主从控制系统在干熄焦电机车上的应用

摘 要 介绍使用西门子6SE70矢量控制变频器实现干熄焦电机车双驱电机主从控制的结构原理及特点。

关键词 电机车；变频器；主从控制

中图分类号TM921 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）95-0198-02

0 引言

干熄焦系统中，电机车是输送焦炭的重要设备，其走行由两台电机驱动双轴运行。正常生产时，约9min往返一次，使用频次高、强度大、速度快。在电机车行走中，牵引重量约210t，停车精度要求控制在±100㎜范围，以确保焦罐车能在提升井下安全进行对位修正。双电机在运行时速度和转矩的不匹配，往往会造成故障不断，甚至损坏设备的情况出现。因此，电机车能否在重载驱动和负载不平衡条件下运行稳定，对走行控制提出了很高的要求。从2007年柳钢1#干熄焦投产至今，各系统电机车传动控制一直在不断完善，直至现在全部采用主从控制。

1 采用主从控制理由

电机车在牵引驱动中负载重量大，启停和换档频繁，控制要求高，使用变频器驱动是必然选择。而变频器驱动的控制模式有多种。如：一台变频器拖动二台电机，二台变频器独立驱动两台电机，或者二台变频器采用主从驱动两台电机的模式，最终选择须由设备实际运行情况决定。

1.1传统控制模式的缺陷

焦罐台车装焦不均匀会引起负载偏载的情况。例如：用方形焦罐的三四焦系统就经常出现该情况。一台变频器拖动二电机模式时，出现电机转差率不同从而导致同轴双电机串联系统机械损伤，影响设备运行性能。另外。实际两台电机驱动下运行设备，即便是两台相同型号的电机，由于制造的原因，往往也会出现电机电枢电阻或磁通不相等的情况，导致电机机械特性有所不同，进而负载分配难以达到平均，这样也会导致二台电机负载不平衡，因此采用二台变频器独立驱动两台电机模式依然不是最优选择。

1.2主从控制的优势

电机车的平稳运行要求变频器必须保持严格的同步运行关系，同时能够实现变频器间的动态负载自动平衡分配。二台变频器采用主从驱动两台电机时，就能让两边的转矩输出成一定比例，实现以一个传动点为主控，另一点作为跟随，这样就能解决传送系统负载不平衡的问题。

2 电机车主从控制系统的构成

2.1硬件配置及网络结构

整个控制系统包括：走行电机2台（YZR315M-10，75Kw，150A）。西门子S7-300PLC 1套，作为系统主控制器及各类信号接口。西门子6ES70系列装机装柜型矢量控制变频器2台（6ES7031-5EF60-Z，最大输出199A），用于主从控制机车走行。各配置Simolink光纤通讯板（6SX7010-0FJ00）1块。其中1台还配置CBP2 总线通讯板（6SE7090-0XX84-0FF5）。6ES70书本型矢量控制变频器1台（6SE7026-0ED61），用于焦罐旋转控制。西门子MP377 12〞多功能面板1块，作为人机界面。

其中PLC、触摸屏、旋转变频器和走行变频器1通过Profibus DP总线连接，DP网络首尾两端设置终端电阻，数据传送速率达1.5Mbit/S；2台走行主从变频器之间的SIMOLINK板，通过光纤跳线连接，有11Mbit/S的数据传输速率，可传输32位的数据，总线循环周期为0.2mS～6.5mS。

2.2 主从控制原理

实现主从控制的关键在于速度和转矩的高速传递和精确控制，常用主从控制的实现方式有三种：

1）利用变频器的模拟量输入、输出接口（AI/AO）进行信号交互，实现主从控制。此方法适合速度较低、控制精度要求不是很高的主从控制；

2）通过Profibus通讯模块，主从传动的速度或转矩分配均由PLC来直接完成的控制方式。精度高、响应较快，适合在配置有Profibus通讯网络的中大型传动中使用；

3）通过Simolink通讯模块连接主从设备，利用光纤实现多个传动设备之间的数据快速交换。控制精度高，速度快，抗干扰能力强。

一焦电机车应用的主从控制方式是第三种。两台变频器之间经光纤跳线连接，利用Simolink通讯板实现同步数据交换。主站作为分配器，可以接收和发送报文，并可读写其所含信息。而从站只能接受报文，读入其内容（每个电报为32位数据）。其传递的过程数据包括：控制字和状态字，给定值和实际值。Simolink在每一个周期内依靠其精确的时间间隔和无偏差的SYNC 电报，使所有连接的MASTERDRIVES MC 装置在极快的数据传输中，保持高性能的适时性和同步。

两台矢量控制变频器，一台为主动设备，另一台为从动设备。主动设备速度信号由PLC输出开关量信号至主变频器端子，切换预设定档位。从动设备读入主动设备速度值，并跟随。两台走行电机由齿轮传动机构刚性连接，输出转矩。主从电机之间不能存在速度差。因此，为防止两台电机输出转矩不平衡，出现一个累死，一个闲死的现象，从动设备工作在转矩环状态。将主动装置（Master）的力矩信号传到从动装置（Slave）作为其力矩给定，并经速度调节器、转矩限幅、电流调节器后，输出给电机。即：从传动使用转矩控制，其工作时只负责输出一定比例的转矩以减少主传动的负荷，整个传动的速度控制由主传动来完成。这样就能保证双电机、双装置在任何负载下的负荷比例平衡。控制功能框图如下：

2.3电气控制方式

主变频器的启、停，运行方向及速度档位组合等指令，均由操作人员点击车载触摸屏，执行PLC程序后，经相应开关量输出模块通道驱动继电器，以硬线连接方式，通过变频器CUVC板的X101开关量输入端子进行控制。

2.4软件编程

3结论

作为传动控制中速度或转矩信号检测用的编码器，容易出现连接软故障，导致反馈信号失真。因此，在一焦熄焦车的主从控制中取消了脉冲编码器作为电机测速反馈，虽然一定程度上降低了控制精度，但避免了强振及腐蚀等现场恶劣条件下，编码器易损坏造成的设备故障，运行可靠性更高。同时，利用光纤实现同步数据快速交换，抗干扰能力强。实际应用的主从控制方式能够保证主从装置间的转矩平衡，有效提高了机车传动系统的机械动态负载平衡和可靠性，满足了驱动电机的速度同步要求，设备运行平稳。

参考文献

[1]SIMOVERT MASTERDRIVE矢量控制使用大全.西门子电气传动有限公司，2002，12.

[2]孟晓芳，李策，王珏，等.西门子系列变频器及其工程应用.北京：机械工业出版社，2008，8.

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