摘 要：针对高炉上料系统上料小车工作流程和控制特性，详细介绍了系统组成，剖析ABB ACS800变频器DTC直接转矩控制技术，主从控制技术，机械制动控制技术，给出了ACS800实践中具体应用和相关参数设置，并介绍了与PLC和编码器相结合,对速度控制和精确定位实现。最后分析了调试和实践中出现几个关键问题，并提出了相应解决方案。
炼铁高炉上料系统控制中,上料小车控制是控制核心部分,它是生产工艺要求,把槽下备好不同料类和不同重量原料及时、安全、准确定位运送到高炉炉顶，保证高炉正常生产，一但控制出现故障，将直接影响高炉生产。
本文上料小车卷扬机负载特性，采用ABB变频器主－从控制技术、DTC直接转矩控制技术、机械抱闸控制技术、多步速控制技术，结合西门子PLC控制，实现了对小车精确控制，取了满意效果，完全满足了高炉生产工艺要求。
１ 控制工艺要求
高炉原料从槽下输送到炉顶有两种输送方式：一是皮带输送、二是小车输送。这次设计是采用小车输送方式，小车输送方式是：小车卷扬机采用交流电动机拖动，电机正、反转控制，牵引钢丝绳连接两台料车斜桥上一上一下交替工作，能对小车做到精确控制，控制系统必须具备以下条件：
１）、系统能频繁起动、停止。
２）、系统能正、反双向控制。
３）、系统能做到无极调速，调速范围大、平滑性较高，做到平稳起动－加速－稳定运行－减速－平稳停车。
４）、系统起动转矩大，做到平稳起动。
５）、系统停车时做到稳定、精确定位，防止料车过头。
６）、零速时维持大转矩输出，防止料车起动和停车时重载下滑。
２ 变频器选型
上料工艺对料车控制最主要要求是：起动或停车瞬间也就是零速时，变频器必须有最大转矩输出，止料车下滑，起动时对转矩要求大于对速度要求。当前交流变频调速系统主要为矢量控制和DTC直接转矩控制。众所周知，DTC直接转矩控制系统由电机电压和电流计算出定子磁链和转矩，采用砰-砰控制来实现变频器PWM控制，DTC直接转矩控制系统没有电流控制环路，，DTC直接转矩控制系统着眼点是电压，而电流。而矢量控制原理是基于交流电机电流控制，把交流电流按磁场坐标轴分解为转矩分量和磁场分量，分别加以控制，故矢量控制着眼点是电流控制。交流电机来讲，要想获快速转矩响应，磁链不变条件下，就要求电流快速变化，而电流变化是由电压快速变化引起。矢量控制系统输出电压是由电流调节器输出产生，这就存电流调节时间滞后。而DTC直接转矩没有电流控制环路，砰-砰控制产生输出电压，没有任何电流限制，电压可以出现过冲现象，故电机可以获较大du/dt, 较大加速电流，产生较快电流响应及转矩响应就不言而喻了。故采用DTC直接转矩控制交流调速系统可以获比矢量控制要快多转矩响应，图（1）a为矢量控制系统转矩阶跃响应，大约为6～7ms，而图（1）b直接转矩控制系统转矩阶跃响应可以达到1ms左右。DTC直接转矩控制动态控制精度比矢量控制系统高出五个数量级，特别低速运行、电网供电质量不好、波形发生畸变时，DTC仍然能保持较高控制精度。
从以上两种控制方式比较出，DTC直接转矩控制系统可以做到转矩建立优先于速度，这正是我们所期待，市面上各种品牌变频器控制方式大多采用矢量控制，而ABB采用独特DTC直接转矩控制方式，我们设计中选用了ABBACS800系列变频器。该变频器具有以下功能：①直流励磁功能，该功能保证电机能具有高达200%电机额定转矩最大启动转矩。②直流抱闸功能，使用直流抱闸保持功能可将电机转子锁定零速。③主、从功能，它是为多传动应用而设计。④专用机械制动控制功能，传动单元停止或未通电时，可用机械制动将电机和被驱动设备锁停零速状态。⑤输入、输出可编程功能，实现了用户要求对设备灵活控制。⑥多步速功能，用户可以设定不同速度曲线，实现设备平稳加减速控制。⑦可以设定不同启动转矩，开环和闭环时转矩响应时间均小于５ms，速度静态精度可以到0.01%，动态精度可以到0.1%。⑧完善报警功能。ACS800系列变频器特点完全满足了高炉上料系统料车控制特殊要求。
３ 控制系统设计
这一次设计中，生产工艺负载需要，计算出拖动负载电机容量为700KW，采用单电机传动，电机、减速机等机械设备体积和重量庞大，对安装和日后维护带来不方便且工作量大，同时控制系统变频器所需容量大、价格昂贵，启动和运行过程中，电机电流大，对电气设备、电缆要求等级高，这都增加了投资成本。存这些问题，多种方案比较，最后决定采用多传动控制方案，选择采用两台容量为400KW电机进行拖动，同时降低启动和运行过程中电流，选择了电压等级为690VABBACS800系列变频器。
３.１ 主、从控制方案应用
ACS800变频器主、从功能是为多传动应用而设计，，其中系统由若干个ACS 800 变频器驱动，同时电机轴齿轮、链条或传送带等相互耦合一起。这种主、从功能，负载可以均匀分配传动单元之间。
高炉上料传动中，主机和从机电机轴减速箱、钢丝绳卷筒进行刚性连接一起，主机应该采用速度控制模式，从机应该采用转矩控制模式，以使传动单元之间不存速度差异。所有外部控制信号将只连接到主机上数字输入口DI1—DI6，而从机控制信号光纤从主机通讯获，不需另接外部控制信号。从机不会串行主/ 从机连接向主机反馈任何数据。单独使用一根电缆将从机故障信息端口RO3传送给主机启动联锁端口X22组８和11号端子。该连接从机出现故障时，主机和从机都会停止运行。表1列出了主、从控制应用中需要调整参数。
Table 1 adjusting parameters
３.２ 电机运行方向和多步速度控制实现
主、从控制原理要求以下线路连接和参数设定只主机上完成。
３.２.１ 电机起动、运行方向控制
高炉上料计算机控制系统是由一台西门子S7－400PLC控制，对料车控制有自动和手动两种方式，自动由PLC 完成，手动由操作台开关完成，上料小车是一个重载负荷系统，考虑到控制安全性问题，设计中采用电缆一对一信号传输控制，PLC输出两个正、反向运行数字信号I0.1、I0.2同手动开关信号控制选择，必要保护联锁后，连接到变频器DI1和DI2两个输入点，完成变频器起动、正反转、停车控制。完成了外部连线后必须对变频器内部相应参数进行设置，主要设置参数为：①10.01：选择DI1 F DI2 R，它主要功能是数字输入DI1 和DI2 四种组合００停车、１０正向起动、０１反向起动、１１停车实现料车起动、正反转、停车控制。②10.03：选择REQUEST，它功能是实现允许用户定义转向。
３.２.２ 变频器多步速实现
上料小车整个运行过程中，要四个不同速度阶段：①起动低速运行200rpm/min阶段；②高速运行590rpm/min阶段；③减速运行100rpm/min阶段；④停车运行10rpm/min阶段。速度运行图如图２所示。
３.２.２.１ 不同速度阶段位置实现
上料系统小车不同速度阶段和停车点位置控制是非常重要，若减速位置滞后，停车时速度太快、设备窜动大，会造成料车“挂顶”损坏设备；若停车点提前造成料车不到位，原料不能到受料斗。实现料车精确定位，采用欧姆龙多圈光电编码器和西门子S7－200PLC相配合来实现。编码器直接安装料车钢丝绳卷筒轴上，这样编码器转一圈发出1024个脉冲和卷筒一圈钢丝绳长度相对应，可以计算出一个脉冲数对应钢丝绳长度＝卷筒周长/1024,我们把某料车料坑最低点位置设为“０”，编码器信号送入PLC中，当料车上行时过程中PLC中计数值不断增加，这样可以不同值来换算出料车轨道上运行实时位置，我们把料车料坑“０”点和到炉顶停车点做为总长度图２运行图分为不同阶段：“０”点、加速点a、减速点b、减速检查点c、停车点d、超极限保护点f。另料车上行时也有相对应５个点，用与S7－200PLC相配合操作面板TD200料车实际运行中精确位置进行设置，PLC十个数字输出点I0.0－I2.1输出，提供给变频器和控制系统用，同时PLC还料车方向信号和计数加减判断出料车是否故障，编码器是否故障等输出信号做为报警信号，保证控制系统安全。
３.２.２.２ 变频器不同速度控制实现
变频器多步速功能就是不同数字输入端子组合和不同软件参数设定，很简单实现不同运行速度，我们把图２中a、b、d三点S7－200PLC数字输出点方向联锁后对应点，分别接到变频器DI3、DI4、DI5 三个输入点，完成了外部连线后必须对变频器内部相应参数进行设置，主要设置参数为：①12.01：选择DI3,4,5，它主要功能是数字输入DI3、DI4和DI5八种组合进行速度选择。②12.06：200、12.07：100、12.08：590，它主要功能是由不同选择相对应参数设定运行速度。本方案中，实现料车平稳起动和准确停车，料车“０”点起动时，设定速度为200转实现平稳起动，料车运行8M后a点进行加速到590转，离炉顶15M时b点进行减速到100转，离炉顶0.8M停车点c处停车，斜坡减速后10转速度时实现平稳、精确停车。需要注意是以上每个点位置参数一定要多次调整才能保证精确定位。
３.３ 制动方式选择和实现
主、从控制原理要求以下线路连接和参数设定必须主、从机上完成。
防止料车起动时后退下滑事故发生和实现炉顶精确停车，电机制动措施实施是关键。设计上，我们考虑将选择正确起动、停车方式，同时采用电气制动方式和机械制动方式相结合来实现，真正保证了系统稳定运行。
３.３.１ 变频器起动、停车方式选择
高炉上料系统中料车起动是重载起动，它最大负荷将达到25吨，电机起动必须与机械制动释放同时进行，变频器中选择电机起动方式参数“21.01 START FUNCTION”必须选择为“CNST DC MAGN”（恒定直流励磁方式），为确保需要高瞬时转矩应用场合需要，恒定预励磁时间要设置到足够长，以产生足够励磁和转矩。预励磁时间参数“21.02: CONST MAGN TIME”中实际需要设定。保证料车平稳、精确停车，减少电机和机械设备窜动，变频器中选择电机停车方式参数“21.03: STOP FUNCTION”必须选择为“RAMP”（斜坡减速停车方式）。
３.３.２ 电气制动方式选择
ACS800变频器内部有电磁制动和直流制动两种电气制动方式，我们保证料车平稳、精确停车，减少电机和机械设备窜动，电机停车方式选择为斜坡减速停车方式，而斜坡减速过程是运行信号断开以后，而运行信号断开以上两种制动方式立即失效，达不到制动目。我们采用制动斩波器和制动电阻器进行制动，可以变频器“27 BRAKE CHOPPER”（制动斩波器控制）中６组参数对有效性、控制模式、电阻值、热时间常数、过载保护、功率值等进行设置。
３.３.３ 机械制动控制
上料料车停车后或运行过程中可能发生突然停电等故障，这时电机处于无力矩状态，重车将下滑，必须有外部机械制动才能控制，设计中我们采用大推力液压抱闸制动器。而液压抱闸制动器松开和闭合过程中都有滞后性，同时起动过程是重载，电机需要建立足够转矩和电流制动器才能松开，对制动器控制是非常关键。ACS800变频器机械制动控制功能就可以实现对外部制动器精确控制。变频器“42 BRAKE CONTROL”（机械制动控制）中１０组参数对有效性、监控功能、制动器松开和闭合延时时间、制动器闭合速度、电机起动转矩信号源、电机起动转矩、电机起动电流等进行设置。设计方案中，以电机最大能拖动２０吨原料重量来多次进行调试，最后设定电机起制动器释放点电流为520A，电机转矩为130%，电机起动转矩信号源为AI1通道，制动器松开延时时间为0.1S, 制动器闭合延时时间为3S，制动器闭合速度为10转，变频器机械制动控制功能输出通道为RO1，保证系统安全运行，外部制动器受变频器控制外，其控制线路上还必须串入减速机润滑泵起动信号、电机冷却风机起动信号、位置检测保护信号、超极限保护信号、变频器故障信号、零压保护信号、急停开关等联锁保护信号，做到某一故障发生时能即时制动。
４实际应用中几个关键问题
了理论设计后，实践调试过程中，不断碰到了一些失败和原先没有细致考虑到问题，查找资料和多次实践，总结了以下几个应用经验。
4.1 几个关键连线
这次应用中，首先变频器选择是一个整流单元光纤带两个并联逆变单元，两个逆变单元到电机接线端子之间主回路电缆一定要保证相同长度，不然做变频器电机识别功能时就不能建立正确电机模型。其次变频器到制动单元之间连线一定要小于5M，制动单元到制动电阻之间连线一定要小于10M，不然做变频器电机识别功能减速时会产生很大浪涌电流，损坏变频器和制动单元，开始调试时没有注意到电缆长度就造成了变频器和制动单元同时损坏。最后变频器与电机之间连线必须采用屏蔽电缆，减小对其它电气、仪表设备干扰。
4.2 停车方式问题
这次应用中，我们选择停车方式是斜坡减速停车同时使用了机械制动功能，故障需要立即停车也就是参数“21.07 RUN ENABLE FUNC”选择“OFF3 STOP”（急停停车）功能时，变频器也是以“斜坡减速停车”为主，无法立即停车，料车最高速590转时候发出停车指令时，料车滑行13M后停车，最高速100转时候发出停车指令时，料车滑行1M后停车，无法满足要求，但变频器上有一个启动联锁端口X22组８和11号端子，正常工作时必须短接，断开变频器立即封锁输出，我们可以把急停开关、故障停车信号接入８和11号端子之间，需要立即停车时断开，保证了料车安全。
4.3 料车位置信号安全问题
这次应用中，我们对料车位置检测是采用编码器和PLC结合方式来实现，一定要保证其供电与变频器起动信号是同一路电源供电，这样才能保证不出现万一编码器和PLC检测系统开关没有合上，无法提供正确位置信号而使料车直接冲上炉顶造成重大设备事故，同时保证料车安全，必须安装一个机械式LK4主令控制器，两个方向各提供一个点做为最后超极限保护，保证万一编码器和PLC检测系统出现故障时，料车也能安全停车。
4.2 电机起动转矩方向问题
上料系统控制中，我们要求变频器能正反两方向运行，也就是要求变频器起动时电机制动释放点最大转矩也能是正反两个方向，参数“42.08 START TORQ REF”设置时，监控可以发现释放点上电机转矩只能是一个固定方向无法改变，不能满足要求，解决这个问题，实际应用中我们把变频器主板上X20组１号端子和X21组１号端子提供±10V电压信号，同料车运行方向选择信号联锁后并接入AI1通道端子，参数“42.07: STRT TORQ REF SEL”和“13.03: SCALE AI1”设定，为电机起动提供了方向相一致±150%转矩。
５ 结束语
ABB变频技术高炉上料中使用，特别是DTC直接转矩控制技术和机械制动控制技术应用，很好解决高炉料车重载起动和精确定位问题。而主、从控制技术应用，解决了多传动同步问题，减小了设备大型化，降低了维护工作量和设备投资。其简明参数设定、完善控制和故障保护报警功能为控制系统提供了保障，与PLC、编码器相结合组成控制系统，控制简单，控制精度高，维护方便，完全满足高炉上料系统要求。
参 考 文 献
［１］陈伯时．电力拖动自动控制系统．北京：机械工业出版社．２００４
［２］ABB公司．ACS800主、从控制手册．２００６
［３］ABB公司．ACS800标准软件固件手册．２００６
［４］西门子公司．STEP 7 V5.2编程手册[M>．２００３