摘要：本文詳細介紹了變頻系統、現場(chǎng)總線(xiàn)和SIEMENS PLC 在三鋼礦山氣燒窯的應用，說(shuō)明了PLC和變頻DP控制的原理，并分析了在調試過(guò)程中碰到的問(wèn)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(shí)現窯爐煅燒控制的優(yōu)點(diǎn)，因此在鋼鐵企業(yè)得到廣泛應用。

    福建三鋼集團礦山公司在不同時(shí)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(fēng)氣流量數據監控采集。各窯入一次風(fēng)、二次風(fēng)風(fēng)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(dòng)調節風(fēng)機速度來(lái)調控入爐風(fēng)量、煤氣量，共有鼓風(fēng)風(fēng)機16臺，煤氣加壓風(fēng)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(fēng)機房三處）。由于建設時(shí)期不同，各風(fēng)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(chǎn)要求入爐空氣、煤氣穩定，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(dòng)，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、煤氣穩定，必須實(shí)時(shí)進(jìn)行流量調節，單純依靠人工手動(dòng)調控，效果很難保證，同時(shí)因機房分處各地，為完成風(fēng)機起停和調節控制，無(wú)形之中還增加了許多崗位定員。為改進(jìn)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(fēng)氣自動(dòng)調節控制系統，運用Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)完成五座窯的風(fēng)氣流量等數據采集，承擔風(fēng)機起?？刂萍爸?、備用切換，煤氣、空氣流量及配比自動(dòng)調節控制任務(wù)。根據生產(chǎn)工藝要求，操作員站輸入入爐煤氣量，一次、二次風(fēng)量，系統從控制風(fēng)機、加壓機運行入手，建立閉環(huán)控制系統，分別去控制不同風(fēng)機變頻器，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(chǎng)總線(xiàn)實(shí)行遠距離信號傳送與控制的方式。采用現場(chǎng)總線(xiàn)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(chǎn)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?？刂葡到y通過(guò)5個(gè)獨立的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )（其中加壓機房、風(fēng)機房4處），來(lái)分別采集各窯煤氣、空氣流量和實(shí)現對中控室設備、1＃2＃窯風(fēng)機房設備、3＃窯風(fēng)機房設備、4＃5＃窯風(fēng)機房設備、煤氣加壓站設備狀態(tài)采集與控制。各個(gè)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )與主PLC的連接是通過(guò)西門(mén)子專(zhuān)用的處理器CP342-5來(lái)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(guò)PROFIBUS-DP完成的，通過(guò)PROFIBUS-DP和CP312-5，變頻器可以與PLC之間完成讀寫(xiě)操作與控制。

    （2）控制方式

    變頻器起?？刂仆ㄟ^(guò)WinCC人機對話(huà)界面實(shí)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(guò)PLC系統實(shí)現流量自動(dòng)檢測調節與控制。

    其中風(fēng)機速度給定除了自動(dòng)模式外，還保留了手動(dòng)模式，其實(shí)現比較復雜，分為如下幾種情況：

    1：當“總線(xiàn)/硬線(xiàn)”控制選擇為“硬線(xiàn)”，且“電位/電流”選擇為“電位”，此時(shí)，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(lái)控制風(fēng)機速度。

    2：當“總線(xiàn)/硬線(xiàn)”控制選擇為“硬線(xiàn)”，且“電位/電流”選擇為“電流”，此時(shí)，變頻器速度給定值由PLC系統給定AI通道信號的大小來(lái)控制，運行頻率直接由操作界面輸入。

    3：當“總線(xiàn)/硬線(xiàn)”控制選擇為“總線(xiàn)”此時(shí)，變頻器速度給定值取決于總線(xiàn)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(dòng)”和“手動(dòng)”的分別。

    在“手動(dòng)”情況下，操作員在WinCC畫(huà)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(jìn)行速度給定。

    在“自動(dòng)”情況下，操作員在WinCC上輸入流量設定值，系統根據實(shí)測流量進(jìn)行PID運算，并最終運算出變頻器的速度給定值，來(lái)實(shí)現對風(fēng)機速度的實(shí)時(shí)調節控制。在“自動(dòng)”情況下，系統還建立了風(fēng)機的自動(dòng)識別，PID的運算對連接至相應管道且處于運行狀態(tài)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(lái)進(jìn)行輔助控制調節。

    （3）PROFUBUS-DP實(shí)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(shí)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(shuō)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(dòng)檢測所使用的通訊速率和PPO 類(lèi)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設備。

    然后進(jìn)行組態(tài)，選擇PPO4（PZD 6 WORDS IN/OUT）通訊類(lèi)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(dòng)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(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（轉速設定）
    16進(jìn)制，0-4000表示0-50Hz，-4000表示-50Hz，反轉信號在此給出。
    ④ ACT（實(shí)際轉速）
    16進(jìn)制，0-4000表示正轉0-50Hz，-4000表示反轉50Hz。
    ⑤ PZD3—6 IN（16位WORD）：
    通過(guò)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(guān)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(fēng)、二次風(fēng)等變頻程序邏輯一致）

             

    ② 自動(dòng)/手動(dòng)控制判斷條件（程序以1#一次風(fēng)(即側風(fēng))為例，其他類(lèi)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(huà)面顯示，所以必須進(jìn)行處理）

               
                 
                 

    ACS800變頻與PROFIBUS-DP通訊相關(guān)的參數設置見(jiàn)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(xiě)入，待其變?yōu)镈one時(shí)，則通訊參數設置已完成。

    3　調試中遇到的問(wèn)題及解決方法

    調試時(shí)遇到許多大大小小的問(wèn)題，下面列舉兩例，以供參考：

    （1） 給定無(wú)法實(shí)現無(wú)擾切換問(wèn)題

    在進(jìn)行設備投入試驗時(shí)，當把1＃一次風(fēng)由電位控制轉為電流控制時(shí)，變頻器的速度應該跟隨在電位時(shí)的設定值，但實(shí)際上變頻器的頻率卻會(huì )不停下降，頻率給定沒(méi)有跟隨電位時(shí)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(wèn)題就出在此處。經(jīng)檢查發(fā)現MD498在多次調用及數據類(lèi)型轉換發(fā)生的問(wèn)題，把后面兩個(gè)MD498更換新的地址后正常。

    （2）WinCC畫(huà)面顯示頻率和現場(chǎng)顯示值不一致問(wèn)題

    在調試過(guò)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(guò)給定不同的值發(fā)現有一定的比例關(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(shuō)明是和變頻器輸出時(shí)產(chǎn)生了變化。查明電舍VT230SE的AO輸出的參數，發(fā)現C組參數C14-0 FM輸出增益值為1.14，原來(lái)是在變頻器最初調試時(shí)為了使顯示儀表顯示值和實(shí)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(shí)風(fēng)量和煤氣流量的實(shí)時(shí)調控保證了生產(chǎn)的穩定高效運行，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量；PROFIBUS-DP通訊模式的應用，使得現場(chǎng)硬線(xiàn)節點(diǎn)大量減少，降低了故障點(diǎn)，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(shí)踐[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2000.

    作者簡(jiǎn)介

    黃千敏（1972-），現任福建三鋼集團礦山公司設備科科長(cháng)，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(dòng)化的設計工作，雙膛窯項目建設，負責氣燒窯風(fēng)氣自動(dòng)調節控制系統項目。