今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道 摘要：本文詳細介紹了變頻系統、現場總線和SIEMENS PLC 在三鋼礦山氣燒窯的應用，說明了PLC和變頻DP控制的原理，并分析了在調試過程中碰到的問題。
關鍵詞：變頻器；PLC；PROFIBUS-DP
Abstract: This article introduces the systematical application of the converter, field bus and SIEMENS PLC in the SanGang Mine gas kiln, explains the principles of the PLC and DP control; analyzes some diffcuilt problems encountered in debugging.
key words: Convertor; PLC; PROFIBUS-DP
1 概述
在鋼鐵企業中，石灰窯產出的石灰一般供煉鋼和燒結使用。氣燒石灰窯是用氣體燃料燒制石灰的爐窯，具有能充分利用鋼鐵企業的煤氣資源，減少環境污染，可方便實現窯爐煅燒控制的優點，因此在鋼鐵企業得到廣泛應用。
福建三鋼集團礦山公司在不同時期先后建有氣燒石灰豎窯五座，并同步建有數據采集監控系統，已完成風氣流量數據監控采集。各窯入一次風、二次風風機、爐煤氣加壓機均已采用變頻調速控制，由人工根據窯況手動調節風機速度來調控入爐風量、煤氣量，共有鼓風風機16臺，煤氣加壓風機3臺（供五座爐，兩用一備）,均分散在不同區域（煤氣加壓站一處，風機房三處）。由于建設時期不同，各風機變頻器有施耐德ATV68、ABBACS800及明電舍VT210S、VT230S等多種型號和規格。
氣燒生產要求入爐空氣、煤氣穩定，風氣配比視氣源不同保持定值。由于煤氣管網壓力經常波動，爐況也常有變化，因此為保證氣燒窯的生產及石灰的質量，確保入爐空氣、煤氣穩定，必須實時進行流量調節，單純依靠人工手動調控，效果很難保證，同時因機房分處各地，為完成風機起停和調節控制，無形之中還增加了許多崗位定員。為改進調節效果、減少崗位定員，決定在現有軟、硬件的基礎上，增設一套S7-300 PLC風氣自動調節控制系統，運用Profibus現場總線來完成五座窯的風氣流量等數據采集，承擔風機起停控制及主、備用切換，煤氣、空氣流量及配比自動調節控制任務。根據生產工藝要求，操作員站輸入入爐煤氣量，一次、二次風量，系統從控制風機、加壓機運行入手，建立閉環控制系統，分別去控制不同風機變頻器，使入爐空氣與煤氣按指定量與比例配入（風氣流量均采用PID調節）。
2 控制系統組成與功能
（1）控制系統架構
PLC采用S7-300系統，CPU為6ES7 315-2AG10-0AB0，采用Profibus現場總線實行遠距離信號傳送與控制的方式。采用現場總線的綜合考慮是，其適合分散布置，改造施工靈活方便，其防護等級IP67系列產品較適合石灰窯多粉塵的工況，系統運行穩定性高。操作員站采用研華工控機PIV2.66 80GB, Windows NT操作系統。控制系統通過5個獨立的PROFIBUS-DP網絡（其中加壓機房、風機房4處），來分別采集各窯煤氣、空氣流量和實現對中控室設備、1＃2＃窯風機房設備、3＃窯風機房設備、4＃5＃窯風機房設備、煤氣加壓站設備狀態采集與控制。各個PROFIBUS-DP網絡與主PLC的連接是通過西門子專用的處理器CP342-5來完成的，CP342-5的獨立CPU可以使主PLC的通訊處理量大幅度降低。變頻器的數據采集與指令下達是通過PROFIBUS-DP完成的，通過PROFIBUS-DP和CP312-5，變頻器可以與PLC之間完成讀寫操作與控制。
（2）控制方式
變頻器起停控制通過WinCC人機對話界面實現操作控制；設計各窯流量調節設置總界面，由操作員根據各窯工況設定各參數，通過PLC系統實現流量自動檢測調節與控制。
其中風機速度給定除了自動模式外，還保留了手動模式，其實現比較復雜，分為如下幾種情況：
1：當“總線/硬線”控制選擇為“硬線”，且“電位/電流”選擇為“電位”，此時，變頻器速度給定值取決于“變頻器給定電位器”，由人工旋轉調節電位器來控制風機速度。
2：當“總線/硬線”控制選擇為“硬線”，且“電位/電流”選擇為“電流”，此時，變頻器速度給定值由PLC系統給定AI通道信號的大小來控制，運行頻率直接由操作界面輸入。
3：當“總線/硬線”控制選擇為“總線”此時，變頻器速度給定值取決于總線運算得出的速度設定值。
在第2和第3種情況下，系統又有“自動”和“手動”的分別。
在“手動”情況下，操作員在WinCC畫面上輸入變頻器的設定頻率，則變頻器按照操作員設定的頻率進行速度給定。
在“自動”情況下，操作員在WinCC上輸入流量設定值，系統根據實測流量進行PID運算，并最終運算出變頻器的速度給定值，來實現對風機速度的實時調節控制。在“自動”情況下，系統還建立了風機的自動識別，PID的運算對連接至相應管道且處于運行狀態的變頻器有效。
由于煤氣加壓機采用一機對多窯的供氣模式，因此各窯入爐煤氣量還采用單窯煤氣儀表閥來進行輔助控制調節。
（3）PROFUBUS-DP實現
因為在本系統中用到了施耐德、ABB、明電舍等幾種品牌的變頻器，系統能否正常運行，實現準確控制，除控制系統外，很重要一項工作在于各種變頻器的參數設置及調試，在此以ABB變頻器為例說明。
ABB的RPBA-01 PROFIBUS通訊適配器支持下列PROFIBUS 通訊速率 ： 9.6 Kbit/s、 19.2 Kbit/s、45.45 Kbit/s、 93.75 Kbit/s、187.5 Kbit/s、 500 Kbit/s、 1.5 Mbit/s、 3Mbit/s、 6 Mbit/s、 12 Mbit/s。
RPBA-01 能自動檢測所使用的通訊速率和PPO 類型。
在STEP7的硬件組態中加入ABB變頻器PROFIBUS通訊適配器的GSD文件，選擇ABB DRIVES RPBA-01設備。
然后進行組態，選擇PPO4（PZD 6 WORDS IN/OUT）通訊類型，如圖1所示。
圖1
定義PROFIBUS地址；
在參數分配中，將操作模式選為PROFIDRIVE，如圖2所示。
圖2
硬件系統配置圖如圖3所示：
圖3
I/O的定義如下：
① CW（16位控制字）
輸入0000 0100 0111 1111（1151）啟動變頻器；
輸入0000 0100 0111 1110（1150）停止變頻器；
輸入0000 0100 1111 1110（1278）復位變頻器。
② SW（16位狀態字）
第4位如果為1則表示有故障；
第8位如果為1則表示有警告；
第10位如果為0則表示變頻器處于本地控制模式。
③ REF（轉速設定）
16進制，0-4000表示0-50Hz，-4000表示-50Hz，反轉信號在此給出。
④ ACT（實際轉速）
16進制，0-4000表示正轉0-50Hz，-4000表示反轉50Hz。
⑤ PZD3—6 IN（16位WORD）：
通過在變頻器中的相應設置，可以讀出變頻器的輸出電壓、輸出電流和轉矩等相關參數。
下面列舉部分控制程序，以供大家參考：
① 各變頻速度給定方式判定（程序以1#加壓機為例，其他如一次風、二次風等變頻程序邏輯一致）
② 自動/手動控制判斷條件（程序以1#一次風(即側風)為例，其他類似）
③ 煤氣流量采集及轉換（程序以1#窯煤氣為例，流量數據采集后，要參與運算以及在主畫面顯示，所以必須進行處理）
ACS800變頻與PROFIBUS-DP通訊相關的參數設置見表1：
表1
在參數設置完后，51.27需要REFRESH刷新一下，以保證所設參數以正常寫入，待其變為Done時，則通訊參數設置已完成。
3 調試中遇到的問題及解決方法
調試時遇到許多大大小小的問題，下面列舉兩例，以供參考：
（1） 給定無法實現無擾切換問題
在進行設備投入試驗時，當把1＃一次風由電位控制轉為電流控制時，變頻器的速度應該跟隨在電位時的設定值，但實際上變頻器的頻率卻會不停下降，頻率給定沒有跟隨電位時的設定值，檢查程序 “ PID調節器_1_OUT”以及MD498值相等，與MW500比較兩者值不同，問題就出在此處。經檢查發現MD498在多次調用及數據類型轉換發生的問題，把后面兩個MD498更換新的地址后正常。
（2）WinCC畫面顯示頻率和現場顯示值不一致問題
在調試過程中，明電舍的4臺變頻器在操作臺上顯示的頻率值和PLC給出的值始終不同，通過給定不同的值發現有一定的比例關系，經測量PLC輸出模塊到變頻器AI端子的電流值，和給定是完全一致的，這說明是和變頻器輸出時產生了變化。查明電舍VT230SE的AO輸出的參數，發現C組參數C14-0 FM輸出增益值為1.14，原來是在變頻器最初調試時為了使顯示儀表顯示值和實際值相同，所做的調整而引起的。
4 小結
本套系統投入后運行穩定，大大減輕了操作工的工作強度，節約了崗位定員，同時風量和煤氣流量的實時調控保證了生產的穩定高效運行，提高了產品的質量；PROFIBUS-DP通訊模式的應用，使得現場硬線節點大量減少，降低了故障點，增加了系統的穩定性，值得推廣。
參考文獻：
[1] 張燕賓. 變頻調速應用實踐[M]. 北京: 機械工業出版社, 2000.
作者簡介
黃千敏（1972-），現任福建三鋼集團礦山公司設備科科長，先后參加了破碎篩分系統改造，3#氣燒窯建設，主持完成4#、5＃氣燒窯項目、巖前普立窯項目的電氣、儀表、自動化的設計工作，雙膛窯項目建設，負責氣燒窯風氣自動調節控制系統項目。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號