摘要：本文主要以Masterdrives為例，介紹了SIEMENS變頻器在冶金工業系統中驅動中的應用，著重地討論了其系統配置、控制原理及性能；并結合厚板廠熱處理線的特點，對冗余的雙CBP通訊控制也進行了闡述。
關鍵詞：變頻器；Masterdrives；雙CBP

1 引言

寶鋼5000mm厚板軋機是目前我國厚板廠中最寬的現代化軋機之一，主要由板坯庫、加熱爐、精軋機（粗軋機預留）、ACC、熱矯、冷床、剪切線、精整、特厚板設備、熱處理線、冷矯、涂漆線以及磨輥間、成品庫等部分組成；分前區軋機和后區精整兩部分組織生產。

在精整區域中，涉及設計、供貨廠商不下十家，主體硬件使用SIEMENS SIMOVERT-Masterdrives變頻器，可以用于交流鼠籠異步機和小容量的同步電機。變頻器將三相固定頻率和電壓的輸入電源轉換為三相交流可變頻率和電壓的輸出電源，為交—直—交變頻控制，由于直流電壓源的箝位作用，交流側電壓波形為矩形波，與負載阻抗無關，而交流側的電流波形和相位因負載阻抗角的不同而異，其波形或接近三角波，或接近正弦波。變頻器使用形式各自不同：厚板廠主體驅動設備由德國SIEMENS提供，用的是標準的6SE70系列SIMOVERT Masterdrives變頻器控制，為柜式傳動單元集中控制，如冷床、剪切線、冷矯、涂漆線、噴印機及各類輥道控制；也有的采用SIMOVERT緊湊式單元單獨控制，具有單體容量小、體積小、便于控制等特點，如LOI提供的熱處理線，這條線與其它各生產線驅動控制相比，還有一個特點，就是采用了冗余的CBP2控制，提高了系統的穩定性能；也有采用6SE71系列的SIMOVERT變頻器產品，如USF設計的拋丸線，這種驅動設備采用的是SIEMENS整合技術，結構標準、使用也相當可靠。當然，從投資部分考慮，對小區域輔助設備也采用了部分MICROMASTER變頻裝置。

下面主要著重介紹各種形式的SIMOVERT-Masterdrives變頻器在厚板廠精整區域使用。

2 Masterdrives變頻器在主線中的應用

Masterdrives變頻器控制系統主回路由三部分構成：整流單元、直流母線單元和逆變單元構成如圖1、圖2所示。整個系統包括外輔24V DC電源、進線端、出線端、參數設定單元、選鍵板接口、操作面板接口、控制總線接口、開關量輸入端口及模擬量端口。在整流與逆變裝置之間有預充電電路回路，母線端還連接有制動單元與制動電阻。控制部分可分別對整流單元、DC母線及預充電電阻單元和逆變單元進行控制。

圖1 Masterdrives 控制示意圖
Masterdrives的整流單元采用6脈波三相全控整流電路，將整流過的電網電壓、電流直接輸出到濾波電容器的直流母線上，使輸出線電壓波形中不含有低次諧波，通過對直流母線中的電容濾波器控制。整流部分和再生回饋裝置全部由AFE控制系統控制，其特點主要是根據電網的電壓變化來調整直流母排上的電壓，保持母線上的電壓穩定，不至于低于或高于額定電壓；再根據母排上的電壓調整成為標準的額定輸出電壓反饋回電網。

圖2 Masterdrives 控制原理圖
準Masterdrives系統是電壓源變頻器，帶公共直流母線,當電能需要回饋到電網時，在直流母線和電網又連接有再生回饋裝置,整流變壓器向一個或多個整流回饋單元供電。公用直流母線供電方式對節約尤其節能方面有突出效果：首先避免了每臺電動機的變頻器都必須設置整流單元，節省了投資；其次多電動機傳動中每臺單機的再生能量能夠相互利用，而且發電功率大于電動功率時，制動引起的再生能量可以用公用的回饋單元將電能回饋電網，節約了能源。

Masterdrives逆變單元采用IGBT作為開關器件的電壓型三相橋式逆變電路，為了能夠達到輸出的額定電壓，則需通過對IGBT進行控制調壓，當負載電壓和電流反向，負載電感中貯藏的能量向直流側反饋，即負載電感將其吸收的無功能量反饋回直流側。其控制部分為CUVC板，主要控制逆變電路的電流環、速度環，使電動機在理想狀態下運行,實現網絡通訊、監視、跟蹤等方面的控制。連接CUVC板的底板有6個插槽，分別可以連接附件板，諸如：工藝板T400、T300和T100，通訊板CBP和SLB，本機串行口SST1和SST2，擴展板I/O接口EB1和EB2。通過連接附加功能板，可以進行同步控制、串行通訊控制、網絡通訊控制、測速機閉環控制。

對有調速要求的輔傳動系統，采用全數字電壓源型IGBT交—直—交變頻調速系統。大多數采用集中公共整流加獨立逆變器的方案，將調速電機分成若干供電組，每組由一個整流回饋單元向公共直流母線供電，公共直流母線上可以連接4-15個IGBT逆變器，逆變器向電機提供變頻電源。其中，逆變器和電動機一對一供電傳動系統采用矢量控制方式，多電機共用逆變器的傳動系統采用調頻調壓控制方式。

3 雙CBP2板在熱處理冗余系統中的應用

寶鋼厚板廠一期熱處理線包括一條拋丸線、入爐輥道、對中裝置、氮氣保護無氧化加熱的連續式輥底式熱處理爐、輥壓式淬火機、出爐輥道和熱處理冷床等，可以實現正火、淬火、回火和調質工藝，完成熱處理后，經冷矯直機、噴印機后送入成品庫。其產品可以用于橋梁、船板、壓力容器、結構用鋼和工具鋼等。

熱處理爐由109根單獨傳動的爐輥驅動，爐內速度0.25-20m/min，出爐輥道速度0.25-40m/min，可實現擺動式加熱或保溫；采用氮氣保護氣氛，268個自換熱、輻射管式燒嘴高效節能，采用ON/OFF循環脈沖控制方式，確保加熱溫度受控、性能均勻；上下分10個控制區域實施溫度控制。

熱處理爐工作溫度可達950℃，如果在工作狀態中停爐，勢必將導致爐輥損傷和鋼板報廢。所以在設計時，充分考慮了熱處理線運行的穩定性、可靠性，從控制系統的冗余、供電母排聯接結構、低壓開關自動切換、UPS和柴油發電機的配合使用等。

厚板廠熱處理線使用6個SIEMENS CPU414-H PLC實現AC、BC和QC控制；采用的是熱冗余方式，可以在PLC主體故障時，無間隙的進行主從自動切換。對于PLC來講，在每個UR1上增加2只H同步子模塊，通過適當的光纖連接組網，這樣連接起來的PLC可以信息交換和相互檢測。在完成硬件組態后，不再需要軟件方面額外的程序編制，SIEMENS對此都有標準的模塊。

對于傳動裝置要與這樣的冗余控制系統相匹配，可以采用Y-Link模式或雙CBP2模式。兩種模式的主要差別在于CBP2的使用上：前者使用單獨的CBP2，如果出現故障，則冗余系統無法發揮作用；后者在設計上考慮了傳動的通訊配置，只要有一塊CBP2正常工作，系統就能正常工作。考慮到熱處理爐動力主要來自109只爐輥，控制爐輥的傳動應該盡可能可靠.從這種觀點出發，雙通訊卡模式性能更可靠。在設計時，寶鋼選用了雙CBP2通訊模塊，配合RS-485中繼器，完成了傳動通訊的冗余控制，如圖3所示。