机控制系统接收来自主电机的转矩给定值，工作在转矩环。转矩的给定值选择总转矩设定r79。
图5SINAMICS Link通讯示意图
Fig.5Sketch of SINAMICS Link communication
鹿洪伟，等：基于S120的芯棒限动控制系统的应用
图4芯棒限动电控系统单线图
Fig.4Block diagram of retained mandrel electric
system
58
电气传动2015年第45卷第7期
由于1#Cu （Cu_Master ）控制1#，2#电机，所以2#电机控制系统可以直接连接1#主系统的转矩给定；该转矩给定通过SINAMICS Link 通讯，由1#Cu （Cu_Master ）发送给2#Cu （Cu_Slave ），进而连接到3#，4#电机的转矩给定通道上。其通讯示意图参见图5。
通过该控制方式，保证了4台电机的转矩平衡分配，达到了主从控制的效果。4台电机在运行时的转矩曲线如图6所示。
2.2.4
变频器控制参数的优化
在设备运行过程中，为保证轧制节奏，不仅需
要电机高速运行（最大速度的90%），还要求快速启、制动。为此，将斜坡函数发生器的斜坡时间设定为2s ，并为较小负载冲击，在开始和结束端加了0.2s 的圆弧时间。除此之外，对速度调节器的比例增益进行了适配，以使电机运行在高速时，比例系数适当地减小，防止负载电流出现较大波动。
限动系统在1个周期内的运行曲线如图7所示。3条曲线从上到下依次为来自PLC 的速度给定值，速度实际值和转矩实际值。2.2.5特殊情况的处理
由于限动装置带动齿条往复运行，在异常状态下若不能及时停止，极有可能引起撞击，损坏设备。为此，需要对电机的快停，以及故障状态等进行特殊处理。
快停主要是在传动系统正常的情况下，为应对外部紧急情况而快速停车。为保证4套系统的转矩平衡，3套从装置不接收来自PLC 的快停信号，只有主装置接收快停信号，以使4套装置在快
停过程中仍保持主从控制。在系统停车后，再将从装置的合闸信号撤销。
为安全起见，急停功能在该系统中被禁止。当系统中1套（或几套）装置出现故障时，剩下的装置不足以保证生产的顺利进行，必须进行紧急停车处理。为此，该系统的故障连锁设定
为：当2个Cu 控制单元和4套逆变装置中任何一个出现故障，正常工作条件下的逆变装置立即快停。该故障连锁通过Cu 控制单元的自由功能块完成，对控制单元和装置的故障位进行“或”处理，取反后连接到各个逆变装置的快停位上。2个控制单元之间的数据交换同样是通过SIMAN-ICS Link 通讯来完成。
3结论
该芯棒限动控制系统自投产以来，运行稳
重结晶碳化硅定，故障率低，最快生产周期达到了30s ，日产量最高超过了2000t ，达到了预期控制效果。
参考文献
［1］严泽生.现代热连轧无缝钢管生产［M ］.北京：冶金工业出
版社，2009.
［2］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.
［3］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.
图6
限动电机转矩曲线
Fig.6
Torque waveforms of retained mandrel motor
收稿日期：2014-11-12修改稿日期：2015-02-04
组合屋
鹿洪伟，等：基于S120的芯棒限动控制系统的应用图7限动电机运行速度和转矩实际值曲线Fig.7
Speed and torque waveforms of retained mandrel motor
working
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