罗克韦尔自动化1336IMPACT变频器在4#板坯连铸机中的应用

　1.概述
    板坯连铸机技术与传统连铸机相比,以其高拉速、高作业率、高质量的优势，近几年在国内得以较快的发展。我国板坯连铸机应用始于20世纪90年代，在板坯连铸机控制领域经过多年的实践总结出许多的成功经验。莱钢4#板坯连铸机是H型钢生产的前道工序，其产品的产量和质量直接关系后道工序H型钢产品的产量和质量。4#板坯连铸机的结晶器振动和拉矫机驱动电动机采用交流变频调速系统。结合4#板坯连铸机结晶器振动和拉矫机的工艺特性，选用高性能、超低噪声的1336IMPACT变频器。
2.1336IMPACT变频器特性
    连铸机结晶器振动装置和拉矫机是连铸机的主体设备，传动控制水平要求高，也是直接影响连铸机的生产作业率和产品质量。随着交流变频技术的日益完善，连铸机结晶器振动装置和拉矫机应用变频技术已是一种必然趋势。因1336IMPACT变频器具有高的性能、超低噪声等特性，具有分开独立控制电动机的磁场和转矩的已确认了的独特的能力，使1336 IMPACT变频器在零速时仍能产生满转矩。其与通用变频器相比具有一下特点：
①采用FORCE技术，FORCE技术集中关注控制结果（即转矩控制、磁通控制），并对电动机输入端参数进行控制，以得到此结果。
②像直流电动机一样，可独立控制交流电动机的转矩和磁通。
③在安全调速范围内可直接控制转矩，包括超过额定工作转速的时刻。
④无需依赖复杂的电动机数学模型，可精确控制电动机的转矩和磁通。
⑤减少了因冲击负载或需要大的启动转矩等应用而引起的脱扣状态。以提高速度和转矩性能。
⑥获专利的电流调节器，可实现转矩的真正控制。
⑦简便的驱动程序可保证快速启动，并使用电动机铭牌上的参数快速地自整定速度和转矩环。
⑧无编码器的磁场定向控制。
⑨使用SCANport协议，为编程设备提供统一接口。
⑩内置过程微调控制器。
1336 IMPACT变频器是为简化安装和操作而设计的。但它仍有较复杂的变频器的特性。快速电动机整定步骤，让操作者通过菜单一步步输入简单的电动机参数。而其余所需参数则可自动输入。这样就不需输入复杂的电动机数据信息了。可组态的模拟器，数字量和各种通信模块的控制方式，让用户有多种选择。
使用了FORCE技术的1336 IMPACT变频器，提供了某些要求很高的拖动应用所需的精确的电动机速度和转矩控制，而通常这些应用多数只适宜使用直流调速器，FORCE技术是A-B获专利的磁场定向控制方法，具有分开独立控制电动机的磁场和转矩的已确认了的独特的能力，使1336 IMPACT变频器在零速时仍能产生满转矩。FORCE技术，原本是为定做的拖动系统设计的，现在在一个单独、紧凑、简单易用的机箱内就能实现。
1336 IMPACT变频器采用FORCE技术磁场定向控制专利技术，可独立控制交流电动机的磁通量和转矩电流来实现精确的转矩和功率控制，FORCE技术采用了专利型的，宽频的电流调节器技术，加上自适用的控制器，可以对电动机的磁通量和转矩进行分离和控制，这就是FORCE技术与其它的矢量控制技术的根本区别。可获得交流电动机的速度和转矩的卓越控制性能。FORCE技术是使交流电动机真正获得“类似直流调速”性能的世界最先进的变频技术。
FORCE技术的无编码反馈控制技术，使标准的交流电动机调速范围提高到120：1。速度/转矩性能的改进，使变频器应用范围更广泛。并具有大启动转矩，因而能适用通常是由直流电动机控制的应用场合 。
3.结晶器振动和拉矫机控制系统
板坯连铸机的控制系统由4台AB公司PLC-5系列PLC构成(板坯连铸机为3流，每铸流由一台PLC-5实现生产过程自动控制,公用设备由一台PLC-5控制),采用DH-485数据链路，其具有如下功能：
　　①可支持32个设备的相互连接；多主机功能；令牌(TOKEN)传递访问控制：不间断可增加或删除链路节点的功能：链路的最大长度为4000英尺
　　②DH-485数据链路以“菊花链”的形式将每台PLC连接到各个链路藕合器，再通过链路藕合器与编程站联系，控制系统链路连接方式如图1所示。


3.1结晶器振动控制系统
由变频器构成的结晶器振动交流调速系统,有两种操作方式,一是在操作台上手动操作,二是由PLC的全自动操作.在控制室的操作台上实现手动、自动选择,手动时可在操作台上实现振动装置的振动频率(电动机速度)手动给定,在操作平台的机旁控制箱上可以控制电动机的起停。这种方式是为检修、调试设备时设置的，而连铸机正常生产是选择自动方式，此时振动电动机随着拉矫机的起停而自动起停，结晶器的振动频率是根据拉矫机速度线性变化，其线性关系有连铸工艺给定。
3.2拉矫机的控制系统
拉矫机控制系统主要担负着拉矫机的送引锭、启动、拉坯、停止的速度调节，拉矫一、二辊的压下和抬起功能，其操作权在控制室的操作台上，选择手动只能实现拉矫机的点动操作，拉矫机以预先在变频器上设定的速度值向上或向下慢速运行。而自动操作时，PLC根据设定的工艺参数，实现拉矫机在送引锭时快速加速至额定转速运行，在整个拉坯过程变频器根据来自PLC的给定值，实现速度的自动调节，以保证其拉坯速度运行在工艺的给定参数值上，以此实现连铸生产过程的全自动控制。
4.加减速参数的设定
拉矫机及结晶器振动系统一般要求快速启动,如果tqg的值太大就不能满足启动速度的要求,就需要加大MD,这就是要求增加电动机的容量,变频器的容量也相应也要增大,若减速时间缩短,要在变频器外部配置再生制动组件,使系统的性能价格比下降。故系统的加减速时间是系统的重要参数。
4.1加速时间的设定
变频器的加速时间是指系统的频率从0上升到50Hz所需要的时间,即是电动机从零速上升到额定转速的时间,电动机从零速升高到工作速度ng所需的时间tqg按下式计算：
tqg=GD2ng/375(MD-Mj)
式中：MD—电动机的加速力矩，计算时取值为(1.2～1.3)Me,Me 为电动机的额定转距;
Mj—负载的静态阻转距；
将tqg折算到从零速升到额定转速neq的时间tqe
tqe=ned×tqg/ng
变频器的软启动时间应设定得比计算的tqe长些，如果设定得比tqe短，往往会因内过电流而停止运行。
       4.2减速时间设定
    减速时间也是指电动机的频率变化从50Hz到零速的时间,即电动由额定转速至零转速的时间,电动机从工作转速ng降至零速的时间可以有下式计算：
tzg=GD2ng/375(MZ+Mj)   
式中：MZ—电动机的制动力矩，计算时取（0.2～0.3）Me；
将tzg折算到从额定转速ned降至零速时间tze
  tze=ned×tzg/ng
变频器的软制动时间设定要比tze长些,否则易出现直流制动过电压而跳闸。
5.变频器的抗干扰
由于变频器采用PWM型逆变电路，使输出含有较高的高次谐波，极易干扰控制电路工作，易发生电动机爬行，拉坯速度不稳，直接影响铸坯的产品质量。
     5.1主要电磁干扰源及途径
    变频调速系统产生干扰必须具备三个条件：干扰源、干扰通道、易受干扰设备。
    ①干扰源分为内部和外部。内部主要是装置原理和产品质量等决定。外部主要由使用条件和环境因素决定，如工作电源直流回路受开关操作和天气影响等而引起的浪涌电压，强电场或强磁场以及电磁波辐射等。
②干扰通道有传导耦合、公共阻抗耦合和电磁耦合三种。外部主要通过分布电容的电磁耦合传到内部；内部则三种均有。
③由于设备采用的敏感元件的选用和结构布局等不尽合理，造成本身抗干扰能力差，
对干扰加以抑制，降低其幅度，减少其影响力，这是从外部环境上加以改善。对电子设备的结构及内部元器件的布局进行优化设计是从电子设备内部对抗干扰性能的改善。
（1）主要电磁干扰源
    电磁骚扰，称电磁干扰(EMI)，是以外部噪声和无用信号在接收中所造成的电磁骚扰，以路的传导和以场的形式传播。变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波对同一电网的其它电子、电气设备产生谐波干扰。另外变频器的逆变器大多采用PWM技术，当工作于开关模式且作高速切换时，产生大量耦合性噪声。因此变频器对系统内其它的电子、电气设备来说是一电磁干扰源。另一方面，电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源干扰变频器。电网中存在大量谐波源如各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备，非线性负载及照明设备等。这些负荷都使电网中的电压、电流产生波形畸变，从而对电网中其它设备产生危害的干扰。变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后若不加处理，电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器。供电电源的干扰对变频器主要有①过压、欠压、瞬时掉电；②浪涌、跌落； ③尖峰电压脉冲 ；④射频干扰。其次，共模干扰通过变频器的控制信号线也会干扰变频器的正常工作。
    （2）电磁干扰的途径
    变频器能产生功率较大的谐波，由于功率较大，对系统其它设备干扰性较强，其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的，主要分传导、电磁辐射、感应耦合。具体为:首先对周围的电子、电气设备产生电磁辐射;其次对直接驱动的电动机产生电磁噪声，使得电机铁耗和铜耗增加;并传导干扰到电源，通过配电网络传导给系统其它设备;最后变频器对相邻的其它线路产生感应耦合，感应出干扰电压或电流。同样，系统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。
5.2抗电磁干扰的措施
    据电磁性的基本原理，形成电磁干扰(EMI)须具备三要素:电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统。为防止干扰，可采用硬件抗干扰和软件抗干扰。其中，硬件抗干扰是应用措施系统最基本和最重要的抗干扰措施，一般从抗和防两方面入手来抑制干扰，其总原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的藕合通道、降低系统干扰信号的敏感性。具体措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。
（1）隔离
所谓干扰的隔离，是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电 的联系。在变频调速传动系统中，通常是电源和放大器电路之间电源线上采用隔离变压器以免传导干扰，电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。
加大受扰电路、器件或装置与干扰源之间的距离，是降低干扰的一种行之有效的措施，因为干扰与距离的平方成反比，距离增加一倍干扰则降低四倍，因此，周密完善地考虑器件或设备的布置及布线，并尽量增大干扰源与受扰电路之间的距离，将大大降低干扰的传播，减少系统的故障率。在实际安装布线时，应按其对干扰的灵敏度或按其本身功率的大小分门别类的进行处理，布置的顺序是：低电平模拟信号，一般数字信号，交流控制装置，直流动力装置，交流动力装置等。按照这样的顺序布置使其相互隔开，保持一定距离，但有时要求设备之间，装置的各种布线之间保持一定距离，在安装场合受到限制、设备要求体积小的情况下，这种要求往往很难得到满足。因此，尚需考虑其他措施。
     ①使所有的信号线很好地绝缘，使其不可能漏电，这样，防止由于接触引入的干扰；
     ②将不同种类的信号线隔离铺设（在不同一电缆槽中，或用隔板隔开），我们可以根据信号不同类型将其按抗噪声干扰的能力分成几等。
     ③模拟量信号（模人、摸出，特别是低电平的模人信号如热电偶信号，热电阻信号等）对高频的脉冲信号的抗干扰能力是很差的。建议用屏蔽双绞线连接，且这些信号线必须单独占用电线管或电缆槽，不可与其它信号在同一电缆管（或槽）中走线。
     ④低电平的开关信号（一些状态干结点信号），数据通信线路（RS232、EIA485等），对低频的脉冲信号的抗干扰能力比上种信号要强，但建议最好采用屏蔽双绞线（至少用双绞线）连接。此类信号也要单独走线，不可和动力线和大负载信号线在一起平行走线。
     ⑤高电平（或大电流）的开关量的输入输出、CATV、电话线，以及其它继电器输入输出信号，这类信号的抗干扰能力又强于以上两种，但这些信号会干扰别的信号，因此建议用双绞线连接，也单独走电缆管或电缆槽。
     动力线AC 220V、380V，以及大通断能力的断路器、开关信号线等，这些线的电缆选择主要不是依抗干扰能力，而是由电流负载和耐压等级决定。
     以上说明，同一类信号可能放在一条电缆管或槽中，相近种类信号如果必须在同一电缆槽中走线，则一定要用金属隔板将它们隔开。
还有一种隔离是将信号源同变频器在电气上进行隔离，这样，会大大地减小共模干扰对变频控制系统造成的危害。采用隔离放大器将信号的输入端子与变频器部分完全隔离（有的系统中采用隔离变压器，或继电器等方式隔离，对开关量则可以采用光电器件，或继电器进行隔离）。
（2）屏蔽
     电子设备中某些元器件或电路中有电流流过时，其周围空间将建立磁场；同时，电路某一部分所存储的电荷，又在其周围建立磁场；电能与磁场的相互急剧转化将形成电磁干扰，这种电场与磁场，对设备本身来讲属于内生干扰，降低了设备的抗扰容限。严重时会使设备经常发生故障。又如电焊机进行焊接时，高频加热炉投入运行时，以及大型用电设备的突然起停等都将对自动化装置产生干扰，这些属于外生干扰。为了将产生的电场或磁场限制在某一规定的空间范围内，或为了使设备或元器件不受外部电磁场的影响，常常采用隔离屏蔽措施，其方法是将有关电路、元器件、或设备安装在铜、铝等低电阻材料或是磁性材料制成的屏蔽物内，不使电场和磁场穿透这些屏蔽物。
屏蔽就是用金属导体，把被屏蔽的元件，组合件，电话线，信号线包围起来。这种方法对电容性耦合噪声抑制效果很好。最常见的就是用屏蔽双绞线连接模拟信号。
    以上说的电气屏蔽，但在很多场合下，信号除了受电噪声干扰以外，主要还受到强交变磁场的影响，如电站，冶炼厂重型机械厂等，那么，我们除了要考虑电气屏蔽以外，还要考虑磁屏蔽，即考虑用铁、镍等导磁性能好的导体进行屏蔽。
采用双绞线代替两根平行导线是抑制磁场干扰的有效办法。原理是每个小绞纽环中会通过交变的磁通，而这些变化磁通会在周围的导体中产生电动势，它由电磁通感应定律决定，相邻绞纽环中在同一导体上产生的电动势方向相反，相互抵消，这对电磁干扰起到较好的抑制作用。
屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏;输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短(一般为20m以内)，且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路的输入和输出线及控制线(AC220V)完全分离，决不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。
（3）滤波
    当系统的抗干扰能力要求较高时，为减少对电源的干扰，在电源输入端可加装电源滤波器。为抑制变频器输入侧的谐波电流，改善功率因素，可在变频器输入端加装交流电抗器，选用与否可视电源变压器与变频器容量的匹配情况及电网允许的畸变程度而定，一般情况下采用为好。为改善变频器输出电流，减少电机噪声，可在变频器输出端加装交流电抗器。在系统线路中设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源从电动机。为减少电磁噪声和损耗，在变频器输出侧可设置输出滤波器;为减少对电源干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器。若线路中有敏感电子设备，可在电源线上设置电源噪声滤波器以免传导干扰。
（4）接地
     接地的作用总的概括起来只有两种：保护人和设备不受损害；抑制干扰；抑制干扰接地在有的书中又叫工作接地，而前者又叫保护接地。
①保护接地。保护接地是将变频控制系统中平时不带电的金属部分（机柜外壳，操作台外壳等）与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。原因是变频控制系统的供电是强电供电，通常情况下机壳等是不带电的，当故障发生（如主机电源故障或其它故障）造成电源的供电相线与外壳等导电金属部件短路时，这些金属部件或外壳就形成了带电体，如果没有很好的接地，那么这带电体和地之间就有很高的电位差，如果人不小心触到这些带电体，那么就会通过人身形成通路，产生危险。因此，必须将金属外壳和地之间作很好的连接，使机壳和地等电位。此外，保护接地还可以防止静电的积聚。
变频控制系统的所有设备均有一个保护地，该保护一般在机柜和其它设备设计加工时就已在内部接好，有的系统中已将该保护地在内部同电源进线的保护地（三芯插头的中间头）连在一起，有的不允许将保护地同该线相连，用户一定要仔细阅读厂家提供的接地安装说明书，不管哪种方式，CG必须将一台设备（控制站、操作员站等）上所有的外设或系统的CG连在一起，然后用较粗的绝缘铜导线将各站的CG连在一起，最后从一点上与大地接地系统相连。还有一点值得提醒的是，变频器的所有外设必须从一条供电线上供电，而不允许从其它回路供电，否则可能会烧坏接口甚至设备，对于不得不用长线连接的场合，或用较粗导线提供供电，或采取通信隔离措施。
②工作接地。工作接地是为了使变频控制系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。它分为机器逻辑地、信号回路接地、屏蔽接地，在石化和其它防爆系统中还有本安接地。
所有变频控制系统接线涉及到的接地采用一点接地方式，在这一点上，也有很多争议。有的厂家系统提出几个地：逻辑地、屏蔽地（又叫模拟地）、信号地、保护地分别各自接地，而大部分系统则指出各种地在机柜内部自己分别接地，汇于一点，然后用较粗的导体（铜）将各汇地点朕起来，接到一个公共的接地体上。这里有几点需要注意：
      变频控制系统本身是由多台设备组成的，除了控制站以外，还包括很多外设，而且外设也不止一台，这就涉及到了多台设备，多种接地的问题。此外，一般的变频器的供电是各站（控制站，操作站等）用专门一条线单独供电，即彼此之间不相互供电。
      模拟地（AG），模拟地（又叫屏蔽地）是所有的接地中要求最高的一种。几乎所有的系统都提出AG一点接地，而且接地电阻小于一欧姆。 变频器设计和制造中，在机柜内部都安置了AG汇流排或其它设施。用户在接线时将屏蔽线分别接到AG汇流排上，在机柜底部，用绝缘的铜辫连到一点，然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连到接地点。大多数的变频器要求，不仅各机柜AG对地电阻＜1欧姆，而且各机柜之间的电阻也要＜1欧姆。
     信号地，信号地的处理：原则上不允许各变送器和其它的传感器在现场端接地，而都应将其负端在变频器端子处一点接地。但在有些场合，现场端必须接地，这时，必须注意原信号的输入端子（上双端）绝对不许和变频控制系统的接地线有任何电气连接，而变频控制系统在处理这类信号时，必须在前端采用有效的隔离措施。
  以上抗干扰措施可根据系统的抗干扰要求来合理选择使用。若系统中含控制单元如微机等，还须在软件上采取抗干扰措施。