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　　摘 要：介紹一種基于羅賓康高壓變頻器的調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理。在分析了ModBus通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并完成了基于VB的調(diào)速系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的開發(fā)。工程應(yīng)用效果良好，實(shí)現(xiàn)了某鋼廠沖渣工藝的節(jié)能自動(dòng)控制。該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案對(duì)同類型系統(tǒng)設(shè)計(jì)有參考價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞： 變頻調(diào)速；ModBus通信協(xié)議；遠(yuǎn)程監(jiān)控

　　0 引言

　　隨著電價(jià)的不斷上漲和節(jié)能環(huán)保需要，鋼鐵制造行業(yè)改善工藝、節(jié)能降耗勢(shì)在必行。尤其是己經(jīng)運(yùn)行了十幾年的老電動(dòng)機(jī)，如何進(jìn)行設(shè)備改造、提高設(shè)備的自動(dòng)化水平和運(yùn)行效率、降低用電損耗是鋼鐵企業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。目前，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)輔機(jī)能耗高，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)效益的提高。特別是在鋼鐵行業(yè)廣泛應(yīng)用的泵類負(fù)載，占整個(gè)用電設(shè)備能耗的4O％左右。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和自動(dòng)化水平的提升，智能化程度的提高，采用高壓變頻器對(duì)泵類負(fù)載進(jìn)行速度控制。對(duì)改進(jìn)_T藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量有好處，滿足節(jié)能和設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，是可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)泵類負(fù)載進(jìn)行調(diào)速控制的好處很多。從應(yīng)用實(shí)例看，大多已取得了較好的效果，有的節(jié)能高達(dá)30％～40％。大幅度降低了生產(chǎn)成本，提高了自動(dòng)化程度，且有利于泵機(jī)和管網(wǎng)的降壓運(yùn)行，減少了滲漏、爆管，可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

　　本文以某鋼鐵廠為例，闡述了該鋼鐵廠對(duì)高爐沖渣水泵利用變頻調(diào)速技術(shù)，對(duì)原來(lái)始終在工頻運(yùn)行的工況進(jìn)行改造，同時(shí)分析了工藝設(shè)計(jì)人對(duì)整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)在該鋼鐵廠實(shí)際生產(chǎn)中，具有良好的節(jié)能效果和可靠穩(wěn)定的控制方式，本文的應(yīng)用研究對(duì)今后類似系統(tǒng)的改造具有借鑒作用。

　　1 變頻調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1．1 需求分析

　　高爐冶煉鐵水過(guò)程中產(chǎn)生大量的熔渣，通常是用大流量的中壓水將其降溫并沖散，同時(shí)輸送到水渣池回收，作為煉鐵生產(chǎn)的副產(chǎn)品? 目前沖渣電機(jī)運(yùn)行方式為工頻運(yùn)行，只能通過(guò)閘板閥門的開和關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)水的流量和壓力，以滿足出渣工藝要求。由于電機(jī)頻繁啟動(dòng)與停機(jī)，機(jī)組閥門都必須隨之頻繁地關(guān)閉與開啟，從而使沖渣泵閥門的使用壽命及運(yùn)行可靠性大幅度降低，若保持機(jī)組不停機(jī)器原__I=況運(yùn)行，就浪費(fèi)了大量的電能，因此對(duì)沖渣泵系統(tǒng)實(shí)行節(jié)能改造勢(shì)在必行[1]。

　　由此該鋼鐵廠決定對(duì)2臺(tái)鼠籠式異步電機(jī)從工頻運(yùn)行方式改造為變頻調(diào)速運(yùn)行方式，2臺(tái)電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。由于高爐生產(chǎn)是不間斷的，一般情況下每天出鐵12-l5次，在高爐出鐵前、后各放1次渣，2次出渣時(shí)間間隔約為30min。在此時(shí)問(wèn)內(nèi)要求沖渣系統(tǒng)的沖渣泵滿負(fù)荷工作，其余時(shí)間沖渣泵只需保持約30％ 水流量防止管道堵塞即可。這就要求在出渣時(shí)，變頻器能將頻率變?yōu)?0Hz，以保證沖渣泵滿負(fù)荷丁作；在出渣間隔期，變頻器將頻率調(diào)整為25Hz左右，以維持所需的水流量。

　　由于直接操作變頻器過(guò)于專業(yè)化，且存在操作不方便，直觀性差，無(wú)法滿足塒所需要的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，所以整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)要求采用人機(jī)界面友好的上位軟件，對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視操作，能監(jiān)視到當(dāng)前運(yùn)行電壓、電流、頻率和功率；并且能實(shí)現(xiàn)基本啟停操作以及對(duì)當(dāng)前運(yùn)行頻率進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)整個(gè)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)必須滿足以下幾點(diǎn)要求：

　　1）滿足沖渣泵電機(jī)的額定電壓，具有高可靠性，長(zhǎng)期運(yùn)行無(wú)故障；

　　2）調(diào)速范圍大，效率高；

　　3）具有邏輯控制能力，可以根據(jù)出渣信號(hào)自動(dòng)升降速；

　　4）具有遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控功能；

　　5）具有旁路功能，一旦出現(xiàn)故障．可在較短時(shí)間內(nèi)切換到工頻運(yùn)行。

　　由于羅賓康完美無(wú)諧波高壓變頻器完全可以滿足以上要求，所以選擇其用于沖渣泵變頻調(diào)速系統(tǒng)，上位機(jī)采用由VB6．0編寫的沖渣泵變頻調(diào)速監(jiān)控軟件進(jìn)行監(jiān)控。

　　1．2 羅賓康無(wú)諧波高壓變頻器

　　羅賓康高壓變頻器具有對(duì)電網(wǎng)諧波干擾小，輸出波形好，輸出不存在諧波從而減少電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱以及噪聲，輸入功率因素高等特點(diǎn)，義被稱為完美無(wú)諧波變頻器。其實(shí)質(zhì)為多個(gè)串聯(lián)的PWM電壓源型變頻器，將若干個(gè)獨(dú)立的低壓變頻器串聯(lián)起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)高壓輸出。電網(wǎng)電壓通過(guò)隔離降壓后給每個(gè)作為功率單元的低壓變頻器供電。每個(gè)低壓變頻器為交一直一交PWM電壓源型逆變器，輸出電源為三相電壓630V，功率為丁頻50Hz，每個(gè)低壓變頻器串聯(lián)起來(lái)，就形成了星形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變頻高壓直接輸出，給高壓電動(dòng)機(jī)供電。3kV輸出電壓等級(jí)的變頻器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的1組二次繞組供電，9個(gè)功率單元通過(guò)光纖聯(lián)到中央控制系統(tǒng)，按照一定的相位差進(jìn)行迭加達(dá)到所需要的高壓。單個(gè)功率單元組成如圖2所示。

　　為了減少輸入諧波，在完美無(wú)諧波變頻器中每個(gè)功率單元電源之間以及變壓器之間相互絕緣，在變壓器繞制時(shí)產(chǎn)生一定相位差，以消除每個(gè)功率單元引起的諧波電流。以3kV變頻器為例，9個(gè)二次繞組采用延邊三角形，分為3個(gè)不同的相位組，互差20°，形成了18脈沖整流的二極管整流電路結(jié)構(gòu)，將失真減少到4％～5％．使初級(jí)電流波形近似為正弦波，滿足高壓電動(dòng)機(jī)對(duì)電壓和電流失真的要求[2]。

　　羅賓康無(wú)諧波變頻器具有很高的功率因數(shù)。由于變頻器輸入功率因數(shù)主要與變頻器中間直流環(huán)節(jié)（電壓源型或電流源型）有關(guān)。電壓源型直流環(huán)節(jié)為電容，電機(jī)需要的無(wú)功電流由電容提供，而不需要和電網(wǎng)交換，變頻器輸入功率因數(shù)高，在整個(gè)速度范圍段內(nèi)基本保持不變.電流源型直流環(huán)節(jié)為大電感，電機(jī)需要的無(wú)功電流還需與電網(wǎng)交換，功率因數(shù)較低，且隨著電機(jī)負(fù)載的降低而降低[3]。羅賓康高壓變頻器采用的是電壓源型逆變器，在低負(fù)載的情況下比普通電流源變頻器具有優(yōu)秀的功率因數(shù)，輸入總功率因數(shù)可達(dá)到0．95以上。

　　1．3 沖渣泵高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)由3部分組成（如圖3所示）：上位控制計(jì)算機(jī)、2臺(tái)羅賓康高壓變頻器和調(diào)速對(duì)象，其中把變頻器和調(diào)速對(duì)象看成是一個(gè)整體，處于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，上位監(jiān)控的工控機(jī)處于監(jiān)控室中。由于RS-485通信方式最遠(yuǎn)支持1200M，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，所以采用RS一485總線通信方式?2臺(tái)羅賓康高壓變頻器都有支持ModBus協(xié)議的RS-485接口，而上位計(jì)算機(jī)只具備有支持RS-232電平的串行數(shù)據(jù)接口，所以數(shù)據(jù)幀由上位機(jī)串口出來(lái)后，要通過(guò)RS-232／RS-485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為能被兩臺(tái)高壓變頻器識(shí)別的RS-485電平。

　　從圖3可以看出，系統(tǒng)可分為3級(jí)，第1級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)，主要是2臺(tái)帶動(dòng)沖渣水泵的鼠籠式電機(jī)，2臺(tái)沖渣泵在出鐵時(shí)要保證50 Hz全速運(yùn)行，其它時(shí)間段運(yùn)行頻率為25 Hz．保證管道中有一定水壓，避免冷卻水回流；第2級(jí)為控制處理級(jí)，為2臺(tái)控制2臺(tái)電機(jī)調(diào)速的羅賓康高壓變頻器；第3級(jí)為監(jiān)控管理級(jí)，由1臺(tái)工控機(jī)構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)與變頻器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行集中監(jiān)視、控制、報(bào)警、趨勢(shì)等功能。第3級(jí)和第2級(jí)之間采用ModBus傳輸協(xié)議，電平經(jīng)過(guò)RS一232／RS一485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為各自可以識(shí)別的電平，當(dāng)上位機(jī)出現(xiàn)故障后，可以馬上切換為由變頻器面板操作；當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障后，可以立即切換為沖渣泵工頻運(yùn)行，具有良好的安全性。

　　2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

　　Microsoft公司的Visual Basic6．0是一種可視化的通用編程語(yǔ)言，具有易學(xué)易用，調(diào)試方便，功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。所以在本工況下，選用Microsoft公司的VisualBasic6．0來(lái)開發(fā)控制軟件具有明顯的優(yōu)勢(shì)[4]。

　　整個(gè)上位機(jī)監(jiān)控軟件的核心是通信模塊，在實(shí)現(xiàn)通信模塊的功能基礎(chǔ)上，可以對(duì)變頻器進(jìn)行監(jiān)視和控制功能。完美無(wú)諧波變頻器與外部的通信接VI采用的是西門子一直以來(lái)推薦的ModBus RS-485接口，完全符合標(biāo)準(zhǔn)的ModBus協(xié)議。所以整個(gè)上位監(jiān)控軟件與變頻器的通信方式采用基于RS一485總線的ModBus通信方式。

　　2．1 ModBus通信協(xié)議概述

　　ModBus協(xié)議最初由Modicon公司開發(fā)出來(lái)，現(xiàn)在ModBUS已經(jīng)是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議，支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。在網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，ModBUS協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成應(yīng)答并使用ModBus協(xié)議發(fā)送給詢問(wèn)方。數(shù)據(jù)通訊采用Master／Slave方式，Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息，slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應(yīng)請(qǐng)求；Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向讀寫。

　　ModBus協(xié)議需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，串行協(xié)議中除有奇偶校驗(yàn)外，通常使用的RTU模式采用16位CRC校驗(yàn)。RTU模式下通信數(shù)據(jù)幀格式如表2所示，每個(gè)字節(jié)包含2個(gè)4Bit的16進(jìn)制數(shù)字。

　　地址碼是標(biāo)識(shí)接在同一RS-485總線上不同從機(jī)的編號(hào)，只有符合地址碼的從機(jī)才能響應(yīng)并根據(jù)命令回送信息。功能碼Maser／Slave之間實(shí)現(xiàn)何種行動(dòng)的代碼，為可定義的功能碼為1到127，常用的幾個(gè)功能碼如表3。在整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，2臺(tái)變頻器的地址碼分別定義為1和2，使用到的功能碼主要為03和16功能碼[5]。

　　2．2ModBus通信模塊的實(shí)現(xiàn)

　　用VisualBasic6．0實(shí)現(xiàn)ModBus通信協(xié)議，可以使用自帶的MSCOMM通信控件，將比特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶效驗(yàn)分別設(shè)置為19200、8、1、EVEN。通過(guò)VB6．0自帶的時(shí)間控件TIMER給處于下位機(jī)的2臺(tái)變頻器發(fā)送03指令，來(lái)讀取變頻器當(dāng)前狀態(tài)。由于在RS一485總線上通信必須采用半雙工方式，也就是說(shuō)不能同時(shí)對(duì)2如下位機(jī)進(jìn)行訪問(wèn)，所以程序采用分時(shí)復(fù)用方式訪問(wèn)2臺(tái)變頻器，從時(shí)序上錯(cuò)開訪問(wèn)指令。讀取1#變頻器監(jiān)視信息的程序段如下：

　　bisend（0）=”&h”+Hex（1） ’地址碼

　　bisend（1）=”&h”+Hex（3）’功能碼，讀寄存器

　　bisend（2）=”&h”+Hex（0）’起始地址高位

　　bisend（3）=”&h”+Flex（0）’起始地址低位

　　bisend（4）=”&h” +Hex（0）’寄存器個(gè)數(shù)高位

　　bisend（5）=”&h”+Hex（10）’寄存器個(gè)數(shù)低位

　　CRC=CRCl6（bisend，6，btLoCRC，btHiCRC）

　　bisend（6）=”&h”+Hex（btLoCRC）’CRC高位

　　bisend（7）=”&lh”+Hex（btHiCRC）’CRC低位

　　FrmM ain．NXGComm ．Output=bisend

　　對(duì)變頻器進(jìn)行基本啟停操作和頻率調(diào)整時(shí)，同樣要求數(shù)據(jù)在RS-485總線上遵從傳輸規(guī)則，將用與讀取變頻器信息的程序段中斷，調(diào)用寫指令，當(dāng)變頻器回應(yīng)后再恢復(fù)中斷。

　　2．3 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

　　表4為ModBus通信所需要操作的變頻器中寄存器地址和功能。整個(gè)程序設(shè)計(jì)思路是：程序一啟動(dòng)就進(jìn)入主界面，同時(shí)監(jiān)測(cè)變頻器和上位機(jī)是否已建立通信，然后讀取變頻器40 001單元2個(gè)4Bit的十六進(jìn)制數(shù)字，將這2個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制字符串，來(lái)判斷變頻器運(yùn)行的基本狀態(tài)，例如啟動(dòng)、停止、就緒、故障等。當(dāng)變頻器處于就緒狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)修改400 065單元中的1個(gè)二進(jìn)制位來(lái)啟動(dòng)或者停止變頻器；上位機(jī)即時(shí)讀取變頻器40002—40005單元數(shù)值，這4個(gè)寄存器中數(shù)值為變頻器的輸出頻率、電壓、電流、功率數(shù)值；當(dāng)要對(duì)沖渣泵速度進(jìn)行調(diào)整時(shí)，可以隨時(shí)修改40 066單元中數(shù)值來(lái)達(dá)到調(diào)速目的。

　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況要求，監(jiān)控程序要能識(shí)別1個(gè)開關(guān)量信號(hào)，并根據(jù)此信號(hào)自動(dòng)修改2臺(tái)變頻器頻率，同時(shí)在當(dāng)前信號(hào)下，能對(duì)此設(shè)定頻率進(jìn)行微調(diào)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，把前1s開關(guān)量信號(hào)寫入INI文件中并即時(shí)比較，當(dāng)信號(hào)改變時(shí)，從INI文件中分別讀取不同的頻率設(shè)定值，同時(shí)在人機(jī)界面上還可以修改此INI文件中2臺(tái)變頻器的不同頻率設(shè)置值。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　目前整個(gè)沖渣泵變頻調(diào)速系統(tǒng)已在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)行，400kW電機(jī)工頻運(yùn)行耗電量為396kW．h，變頻后的耗電量為179．9kW．h。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，完美無(wú)諧波變頻器在該鋼鐵廠沖渣泵上的應(yīng)用，大大節(jié)省了電能，大量降低了能耗，取得明顯的節(jié)能效果。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)大大的簡(jiǎn)化了操作人員的使用難度，同時(shí)能實(shí)時(shí)監(jiān)控變頻器和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，提聲生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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