一、立项背景

    柳钢中板厂2800mm四辊可逆轧机是该厂的重要设备，两个工作辊各由一台功率为3500KW、电枢电压800V、电枢额定电流4900A，最大电流12000A的直流电机拖动。在改造前，该轧机主传动电机使用原有控制系统曾经出现过几次大的事故，严重影响生产，因此柳钢公司决定对其进行改造，采用计算机及通讯技术建立全数字系统。

二、主要做法

    该系统的特点是功率高，电流大(12000A)，响应快，中板轧机的两个轧辊还要有速度配合与负荷平衡，轧件头部要微微上撬形成“雪橇”特性，以免损坏辊道。

    国内现有数字系统全部是用一套控制器触发多个并联的可控硅供电形成大电流，均流系数大多在80%左右。我们的做法是用多台全数字直流控制器并联，通过数据通讯的方法实现各装置的均流，实际运行的均流系数达到97%。

    国内现有的设备采用复杂的控制手段实现“雪橇”特性，我们利用上下辊系统的动态响应差的方法，很巧妙地实现了。

    上辊电机与下辊电机分别由两套控制系统供电，每套系统的电枢均用两组六脉冲的可逆整流桥经平衡电抗器并联，组成12相整流电路供电。每组六脉冲的可逆整流桥又由三台直流控制器并联组成，1#-3#控制器作为一组由变压器的一个副绕组供电，4#-6#控制器由变压器的另一个副绕组供电。其中3#控制器为主控制器，主控制器接收速度指令及速度实际值，进行速度调节、电流调节与励磁调节，有速度闭环和电流闭环。1#、2#控制器经并口通讯接受3#控制器的触发指令；5#控制器接受3#控制器的电流指令作为恒流控制，4#、6#控制器经并口通讯接受5#控制器的触发指令。因此可以实现均流，实际运行中均流效果到97%。励磁均单独用三相六脉冲不可逆整流桥供电。

    本系统共有4台变压器。上下辊各用一台三绕组整流变压器供电，变压器二次侧的Δ绕组和Y绕组分别给并联的三台整流控制器供电，每台整流控制器都经过进线电抗器接于变压器的二次侧，两台电机的励磁绕组各自由一台整流变压器经整流控制器供电。

    控制器采用Siemens公司的6RA70系列全数字控制器。在每个电枢供电的控制器上均装有扩展板CUD2，完成数据传输的功能。其中做为主机的3#控制器还有自由功能模块，用于编制软件，完成控制功能。系统方案简图如图1。

三、通讯方式

    并联的三台控制器之间通过并口通讯方式实现触发角信号的同步传输。同时，主控制器将励磁电流指令以串口通讯方式传递给励磁控制器，励磁控制器又将励磁实际值以串口通讯方式传给主控制器。

    PLC和它的两个子站之间使用GE公司的Genius总线，双网冗余通讯，完成系统的操作控制、信号传递与保护连锁功能。上辊传动主机和下辊传动主机之间使用4-20mA的模拟量传递速度信号，从而实现上下辊的速度同步。系统的整个通讯图见图1。

                图1 中板主轧机传动系统和通讯网络图

 

四、均流的实现

    为使各台整流器的电流均衡，首先要保证两组的主控制器电流均衡，再保证每组的三个控制器电流均衡。保证两组的主控制器电流均衡的办法为：两组主控制器的电流环响应一致，接受相同的电流指令。上辊系统5#和下辊系统6#控制器设计为仅有电流闭环，构成恒流源，它接受3#主控制器的电流指令；3#控制器设计成速度、电流双环控制系统，并有励磁调节。

    为保证每组的三台控制器电流均衡，还应保证三台控制器的交流输入回路阻抗、直流输出阻抗一致。施工安装中，保证变压器到进线电抗器、进线电抗器到控制器、控制器到快开的电缆截面面积与长度一致，各组所接的进线电抗器配对，使阻抗尽量一致。其电缆电阻保证了静态均流、电抗器保证了动态均流。投产使用后各控制器的均流效果达97%，实际电流波形可参看图2。 

               

图2  六台直流控制器并联使用实际电流波形图

六、并联装置的同步切换

并联装置的正反方向的同步切换是保证并联装置正常工作防止逆变颠覆的重要手段，从图3看3#控制器把电流给定通过串口传送给5#控制器，5#和3#控制器之间通过Peer-to-Peert通讯传递电流过零信号，如果3#控制器的电流已经为零，且具备切换条件，那么3#控制器通过Peer-to-Peert通讯通知5#控制器，同样5#控制器在相同条件下也应通知3#控制器。两个装置在接受到对方的过零信号后立即切换。

图3 Δ绕组主机和Y绕组主机之间的力矩方向切换互锁图

七、励磁控制

    励磁供电用单独的整流装置，该控制器设计成仅有电流环的恒流工作方式，其电流给定由3#主控制器经过串口通讯方式传递。基速以下时励磁电流为500A。电机在基速以上运行时，系统励磁电流由电势调节器控制，系统弱磁运行。

八、可编程控制器

    PLC柜及操作台采用GE Fanuc公司的90-30系列PLC及分布式远程I/O产品，由四个站点组成分布式控制系统。90-30装于上辊传动PLC柜，下辊传动PLC柜装有两套VersaMax站，操作台中装有一套VersaMax站，四个站点间用Genius双网冗余通讯，完成系统的操作控制、信号传递与连锁保护功能。

九、雪橇特性的实现

    中板轧机在咬钢初期要求出口的钢板上翘(通常称为雪橇特性)，以免撞到辊道。通常的做法是用改变上下辊的速度来实现，这种做法比较复杂，也容易出现电流冲击。我们利用上下辊速度调节器的参数不同使得动态响应不同的方法很容易地实现了雪橇特性。实用效果很好。