《自动化博览》

    摘要：本文详细介绍了变频系统、现场总线和SIEMENS PLC 在三钢矿山气烧窑的应用，说明了PLC和变频DP控制的原理，并分析了在调试过程中碰到的问题。

    关键词：变频器；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

    在钢铁企业中，石灰窑产出的石灰一般供炼钢和烧结使用。气烧石灰窑是用气体燃料烧制石灰的炉窑，具有能充分利用钢铁企业的煤气资源，减少环境污染，可方便实现窑炉煅烧控制的优点，因此在钢铁企业得到广泛应用。

    福建三钢集团矿山公司在不同时期先后建有气烧石灰竖窑五座，并同步建有数据采集监控系统，已完成风气流量数据监控采集。各窑入一次风、二次风风机、炉煤气加压机均已采用变频调速控制，由人工根据窑况手动调节风机速度来调控入炉风量、煤气量，共有鼓风风机16台，煤气加压风机3台（供五座炉，两用一备）,均分散在不同区域（煤气加压站一处，风机房三处）。由于建设时期不同，各风机变频器有施耐德ATV68、ABBACS800及明电舍VT210S、VT230S等多种型号和规格。

    气烧生产要求入炉空气、煤气稳定，风气配比视气源不同保持定值。由于煤气管网压力经常波动，炉况也常有变化，因此为保证气烧窑的生产及石灰的质量，确保入炉空气、煤气稳定，必须实时进行流量调节，单纯依靠人工手动调控，效果很难保证，同时因机房分处各地，为完成风机起停和调节控制，无形之中还增加了许多岗位定员。为改进调节效果、减少岗位定员，决定在现有软、硬件的基础上，增设一套S7-300 PLC风气自动调节控制系统，运用Profibus现场总线来完成五座窑的风气流量等数据采集，承担风机起停控制及主、备用切换，煤气、空气流量及配比自动调节控制任务。根据生产工艺要求，操作员站输入入炉煤气量，一次、二次风量，系统从控制风机、加压机运行入手，建立闭环控制系统，分别去控制不同风机变频器，使入炉空气与煤气按指定量与比例配入（风气流量均采用PID调节）。

    2　控制系统组成与功能

    （1）控制系统架构

    PLC采用S7-300系统，CPU为6ES7 315-2AG10-0AB0，采用Profibus现场总线实行远距离信号传送与控制的方式。采用现场总线的综合考虑是，其适合分散布置，改造施工灵活方便，其防护等级IP67系列产品较适合石灰窑多粉尘的工况，系统运行稳定性高。操作员站采用研华工控机PIV2.66 80GB, Windows NT操作系统。控制系统通过5个独立的PROFIBUS-DP网络（其中加压机房、风机房4处），来分别采集各窑煤气、空气流量和实现对中控室设备、1＃2＃窑风机房设备、3＃窑风机房设备、4＃5＃窑风机房设备、煤气加压站设备状态采集与控制。各个PROFIBUS-DP网络与主PLC的连接是通过西门子专用的处理器CP342-5来完成的，CP342-5的独立CPU可以使主PLC的通讯处理量大幅度降低。变频器的数据采集与指令下达是通过PROFIBUS-DP完成的，通过PROFIBUS-DP和CP312-5，变频器可以与PLC之间完成读写操作与控制。

    （2）控制方式

    变频器起停控制通过WinCC人机对话界面实现操作控制；设计各窑流量调节设置总界面，由操作员根据各窑工况设定各参数，通过PLC系统实现流量自动检测调节与控制。

    其中风机速度给定除了自动模式外，还保留了手动模式，其实现比较复杂，分为如下几种情况：

    1：当“总线/硬线”控制选择为“硬线”，且“电位/电流”选择为“电位”，此时，变频器速度给定值取决于“变频器给定电位器”，由人工旋转调节电位器来控制风机速度。

    2：当“总线/硬线”控制选择为“硬线”，且“电位/电流”选择为“电流”，此时，变频器速度给定值由PLC系统给定AI通道信号的大小来控制，运行频率直接由操作界面输入。

    3：当“总线/硬线”控制选择为“总线”此时，变频器速度给定值取决于总线运算得出的速度设定值。

    在第2和第3种情况下，系统又有“自动”和“手动”的分别。

    在“手动”情况下，操作员在WinCC画面上输入变频器的设定频率，则变频器按照操作员设定的频率进行速度给定。

    在“自动”情况下，操作员在WinCC上输入流量设定值，系统根据实测流量进行PID运算，并最终运算出变频器的速度给定值，来实现对风机速度的实时调节控制。在“自动”情况下，系统还建立了风机的自动识别，PID的运算对连接至相应管道且处于运行状态的变频器有效。

    由于煤气加压机采用一机对多窑的供气模式，因此各窑入炉煤气量还采用单窑煤气仪表阀来进行辅助控制调节。

    （3）PROFUBUS-DP实现

    因为在本系统中用到了施耐德、ABB、明电舍等几种品牌的变频器，系统能否正常运行，实现准确控制，除控制系统外，很重要一项工作在于各种变频器的参数设置及调试，在此以ABB变频器为例说明。

    ABB的RPBA-01 PROFIBUS通讯适配器支持下列PROFIBUS 通讯速率 ： 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 能自动检测所使用的通讯速率和PPO 类型。

    在STEP7的硬件组态中加入ABB变频器PROFIBUS通讯适配器的GSD文件，选择ABB DRIVES RPBA-01设备。

    然后进行组态，选择PPO4（PZD 6 WORDS IN/OUT）通讯类型，如图1所示。

                    
                                             图1

    定义PROFIBUS地址；

    在参数分配中，将操作模式选为PROFIDRIVE，如图2所示。

                    
                                                 图2

    硬件系统配置图如图3所示：

                   
                                                图3

    I/O的定义如下：
    ① CW（16位控制字）
    输入0000 0100 0111 1111（1151）启动变频器；
    输入0000 0100 0111 1110（1150）停止变频器；
    输入0000 0100 1111 1110（1278）复位变频器。
    ② SW（16位状态字）
    第4位如果为1则表示有故障；
    第8位如果为1则表示有警告；
    第10位如果为0则表示变频器处于本地控制模式。
    ③ REF（转速设定）
    16进制，0-4000表示0-50Hz，-4000表示-50Hz，反转信号在此给出。
    ④ ACT（实际转速）
    16进制，0-4000表示正转0-50Hz，-4000表示反转50Hz。
    ⑤ PZD3—6 IN（16位WORD）：
    通过在变频器中的相应设置，可以读出变频器的输出电压、输出电流和转矩等相关参数。
    下面列举部分控制程序，以供大家参考：
    ① 各变频速度给定方式判定（程序以1#加压机为例，其他如一次风、二次风等变频程序逻辑一致）

             

    ② 自动/手动控制判断条件（程序以1#一次风(即侧风)为例，其他类似）

                 

    ③ 煤气流量采集及转换（程序以1#窑煤气为例，流量数据采集后，要参与运算以及在主画面显示，所以必须进行处理）

               
                 
                 

    ACS800变频与PROFIBUS-DP通讯相关的参数设置见表1：

                                          表1
                       
         
    在参数设置完后，51.27需要REFRESH刷新一下，以保证所设参数以正常写入，待其变为Done时，则通讯参数设置已完成。

    3　调试中遇到的问题及解决方法

    调试时遇到许多大大小小的问题，下面列举两例，以供参考：

    （1） 给定无法实现无扰切换问题

    在进行设备投入试验时，当把1＃一次风由电位控制转为电流控制时，变频器的速度应该跟随在电位时的设定值，但实际上变频器的频率却会不停下降，频率给定没有跟随电位时的设定值，检查程序 “ PID调节器_1_OUT”以及MD498值相等，与MW500比较两者值不同，问题就出在此处。经检查发现MD498在多次调用及数据类型转换发生的问题，把后面两个MD498更换新的地址后正常。

    （2）WinCC画面显示频率和现场显示值不一致问题

    在调试过程中，明电舍的4台变频器在操作台上显示的频率值和PLC给出的值始终不同，通过给定不同的值发现有一定的比例关系，经测量PLC输出模块到变频器AI端子的电流值，和给定是完全一致的，这说明是和变频器输出时产生了变化。查明电舍VT230SE的AO输出的参数，发现C组参数C14-0 FM输出增益值为1.14，原来是在变频器最初调试时为了使显示仪表显示值和实际值相同，所做的调整而引起的。

    4　小结

    本套系统投入后运行稳定，大大减轻了操作工的工作强度，节约了岗位定员，同时风量和煤气流量的实时调控保证了生产的稳定高效运行，提高了产品的质量；PROFIBUS-DP通讯模式的应用，使得现场硬线节点大量减少，降低了故障点，增加了系统的稳定性，值得推广。

    参考文献：

    [1] 张燕宾. 变频调速应用实践[M]. 北京: 机械工业出版社, 2000.

    作者简介

    黄千敏（1972-），现任福建三钢集团矿山公司设备科科长，先后参加了破碎筛分系统改造，3#气烧窑建设，主持完成4#、5＃气烧窑项目、岩前普立窑项目的电气、仪表、自动化的设计工作，双膛窑项目建设，负责气烧窑风气自动调节控制系统项目。