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MM440變頻器的控制

    選擇MM440變頻器對電動機(jī)進(jìn)行一對一的控制，并通過其PROFIBUS模塊實現(xiàn)與主站PLC的DP通信。通過對負(fù)載轉(zhuǎn)矩及電動機(jī)容量的計算，選擇三相交流額定電壓為380V、額定功率為22kW的MM440變頻器。

    1．變頻器的參數(shù)設(shè)置

    考慮定氧加鋁在煉鋼工藝的重要性，以PROFIBUS-DP總線控制為主，以控制柜面板手動開關(guān)按鈕控制為輔的控制方式，即總線控制與手動控制兩種控制方式對變頻器進(jìn)行控制。因此在設(shè)置變頻器參數(shù)時需要設(shè)置兩組參數(shù)，一組用于手動控制，一組用于自動控制，變頻器的第五個數(shù)字輸入為自動與手動控制切換的信號。自動控制時選擇CDS1與DDS1，命令源選擇COM鏈路的通信板，輸出頻率通過COM鏈路的CB設(shè)定，參數(shù)設(shè)置如表7-6所示。手動控制時選擇CDSO與DDSO，命令源選擇端子排并且以固定的頻率輸出，選擇四路數(shù)字輸入和兩路數(shù)字輸出，參數(shù)設(shè)置如表7-7所示。

    2．S7-300對MM440的控制

    S7-300主要通過PROFIBUS總線對變頻器進(jìn)行控制，PLC發(fā)送控制字并接收變頻器的狀態(tài)字。在STEP 7軟件中進(jìn)行硬件組態(tài)，選擇MM440的PPO類型1，設(shè)置各變頻器的總線站地址。建立數(shù)據(jù)塊DB1～DB4分別與各MM440的PKW和PZD對應(yīng)，用以存儲各自的通信數(shù)據(jù)。后調(diào)用DP讀／寫系統(tǒng)功能塊SFC14/SFC15來完成PLC與各MM440之間控制字／狀態(tài)字、主給定／主實際值的通信。電動機(jī)正轉(zhuǎn)時，變頻器的控制字為847F，此時狀態(tài)字為FB34;電動機(jī)反轉(zhuǎn)時，變頻器的控制字為8C7F，此時狀態(tài)字為BB34;電動機(jī)停止時，變頻器的控制字為847E，此時狀態(tài)字為FA31。該控制系統(tǒng)與原系統(tǒng)的運行效果對比如表7-8所示。由表可見，新系統(tǒng)具有良好的精確性和快速性。

表7-8運行效果對比

PLC、變頻器及現(xiàn)場總線技術(shù)在定氧加鋁自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，大大提高了系統(tǒng)的自動化水平，大幅度提高了系統(tǒng)生產(chǎn)的連續(xù)性、準(zhǔn)確性和可靠性，較大地改善了系統(tǒng)的傳動性能，并減少了電動機(jī)啟動電流和制動電流對電網(wǎng)的沖擊。通過對舊的自動化系統(tǒng)的成功改造，配合定氧加鋁的*模型加鋁計算法，使鋼水中氧含量達(dá)到控制范圍內(nèi)，改善了鋼水的成分，提高了鋼水的質(zhì)量與產(chǎn)量，取得了良好的效果。

  1．系統(tǒng)工藝原理

本定氧加鋁控制系統(tǒng)電氣控制原理圖如圖7-25所示，定氧加鋁的工藝過程如下：鋼水出爐到達(dá)加鋁站后，首先通過定氧儀測出鋼水中的含氧量，并在上位機(jī)中設(shè)置加鋁參數(shù)，同時發(fā)出一個啟動信號，PLC接收到啟動信號后，立即伸出支撐桿，準(zhǔn)確定位到鋼水上方并延時2s;接著PLC發(fā)出壓下齒輪信號，以便傳動電動機(jī)以1.42kg/s的速度帶動鋁線運動及傳感器工作；然后PLC發(fā)出啟動電動機(jī)信號，通過發(fā)送控制字到變頻器及讀變頻器的狀態(tài)字來控制電動機(jī)，計數(shù)模塊開始計數(shù)；后計數(shù)達(dá)到時，PLC發(fā)出停止信號，控制系統(tǒng)所有設(shè)備立即復(fù)位。

圖7-25  定氧加鋁系統(tǒng)示意圖

    2．控制系統(tǒng)的配置

    控制系統(tǒng)由以下幾個部分組成。

    ①主站PLC。由于系統(tǒng)的控制規(guī)模不大，故選用S7-300 PLC( CPU315-2DDP)。

    ②分布式I/O。選用模塊化的ET200M從站，帶DP接口模塊。

    ③總線傳輸介質(zhì)。包含光纖和RS-485總線連接器。

    ④變頻器。選用西門子MICRO MASTER440 (MM440)變頻器，帶PROFIBUS模塊和制動電阻。

    ⑤傳動設(shè)備。異步電動機(jī)及減速箱、齒輪。

    ⑥主要I/O設(shè)備。電磁閥、開關(guān)按鈕、指示燈、傳感器及控制柜的顯示儀表。

    3．系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線形成FCS系統(tǒng)，配以西門子組態(tài)軟件開發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控界面，另外開發(fā)了一個數(shù)據(jù)傳送程序，將現(xiàn)場生產(chǎn)的數(shù)據(jù)傳送到計算機(jī)中心，使得各車間和生產(chǎn)職能部門能夠通過網(wǎng)絡(luò)直接了解到加鋁的全過程，提高了全廠的生產(chǎn)效率。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖7-26所示，以S7-300 PLC作為DP主站，通過遠(yuǎn)程分布式I/O從站ET200M對現(xiàn)場所有DI/DO、AI/AO設(shè)備進(jìn)行連接與控制，同時主站通過DP總線與MM440變頻器進(jìn)行通信，實現(xiàn)對傳動電動機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

    4．系統(tǒng)控制原理

    該系統(tǒng)具有手動和自動兩種控制功能。當(dāng)PLC控制柜上的手動／自動選擇按鈕在手動狀態(tài)時，通過觀察控制柜面板上的計數(shù)儀表及人工操作控制按鈕進(jìn)行控制；當(dāng)PLC控制柜上的手動／自動選擇按鈕在自動狀態(tài)時，主要以通信方式實現(xiàn)上位機(jī)對現(xiàn)場的控制。上位機(jī)通過CP5611與PLC進(jìn)行通信，對CUP315-2DP發(fā)送控制指令，控制并監(jiān)測整個加鋁過程。

    CPU315-2DP通過PROFIBUS總線與變頻器進(jìn)行通信來實現(xiàn)對現(xiàn)場的控制。按VDI/VDE3689的規(guī)定，PROFIBUS-DP通信的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以是PPO類型1或者是PPO類型3，其含義實際上就是發(fā)送的數(shù)據(jù)總是過程數(shù)據(jù)(發(fā)送報文中的控制字( STW)、設(shè)定值(HSW)和接收報文的狀態(tài)字(ZSW)、實際值(HIW))。通信報文的PZD區(qū)（過程數(shù)據(jù)區(qū)）是為控制和監(jiān)測變頻器而設(shè)計的。在主站和從站中收到的PZD總是以高的優(yōu)先級加以處理。處理PZD的優(yōu)先級高于處理PKW的優(yōu)先級，而且總是傳送接口上當(dāng)前的有效數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和PPO的類型通常由主站確定。PROFIBUS總線以類似于USS協(xié)議的方式對變頻器進(jìn)行控制和監(jiān)測?？刂葡到y(tǒng)程序流程圖如圖7-27所示。

S7-300在本系統(tǒng)中作為控制裝置，起主要作用。CPU315-2DP集成了DP口，避免增加模塊提高成本。PLC自身具備智能保護(hù)功能，防止系統(tǒng)因外部原因?qū)е碌牟环€(wěn)定。PLC不僅通過數(shù)字輸出對閥門控制外，更重要的是能夠通過總線控制方式對變頻器進(jìn)行控制，降低了成本，減少了系統(tǒng)的故障點。PLC還可以通過MPI接口從上位機(jī)接收控制指令，實現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)控制。PLC程序設(shè)計采用了“結(jié)構(gòu)化”、的編程方式，即按照系統(tǒng)任務(wù)和設(shè)備劃分為若干個功能塊，包括計數(shù)功能塊（讀取高速計數(shù)模塊的數(shù)據(jù)并處理）、總線功能塊（發(fā)送變頻器的控制字并接收變頻器的狀態(tài)字）、1號鋁線機(jī)功能塊（1號鋁線機(jī)的支撐與壓下的動作及與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換）、2號鋁線機(jī)功能塊（2號鋁線機(jī)的支撐與壓下的動作及與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換）、通信功能塊（PLC與上位機(jī)之間的通信）、系統(tǒng)初始化功能塊（系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位），這些功能塊按照控制要求相互配合并為主循環(huán)程序(OBl)調(diào)用。

由于本條生產(chǎn)線分印刷和糊口2個部分，分別由2臺電動機(jī)拖動，每臺電動機(jī)配備1個ACS800變頻器；底貼部由1臺色標(biāo)電動機(jī)拖動，并配備1臺ACS800變頻器與糊口主電動機(jī)同步運行，其底貼的長度可以從觸摸屏設(shè)定。生產(chǎn)時，糊口電動機(jī)為主單元，印刷電動機(jī)、色標(biāo)電動機(jī)為從單元，總體的車速快慢，*由糊口主電動機(jī)決定。生產(chǎn)過程中從單元要隨時調(diào)整速度，保持與主單元同步運行，即在兩個工段中，編織袋保持*的線速度。為了保證電動機(jī)的同步運行，在印刷部切刀處、糊口轉(zhuǎn)向處、底貼處安裝接近開關(guān)，其信號由帶診斷功能的SM321采集并送給PLC．并且給每臺電動機(jī)配備一個增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，實現(xiàn)單回路PID閉環(huán)控制，其控制原理如圖7-23所示。

圖7-23控制原理圖

圖7-23中SGi和SG2為一組接迸開關(guān)信號時間（如糊口與印刷信號），其主要用于確定電動機(jī)的具體位置；VSP為主電動機(jī)（糊口電動機(jī)）給定速度；TA為根據(jù)生產(chǎn)要求所設(shè)定的從電動機(jī)同步時間，本條生產(chǎn)線車速為60袋/min。所以從電動機(jī)的同步時間不能超過1s，一般取900ms;P為主從電動機(jī)速度比，不同的生產(chǎn)工藝比值不同，需要根據(jù)實際的生產(chǎn)工藝進(jìn)行測量，即P=N1 /N2，  (N1和Ⅳ2分別為2臺電動機(jī)給定值)，BP為變頻器；M為三相異步交流電動機(jī)；ED為旋轉(zhuǎn)編碼器；N電動機(jī)實際轉(zhuǎn)速。假設(shè)△S為同步允許位差范圍，根據(jù)主／從電動機(jī)負(fù)載上的接近開關(guān)信號時間，可以得出主從電動機(jī)的實際位差e= VsP|SG1 - SG2|，若vsP|SG1 - SG2|< △S，則系統(tǒng)同步，不需要調(diào)節(jié)；反之則系統(tǒng)不同步。計算同步速度補償量，進(jìn)行同步補償。

圖7-22  同步控制算法

由圖7-22很容易得出從電動機(jī)的補償速度

從電動機(jī)變頻器得到的終的調(diào)整速度

由式(7-4)得的結(jié)果不斷地修正變頻器的給定速度，編碼器檢測到的實際速度與此修正后的給定速度相比較，來調(diào)整實際速度的大小，以滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。實際的控制結(jié)果如圖7-24所示。

圖7-24  電動機(jī)運行實際曲線

    可以看出，從電動機(jī)與主電動機(jī)在啟動、停止、加速、減速過程中都具有較好的同步性，它們的大時差不超過100ms，*可以滿足工業(yè)控制要求。

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