不銹鋼高速線材及大盤卷工程電氣及自動化系統

楊雪梅

摘要:不銹鋼線材市場前景好，國內市場對不銹鋼線材下游深加工產品——五金線和緊固件線材的需求逐年增大，國內生產高品質的不銹鋼線材企業很少，產品幾乎依賴進口，市場需求潛力較大。浙江某集團公司搶占先機，經過15個月設計、施工,于2013年順利竣工投產一條不銹鋼高速線材及大盤卷工程。該生產線年設計能力30萬噸,可生產Φ5—Φ38mm不銹鋼盤條，主要鋼種為不銹鋼、優質碳素結構鋼、硬線鋼、低合金鋼、焊條鋼、冷鐓鋼等高端產品，達到世界先進水平。這是國內率先投產的不銹鋼高速線材及大盤卷項目,它的建成為拓寬產品結構、提高市場競爭力提供有力保障。

該工程配備有一座加熱能力為90噸/小時的步進梁式加熱爐，1H～24V機架選用DANIELI短應力線軋機，平立交替的布置形式。高線精軋選用DANIELI頂交45°10機架無扭精軋機組和2+2雙模塊線材減定徑機組和，2臺瑞典森達斯的臥式鋼帶打捆機等主要設備。全線無扭軋制、控制軋制、控制冷卻，設備技術裝備達到國際先進水平，產品精度達到國標C級，機械性能好，品質高，具有較強的市場競爭能力。全線采用ABB電控系統。全連軋自動化系統和調速傳動系統由高性能工業微機、可編程序控制器（PLC）及ABB全數字交、直流傳動控制裝置構成，輔以全分布式網絡。整個自動化系統由三級控制系統和兩層通訊網絡構成。本文現就該工程的電氣和自動化系統的配置、功能及特點作一詳細分析。

關鍵詞:供電 傳動 速度級聯 微張力邏輯聯鎖順序控制

中圖分類號：U223文獻標識碼： A

1供電

1.1全廠負荷

全廠電氣設備總裝機容量約45000kW，其中交流主傳動設備容量25400kW。全廠總有功計算負荷約28000kW，補償前功率因數為0.84，補償后功率因數為0.93。

1.2高壓供電

全廠正常由兩路35kV電源供電。35kV電源采用電纜進線。當一路電源故障時，另一路電源可帶全部負荷。高壓開關柜選用KYN61-40.5系列中置式開關柜，柜內高壓開關采用優質真空斷路器ZN-85，斷路器斷流容量為40.5kA。繼電保護采用微機綜合保護監控系統。帶微機后臺裝置一套。高壓系統的操作及保護電源采用鉛酸免維護電池組，電壓為DC220V。

1.3高次諧波及功率因數補償

本車間需要調速的負荷較多，且采用晶閘管變流裝置供電。變流裝置產生的高次諧波將使電壓波形產生畸變，使電網質量下降。為減少高次諧波對電網的影響，擬將整流變壓器按負荷大致分成兩組，兩組整流變壓器的繞組聯結電壓相位相差30度，以減少諧波分量。同時設置諧波濾波裝置和無功補償裝置，使車間35kV側功率因數達到0.93左右，高次諧波電壓波形畸變率極限值限制在國家標準允許范圍內。根據就地補償的原則，諧波濾波及無功補償裝置安裝在1#主電室內。

1.4低壓配電

全廠交流380V用電設備（不包括變頻調速設備）總裝機容量約18000kW。其中加熱爐系統裝機容量1200kW；水處理系統裝機容量約2800kW。共選用7臺國產優質節能型S11低損耗動力變壓器向全廠低壓負荷供電。

車間低壓配電系統主要采用放射式供配電結構，部分檢修電源采用鏈式供電。同一電氣室動力變壓器二次側的低壓配電柜設有聯絡開關通過母線或電纜連接起來。低壓配電柜及MCC選用GCK抽出式開關柜，柜內電氣元器件采用合資優質產品，柜內斷路器短路額定開斷大于50kA。低壓配電柜回路數按冗余15％設計、制造。

2電氣傳動

2.1 主電機

本方案采用粗、中、預精軋、精軋24機架主傳動電機為交流變頻電機單獨傳動；線材精軋機10機架采用 4800kW交流變頻電機集體傳動；減定徑機采用 3000kW、1000kW交流變頻電機集體傳動。

上述電機滿足軋鋼用電動機標準和要求，粗、中、預精軋、精軋主傳動24臺電機和減定徑機模塊2的電機采用國產交流調速異步電動機;精軋機及減定徑機模塊1采用國產交流調速同步電動機。

1~24機架交流主電機和減定徑機模塊2的電機均采用強迫風冷，定子電壓690V，電機機座和端蓋經樹脂砂工藝澆鑄而成，外帶散熱筋結構。電機絕緣等級F級，溫升按B級考核；電機防護等級IP54。電機配有定子測溫元件及防潮加熱器，適用于全數字電壓源型變頻電源。電機速度檢測采用旋轉式脈沖發生器。

1~24機架交流主電機和減定徑機模塊2的電機均為S1 連續工作制，其過載能力如下：

基速：115%額定負載連續運行

160%額定負載：頻繁運行（每60秒運行10秒）

切斷過載為250%額定電流。

高速：160%額定負載1分鐘

160%額定負載：偶爾運行60秒

切斷過載200%額定電流。

精軋機組主電機為一臺4000kW交流同步電機，減定徑機組模塊1主電機為一臺3000kW交流同步電機，額定電壓3150V。電機采用空-水冷卻方式，自帶空-水熱交換器。電機配有定子繞組測溫、軸承測溫及防潮加熱器，防護等級（本體/滑環）為IP54/IP23。

在額定電樞電壓下和額定轉速范圍內，過載能力如下：

115%額定功率負載：長期連續運行；

150%額定功率負載：60秒（基速）；

140%額定功率負載：60秒（高速）；

2.2 輔傳動電機

（1）交流輔傳動電機

全廠需調速的交流輔傳動電機采用變頻電機，電機額定電壓380V，電機絕緣等級F級，防護等級IP54，電機冷卻采用自然冷卻或帶風機強迫冷卻方式。

（2）全廠不調速的交流輔傳動電機采用籠型轉子異步電機，電機額定電壓380V，電機絕緣等級F級，防護等級IP54，電機冷卻采用自然冷卻方式。

2.3 交流調速系統

（1） 概述

除線材精軋機組和減定徑機組外，其余粗、中、預精軋機、精軋機、大盤卷卷取機等交流主傳動以及交流調速輔傳動均采用ABB公司的ACS800系列產品(包括完整的控制單元及功率單元)，由ABB電氣工程公司供貨。

線材精軋機及減定徑機主傳動采用ABB公司的ACS6000大功率中壓3電平DTC控制的IGCT交-直-交變頻調速裝置。

各交流變頻系統具有調節器參數自調諧、故障自診斷、狀態檢查、信號記錄等功能，調節系統對速度及電流進行閉環控制。

各交流主傳動測速裝置采用無聯軸器的空心軸型脈沖發生器。

不調速的交流電動機采用接觸器控制。

傳動裝置主要性能指標：

裝置的電流輸出應滿足：100%電機額定值連續工作，150%短時工作。

可進行恒轉矩/恒功率調速。

動態響應不低于0.25%s。

靜態精度不低于0.01%。

（2） 粗、中、預精軋、精軋和卷取機交流變頻主傳動

交流主傳動調速系統主要由整流變壓器、進線開關、進線電抗器、整流裝置、逆變裝置、制動單元等組成，構成公共直流母線系統。整流裝置由整流變壓器供電，不同的變壓器的二次側繞組分別采用Y(星型)和D(三角型)接線，形成等效12脈動整流，以減少供電系統的總體諧波分量。

傳動裝置采用ABB公司的ACS800（額定電壓AC690V）系列產品，

ABB公司的ACS800系列產品是全數字交—直—交變頻傳動裝置，所有的控制、調節、監控及附加功能都由微處理器來實現。

（3） 線材精軋機組和減定徑機組交流變頻主傳動

精軋機和減定徑機交流變頻主傳動需要從國外引進，采用ABB公司ACS6000系列三電平IGCT交-直-交變頻調速裝置。該系統完成同步電動機的軟起動及變頻控制。

ABB系統為全數字型，采用微機來完成所有的調節、控制、保護與監視，也具有完善的自診斷和故障報警、顯示、記錄功能。由于采用了帶脈沖發生器的速度反饋和全微機控制，ACS6000系統可達到與直流傳動相同的控制精度和動態響應。

在ABB控制柜的正面有一個操作與指示面板，可完成如下功能：

通/斷操作

就地/遙控操作

復位

手動速度設定

緊急停車

面板上有小型顯示屏，可顯示電流、電壓、故障信號，記錄數據等。

ABB系統設有如下保護：

過流保護

過載保護

瞬時過電壓保護

可控硅元件保護

接地保護

變流器冷卻系統保護

電機失步保護

低電壓保護

超速保護

欠勵磁保護

（4） 輔傳動變頻裝置

軋線交流調速輔傳動也采用ABB 公司的ACS800系列產品，配套組柜。設計采用公共直流母線形式，整個軋線變頻輔傳動設一組整流單元（即設一條公共直流母線）。整流部分采用三相全波整流，功率元件為二極管，逆變部分采用三相全控橋，功率元件為IGBT。

2.4 整流變壓器

全廠共配置9臺油浸式整流變壓器，分別為5800kVA 、5000kVA 、5000kVA 、5800kVA 、3300kVA ，35KV/0.69KV；1000kVA 、1300kVA，35KV/0.4KV； 11000kVA，35KV/3.16KV ；800kVA，35KV/0.4KV。整流變壓器接線組別分別采用Dd0、Dy11，組成等效的12相整流，以降低35KV 母線上的諧波電流。所有整流變壓器為油浸式銅線繞組，在設計制造整流變壓器考慮如下幾個方面：

－能承受較大的短路電流，要求較堅固的結構

－能承受較大諧波電流，要求散熱能力強

－考慮到諧波的作用，要求采用較小的磁通密度

－瓦斯繼電器，用于報警和跳閘

－指針式溫度表帶電氣接點，用于報警和跳閘

－油箱，油位指示器

－呼吸閥

－底座及滾輪

3基礎自動化系統

3.1電氣控制系統簡介

本系統方案是ABB公司可編程數字控制系統800xA為核心,配以成熟的線棒線材軋機控制軟件包，構成網絡化的強大分布式控制系統?；A自動化系統與傳動系統之間完全通過網絡交換信息，實現全數字化的控制，軋線主輔傳動全部采用交流變頻調速?？刂菩畔⒑拖到y狀態信息通過監控網(ETHERNET)和分布式I/O網(GENIUS BUS)交換。

控制系統硬件、人機接口終端(HMI)計算機和通訊網絡，構成了全廠監視、控制系統。

3.2 控制功能概述

軋機速度設定和區域起?？刂?/p>

軋機級聯系統控制

手動機架間控制

微張力控制

自動活套控制

跟蹤和堆鋼自動檢測

啟停式飛剪周期控制

頭尾剪切控制

測試

吐絲機前夾送輥控制

吐絲機控制

傳送輥道上的頭部定位控制

軸定位控制

協調控制

模擬軋制

連鎖和順序控制

事件和報警

3.3 基礎自動化系統功能描述

操作人員通過 HMI人機接口系統與軋機控制系統交換信息，顯示畫面采用全漢字界面。系統可提供方便靈活的選擇、設定和監控功能:

·軋線設備組態

·軋制表的建立、存貯和修改

·各種報警信息的顯示、存儲與打印

·系統故障診斷

·運行狀態報表的存儲及打印

·所有工程參數的預設定及修改

·為上述目的有如下顯示畫面:

a) 主菜單和子菜單

b) 軋線組態和機架間控制選擇

c) 速度設定

d) 輥徑設定

e) 軋制程序

·軋制狀態顯示,包括:

a) 主傳動電流及速度的直方圖和趨勢圖

b) 活套位置基準設定

c) 沖擊速度補償

d) 主軋線模擬圖

e) 軋線故障及軋線PLC故障的報警畫面

f) 幫助畫面

通過人機接口終端計算機系統, 操作人員可進行軋線組態和設定。如果在計算機系統內有預先存貯的軋制程序，則可直接調用,對軋線進行自動設定。通過屏幕可方便地進行軋制程序表的輸入、修改、存貯及調用。用鼠標指定需要修改的數據后便可進行設定、選擇、修改等操作。事故及報警表通過屏幕顯示并可自動存盤，自動打印，傳動柜故障可在人機接口上很方便地查詢到故障原因，這樣可大大節省故障處理時間。

3.4 基礎自動化系統控制設備

基礎自動化系統主要控制器采用ABB公司的AC800系列PLC。它的邏輯及算術運算速度高，能滿足各種復雜的、高速的實時控制要求，且具有很高的可靠性。

4 電氣室

車間內設：0#加熱爐區電氣室: 一層建筑，MCC控制柜。

1#電氣室：三層建筑，一層安裝變壓器、高低壓開關柜、MCC控制柜、諧波濾波裝置等；二層為電纜室且與主車間電纜通道相通；三層安裝主、輔傳動裝置，并設有PLC控制室。主電室三層設有水冷空調。

2#電控室：二層建筑，安裝變壓器，MCC控制柜，PF線及打捆機PLC柜，以及用于風冷線的變頻傳動裝置。

5 操作室

車間內設有7個操作室:

CS1：熱送區操作室

CS2：爐前區操作室

CS3：軋線主操作室

CS4：集卷站操作室

CS5：稱重區操作室

CS6：1#卸卷區操作室

CS7：2#卸卷區操作室

CS8：大盤卷掛卷區操作室

6 照明

車間內照明燈具的照明線路采用～380/220V三相四線制供電，至插座的線路采用～380/220V三相五線制，車間及軋輥機修間采用高效﹑節能﹑長壽命燈具照明，其它房間采用熒光燈或白熾燈照明，5 米平臺下及主電室電纜夾層采用工廠燈照明，重要場所如主電室、電控室、操作室、主值班室等設應急照明燈。一般照明電壓為～220V，檢修照明選用移動式行燈及行燈變壓器，擬采用24V安全電源。

7 防雷接地、工作接地及安全接地

(1)工作接地及保護接地:低壓供電系統工作接地類型為TN-C-S系統，車間防雷按第三類工業建筑標準設計。

(2)防靜電接地:對于易燃氣體及流體流經的金屬管道，每隔一定的距離及在管道的分支處進行接地。

(3)防雷接地:廠房防雷接地保護可利用建筑物金屬體做防雷及接地裝置。

(4)控制系統邏輯接地

(5)計算機系統接地

對于所有無特殊要求的接地系統，可以采用統一的接地體，其接地電阻按各接地系統所需的最小接地電阻確定。對于設備供貨商有特殊接地要求的電氣設備，單獨進行接地設計。

對控制系統邏輯接地及計算機系統接地，其接地線路應采用放射式連接。其它的系統接地，其接地線路可采用干線式連接。

車間內所有正常不帶電的電氣設備的金屬外殼均應可靠接地。

8 電氣系統的消防措施

本軋鋼車間為二級負荷，由二回線路供電。在主電室、電控室、操作室及主值班室設置手推車式或手提式滅火器，主電室還設有疏散指示標志及應急照明燈，同時在上述建筑物（不包括操作室及值班室）、變壓器室內設置火災自動報警裝置；這些建筑物內的通風設備將與火災自動報警系統聯鎖。

電纜的防火與阻燃主要采取如下措施：

1) 在電纜敷設完畢后，對所有電纜穿越的孔洞用阻燃材料進行封堵。

2) 對于電纜橋架，設置阻燃橋架。

3) 在環境溫度高的區域使用耐高溫電纜。

4)在火災危險環境使用阻燃電纜。

5) 具體細節按照GB50217-2007《電力工程電纜設計規范》的規定進行設計。

9 電氣線路及敷設

全廠電纜選用阻燃型銅芯交聯乙烯絕緣電纜，局部采用耐高溫電纜，變頻電纜。

電纜敷設采用以電纜橋架+5m軋制平臺下及1#電氣室電纜室頂板下吊掛為主的敷設方式，局部地方設電纜溝。

結束語

由中冶華天工程技術有限公司設計的不銹鋼高速線材及大盤卷工程，供配電方案充分考慮了此類項目的特點，經濟，合理，可靠。全線采用的ABB傳動及自動化控制系統硬件配置水平高,系統結構科學,控制功能完善。該項目立足高起點，瞄準國際冶金技術前沿，主要設備從意大利進口，達到世界先進水平。它的建成彌補了我國不銹鋼線材下游深加工產品——五金線和緊固件線材需求旺盛，市場供給不足的缺憾，在鋼鐵行業都將產生重要影響，并為搶占國內外鋼材的高端市場奠定了基礎。