摘要：本文詳細(xì)介紹了變頻系統(tǒng)、現(xiàn)場總線和SIEMENS PLC 在三鋼礦山氣燒窯的應(yīng)用，說明了PLC和變頻DP控制的原理，并分析了在調(diào)試過程中碰到的問題。

    關(guān)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(yè)中，石灰窯產(chǎn)出的石灰一般供煉鋼和燒結(jié)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(yè)的煤氣資源，減少環(huán)境污染，可方便實現(xiàn)窯爐煅燒控制的優(yōu)點(diǎn)，因此在鋼鐵企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

    福建三鋼集團(tuán)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(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，已完成風(fēng)氣流量數(shù)據(jù)監(jiān)控采集。各窯入一次風(fēng)、二次風(fēng)風(fēng)機(jī)、爐煤氣加壓機(jī)均已采用變頻調(diào)速控制，由人工根據(jù)窯況手動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)速度來調(diào)控入爐風(fēng)量、煤氣量，共有鼓風(fēng)風(fēng)機(jī)16臺，煤氣加壓風(fēng)機(jī)3臺（供五座爐，兩用一備）,均分散在不同區(qū)域（煤氣加壓站一處，風(fēng)機(jī)房三處）。由于建設(shè)時期不同，各風(fēng)機(jī)變頻器有施耐德ATV68、ABBACS800及明電舍VT210S、VT230S等多種型號和規(guī)格。

    氣燒生產(chǎn)要求入爐空氣、煤氣穩(wěn)定，風(fēng)氣配比視氣源不同保持定值。由于煤氣管網(wǎng)壓力經(jīng)常波動，爐況也常有變化，因此為保證氣燒窯的生產(chǎn)及石灰的質(zhì)量，確保入爐空氣、煤氣穩(wěn)定，必須實時進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，單純依靠人工手動調(diào)控，效果很難保證，同時因機(jī)房分處各地，為完成風(fēng)機(jī)起停和調(diào)節(jié)控制，無形之中還增加了許多崗位定員。為改進(jìn)調(diào)節(jié)效果、減少崗位定員，決定在現(xiàn)有軟、硬件的基礎(chǔ)上，增設(shè)一套S7-300 PLC風(fēng)氣自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，運(yùn)用Profibus現(xiàn)場總線來完成五座窯的風(fēng)氣流量等數(shù)據(jù)采集，承擔(dān)風(fēng)機(jī)起停控制及主、備用切換，煤氣、空氣流量及配比自動調(diào)節(jié)控制任務(wù)。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，操作員站輸入入爐煤氣量，一次、二次風(fēng)量，系統(tǒng)從控制風(fēng)機(jī)、加壓機(jī)運(yùn)行入手，建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，分別去控制不同風(fēng)機(jī)變頻器，使入爐空氣與煤氣按指定量與比例配入（風(fēng)氣流量均采用PID調(diào)節(jié)）。

    2　控制系統(tǒng)組成與功能

    （1）控制系統(tǒng)架構(gòu)

    PLC采用S7-300系統(tǒng)，CPU為6ES7 315-2AG10-0AB0，采用Profibus現(xiàn)場總線實行遠(yuǎn)距離信號傳送與控制的方式。采用現(xiàn)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(hù)等級IP67系列產(chǎn)品較適合石灰窯多粉塵的工況，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性高。操作員站采用研華工控機(jī)PIV2.66 80GB, Windows NT操作系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過5個獨(dú)立的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)（其中加壓機(jī)房、風(fēng)機(jī)房4處），來分別采集各窯煤氣、空氣流量和實現(xiàn)對中控室設(shè)備、1＃2＃窯風(fēng)機(jī)房設(shè)備、3＃窯風(fēng)機(jī)房設(shè)備、4＃5＃窯風(fēng)機(jī)房設(shè)備、煤氣加壓站設(shè)備狀態(tài)采集與控制。各個PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)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(dú)立CPU可以使主PLC的通訊處理量大幅度降低。變頻器的數(shù)據(jù)采集與指令下達(dá)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(jī)對話界面實現(xiàn)操作控制；設(shè)計各窯流量調(diào)節(jié)設(shè)置總界面，由操作員根據(jù)各窯工況設(shè)定各參數(shù)，通過PLC系統(tǒng)實現(xiàn)流量自動檢測調(diào)節(jié)與控制。

    其中風(fēng)機(jī)速度給定除了自動模式外，還保留了手動模式，其實現(xiàn)比較復(fù)雜，分為如下幾種情況：

    1：當(dāng)“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(zhuǎn)調(diào)節(jié)電位器來控制風(fēng)機(jī)速度。

    2：當(dāng)“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(tǒng)給定AI通道信號的大小來控制，運(yùn)行頻率直接由操作界面輸入。

    3：當(dāng)“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(yùn)算得出的速度設(shè)定值。

    在第2和第3種情況下，系統(tǒng)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(shè)定頻率，則變頻器按照操作員設(shè)定的頻率進(jìn)行速度給定。

    在“自動”情況下，操作員在WinCC上輸入流量設(shè)定值，系統(tǒng)根據(jù)實測流量進(jìn)行PID運(yùn)算，并最終運(yùn)算出變頻器的速度給定值，來實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)速度的實時調(diào)節(jié)控制。在“自動”情況下，系統(tǒng)還建立了風(fēng)機(jī)的自動識別，PID的運(yùn)算對連接至相應(yīng)管道且處于運(yùn)行狀態(tài)的變頻器有效。

    由于煤氣加壓機(jī)采用一機(jī)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(jìn)行輔助控制調(diào)節(jié)。

    （3）PROFUBUS-DP實現(xiàn)

    因為在本系統(tǒng)中用到了施耐德、ABB、明電舍等幾種品牌的變頻器，系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，實現(xiàn)準(zhǔn)確控制，除控制系統(tǒng)外，很重要一項工作在于各種變頻器的參數(shù)設(shè)置及調(diào)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(tài)中加入ABB變頻器PROFIBUS通訊適配器的GSD文件，選擇ABB DRIVES RPBA-01設(shè)備。

    然后進(jìn)行組態(tài)，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(shù)分配中，將操作模式選為PROFIDRIVE，如圖2所示。

                    
                                                 圖2

    硬件系統(tǒng)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(fù)位變頻器。
    ② SW（16位狀態(tài)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(zhuǎn)速設(shè)定）
    16進(jìn)制，0-4000表示0-50Hz，-4000表示-50Hz，反轉(zhuǎn)信號在此給出。
    ④ ACT（實際轉(zhuǎn)速）
    16進(jìn)制，0-4000表示正轉(zhuǎn)0-50Hz，-4000表示反轉(zhuǎn)50Hz。
    ⑤ PZD3—6 IN（16位WORD）：
    通過在變頻器中的相應(yīng)設(shè)置，可以讀出變頻器的輸出電壓、輸出電流和轉(zhuǎn)矩等相關(guān)參數(shù)。
    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(jī)為例，其他如一次風(fēng)、二次風(fēng)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(fēng)(即側(cè)風(fēng))為例，其他類似）

                 

    ③ 煤氣流量采集及轉(zhuǎn)換（程序以1#窯煤氣為例，流量數(shù)據(jù)采集后，要參與運(yùn)算以及在主畫面顯示，所以必須進(jìn)行處理）

               
                 
                 

    ACS800變頻與PROFIBUS-DP通訊相關(guān)的參數(shù)設(shè)置見表1：

                                          表1
                       
         
    在參數(shù)設(shè)置完后，51.27需要REFRESH刷新一下，以保證所設(shè)參數(shù)以正常寫入，待其變?yōu)镈one時，則通訊參數(shù)設(shè)置已完成。

    3　調(diào)試中遇到的問題及解決方法

    調(diào)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(xiàn)無擾切換問題

    在進(jìn)行設(shè)備投入試驗時，當(dāng)把1＃一次風(fēng)由電位控制轉(zhuǎn)為電流控制時，變頻器的速度應(yīng)該跟隨在電位時的設(shè)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(shè)定值，檢查程序 “ PID調(diào)節(jié)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(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)MD498在多次調(diào)用及數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換發(fā)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(xiàn)場顯示值不一致問題

    在調(diào)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(fā)現(xiàn)有一定的比例關(guān)系，經(jīng)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(chǎn)生了變化。查明電舍VT230SE的AO輸出的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)C組參數(shù)C14-0 FM輸出增益值為1.14，原來是在變頻器最初調(diào)試時為了使顯示儀表顯示值和實際值相同，所做的調(diào)整而引起的。

    4　小結(jié)

    本套系統(tǒng)投入后運(yùn)行穩(wěn)定，大大減輕了操作工的工作強(qiáng)度，節(jié)約了崗位定員，同時風(fēng)量和煤氣流量的實時調(diào)控保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定高效運(yùn)行，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量；PROFIBUS-DP通訊模式的應(yīng)用，使得現(xiàn)場硬線節(jié)點(diǎn)大量減少，降低了故障點(diǎn)，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，值得推廣。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] 張燕賓. 變頻調(diào)速應(yīng)用實踐[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

    作者簡介

    黃千敏（1972-），現(xiàn)任福建三鋼集團(tuán)礦山公司設(shè)備科科長，先后參加了破碎篩分系統(tǒng)改造，3#氣燒窯建設(shè)，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(shè)計工作，雙膛窯項目建設(shè)，負(fù)責(zé)氣燒窯風(fēng)氣自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)項目。