西門子S120控制單元6SL3055-0AA00-5BA1

單機額定功率75kW，一開一備運行方式，而在實際生產(chǎn)中只需大約45kW輸出功率。壓縮機在低于額定工況下運轉(zhuǎn)，負(fù)載率較低，而且其風(fēng)壓與流量大小要靠手動閥調(diào)節(jié)，操作困難，也浪費大量電能。為此，考慮采用變頻調(diào)速技術(shù)進行改造，用PLC實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)和各種控制功能。運行實踐證明，該方案穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟效果明顯。
　　
一 工藝要求
　　
(1)正常生產(chǎn)過程中，2臺壓縮機應(yīng)至少有1臺運行，即使在相互切換時，也不允許發(fā)生兩臺機器全部停止的現(xiàn)象。

(2)保持壓縮機出口壓力在預(yù)定值上。

(3)能實現(xiàn)對壓縮機運行狀態(tài)進行分析，以實現(xiàn)預(yù)測性檢修。
　　
二 系統(tǒng)控制原理
　　
(1)工藝專業(yè)設(shè)定壓縮機管網(wǎng)正常出口壓力為P1，而現(xiàn)場實際測定壓力為P2，根據(jù)ΔP(=P2-P1)值大小由PLC內(nèi)PID功能模塊進行PID運算，控制變頻器來改變電動機轉(zhuǎn)速，達到所要求的壓力。當(dāng)ΔP＞0時，現(xiàn)場壓力偏高，則提高變頻器輸出頻率，使電動機轉(zhuǎn)速加快，提高實際風(fēng)壓；當(dāng)ΔP＜0時，現(xiàn)場壓力偏低，則使轉(zhuǎn)速降低，ΔP減小。這樣不斷調(diào)整，使ΔP趨于0，現(xiàn)場實際壓力在設(shè)定壓力附近波動，保證壓力穩(wěn)定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。




(2)壓縮機長期運行，造成各部件間隙變大，這樣引起的振動會越來越大，容易造成壓縮機各部件的損壞。由PLC對現(xiàn)場振動情況進行判斷分析，可提前對壓縮機進行計劃性維護保養(yǎng)，這樣可大大延長設(shè)備的使用壽命，提高設(shè)備運行可靠性，減少設(shè)備故障引起的非計劃性停車。
　　
三 設(shè)計方案
　　
該方案主要由1臺Siemens ECO1-7500/3變頻器、1臺S7-200型PLC(CPU215/216，配套EM235擴展模塊)以及接觸器、操作按鈕、1臺現(xiàn)場壓力變送器和2臺振動測量裝置(振動變送器)組成，用PLC實現(xiàn)壓縮機出口壓力單回路閉環(huán)PID控制以及壓縮機起動、停止、切換、故障處理等各種電氣控制功能，由振動變送器對壓縮機狀態(tài)進行監(jiān)控分析，以實現(xiàn)預(yù)測性維護維修。主回路如圖2。





(1)PID運算功能的實現(xiàn)
S7-200系列中CPU215/216具有32位浮點運算指令和內(nèi)置PID調(diào)節(jié)運算指令等特殊功能。使用時，只需在PLC內(nèi)存中填寫1張PID控制參數(shù)表(見下表)，再執(zhí)行指令：PID TABLE, LOOP，即可完成PID運算。其中操作數(shù)TABLE使用變量存儲器VBx，用來指明控制環(huán)的起始地址；操作數(shù)LOOP是控制環(huán)號(常數(shù)，0～7)。編號為2、4、5、6、7的參數(shù)固定不變，可在PLC主程序中設(shè)定；編號為1、3、8、9的參數(shù)具有實時性，須在調(diào)用PID指令時填入。


　

　　
由于S7-200輸入和輸出為開關(guān)量，而變頻器、壓力變送器和振動變送器的信號為模擬量，因此EM235模塊要實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。一個EM235模塊可同時擴展3路模擬量輸入通道(接1路壓力信號，2路振動信號)和1路模擬量輸出通道(接至變頻器)。
　　
(2)起動
M1和M2各有兩種起動方式，可通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇變頻/工頻起動方式。
　　
(3)運行
正常情況下，電動機M1處于變頻調(diào)速狀態(tài)，電動機M2處于停機備用狀態(tài)?，F(xiàn)場壓力變送器檢測管網(wǎng)出口壓力(4～20mA模擬量信號)，并與預(yù)定值相比較，經(jīng)PLC內(nèi)部專用PID指令進行運算，得到變頻器所需頻率信號，自動調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，達到所需管網(wǎng)壓力。
　　
(4)停止
按下“停止按鈕"，PLC控制所有接觸器斷開，變頻器停止工作。
　　
(5)切換
當(dāng)需從電動機M1切換到M2時，接觸器KM2斷開，KM1閉合，此時電動機M1工作在工頻下，在變頻器停止后，KM4閉合，變頻器重新起動，電動機M2在變頻器驅(qū)動下起動；起動后，KM1斷開，電動機M1停止，切換操作結(jié)束。電動機M2切換到M1過程類似。
　　
(6)報警及故障自診斷
通過PLC內(nèi)部程序設(shè)定報警及聯(lián)鎖保護，一旦出現(xiàn)故障立即停止相應(yīng)操作并報警。對于故障自診斷功能，考慮到成本問題，未設(shè)計上位機，只設(shè)置相應(yīng)故障代碼，通過4位數(shù)碼管顯示，使維修人員可根據(jù)故障信息方便查找到故障點。如：(a)壓縮機油壓低、水壓低等故障信號，可由現(xiàn)場防爆電接點壓力表測得，直接送至PLC，由PLC控制實現(xiàn)聲光報警和延時停車；(b)增設(shè)現(xiàn)場振動傳感器，并將信號送至PLC，對壓縮機運行狀況進行顯示和診斷。
　　
四 幾點體會和設(shè)計中應(yīng)注意的問題
　　
(1)采用變頻控制后，實現(xiàn)了壓縮機的軟起動，減小了起動電流對電網(wǎng)的沖擊；節(jié)電效果明顯，1年內(nèi)可回收全部投資。
　　
(2)采用PLC后，組成閉環(huán)自控系統(tǒng)，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，運行更加穩(wěn)定可靠。
　　
(3)變頻器、PLC、接觸器等可安裝在一臺控制柜內(nèi)，可就地或遠(yuǎn)控操作，方式簡單靈活。
　　
(4)系統(tǒng)可擴展性較好。若有多臺壓縮機在變頻/工頻供電方式下運行時，只需將增加信息或信號引至PLC，即可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動控制；若生產(chǎn)需要，本系統(tǒng)也可方便接入DCS或上位機，建立人機界面的監(jiān)控系統(tǒng)等。
　　
(5)預(yù)測性維護檢修可大大延長壓縮機使用壽命，提高可靠性，減少停車損失，降低運行費用。
　　
(6)PLC控制電動機在變頻/工頻供電方式下切換時，須保證各接觸器閉合和斷開順序以及足夠的延時，以防止電動機繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢加載到變頻器的輸出逆變橋上，造成損壞。
　　
(7)PLC須實現(xiàn)KM2和KM4間的互鎖，以防止2臺電動機同時變頻起動，使變頻器因過載而損壞。
　　
(8)因2臺電動機會在短時間內(nèi)分別在工頻和變頻下同時運行，故變頻控制柜的總電源開關(guān)需按2臺電動機負(fù)載量考慮

西門子S120控制單元6SL3055-0AA00-5BA1

在熱軋帶鋼生產(chǎn)中，卷取機的任務(wù)是把從精軋機軋制出的帶鋼卷成鋼卷，并再運送到成品庫中。卷取機能否正常運行及卷取效果的好壞直接關(guān)系到熱軋產(chǎn)品的產(chǎn)量及質(zhì)量。鞍鋼1700卷取機是從1995年改造投產(chǎn)運行的設(shè)備。該控制系統(tǒng)采用的為德國西門子公司研制的SIMADYN—D來完成基礎(chǔ)自動化和傳動系統(tǒng)的控制。卷取工藝流程如圖1

帶鋼經(jīng)過六架精軋機熱連軋以后進人輸層流輥道，待層流冷卻到適當(dāng)溫度進入卷取區(qū)域。首先由導(dǎo)尺進行帶鋼方向定位，然后經(jīng)夾送輥進入卷取機進行卷取。卷成的鋼卷再由卸卷小車送到打捆機打捆，最后由翻鋼機送到到1#運輸鏈。

卷取區(qū)域涉及的自動控制思想如下:

(1)位置控制 導(dǎo)尺的位置控制、夾送輥輥縫控制、助卷輥踏步位置控制、卷筒脹縮控制;

(2)速度控制 夾送輥、助卷輥、卷筒速度控制及帶鋼尾部定位控制;

(3)壓力控制 傳動側(cè)導(dǎo)尺對帶鋼的側(cè)壓力控制、夾送輥壓力控制、助卷輥踏步壓力控制、卸卷小車液壓托力控制;

(4)張力控制 精軋末架軋機和夾送輥之間、夾送輥和卷筒之間帶鋼的恒張力控制;

(5)其他 卸卷小車、翻鋼機、活門、風(fēng)動導(dǎo)板等輔助系統(tǒng)自動控制。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，控制系統(tǒng)包括5套 SIMADYND框架：HB0、HE1、HF1、HE2、HF2，來完成2個卷取機的控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

HE1 控制1#卷取機的液壓系統(tǒng)；

HF1 控制1#卷取機的傳動系統(tǒng)及相關(guān)冷卻水控制、卸卷小車控制、卷筒脹縮控制；

HE2 控制2#卷取機的液壓系統(tǒng)；

HF2 控制2#卷取機的傳動系統(tǒng)及相關(guān)冷卻水控制、卸卷小車控制、卷筒脹縮控制；

HB0 卷取帶鋼跟蹤、1#<span 鏈及步進梁控制。且完成兩臺卷取機的通訊，建立與上位機光纖通訊，上位機采用西門子的<="" span="" style="font-size: 15px;font-family: 宋體">COROS軟件，供操作室監(jiān)控；還完成與SIMOVERT變頻器的PROFIBUS通訊控制制1#鏈動作。

HE1<span 、<="" span="" style="font-size: 15px;font-family: 宋體">HF、HE2、HF2、HB0在現(xiàn)場均設(shè)有ET200，作為SIMADYN——D的遠(yuǎn)程I/O。

3 張力控制原理

張力控制是卷取控制系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，對于卷取成功與否和鋼卷質(zhì)量起著十分關(guān)鍵的作用。整個卷取過程的張力控制是由卷筒電機，張力輥電機來實現(xiàn)。由于現(xiàn)有卷筒電機為直流電機，故根據(jù)直流調(diào)速系統(tǒng)控制原理圖（如圖3 所示），歸納出卷筒電機張力控制思想：

（Ⅰ）當(dāng)卷筒未帶負(fù)荷，或卷筒帶負(fù)荷但帶鋼尾部已過精軋末架架F6時，卷筒電機為速度控制。根據(jù)卷取工藝，此時卷筒速度給定n＊為卷筒實際轉(zhuǎn)速n，即△n≈0，故速度調(diào)節(jié)器ASR起調(diào)節(jié)作用。且Id＊≈Id，電流環(huán)也起調(diào)節(jié)作用，Y1的數(shù)值達不到限幅值LU、LL，故Y=Y1，最終可控硅觸發(fā)角由Y1的大小控制。

（Ⅱ）當(dāng)卷筒帶負(fù)荷，且?guī)т撐膊课催^精軋末架F6時，卷筒電機為張力控制。根據(jù)卷取工藝，此時卷筒速度給定n＊為卷筒實際轉(zhuǎn)速n的120%，即△n﹥﹥0，故速度調(diào)節(jié)器ASR飽和，不起調(diào)節(jié)作用，其輸出Id＊迅速達到最大上限值。由于此時Id＊﹥﹥Id，即△Id﹥﹥0，所以電流調(diào)節(jié)器ACR飽和，Y1的值很大，故此時Y1﹥上限值LU，Y=LU，最終可控硅觸發(fā)角根據(jù)上限值LU的大小進行控制。此時的張力控制即是電流上限值LU的控制。

下面討論卷筒張力控制的數(shù)學(xué)模型：在張力控制過程中，卷筒的力矩主要包括四項，張力力矩Mz、彎曲力矩矩Mb、加速度力矩Ma 、摩擦力矩Mf。

因此，由計算機采集的帶鋼數(shù)據(jù)，根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，可計算出卷筒的力矩矩M，根據(jù)M大小來設(shè)定上限值LU

由于現(xiàn)有張力輥電機也為直流電機，故張力控制思想與卷筒相似，不同之處在于：當(dāng)卷筒帶負(fù)荷時，張力輥速度給定n＊為張力輥實際速度n的80%，這樣最終可控硅觸發(fā)角由下限幅值LL的大小決定，所以此時的張力控制即由電流下限值LL進行控制。 

4 系統(tǒng)軟件

SIMADYN-D控制軟件應(yīng)用全圖形化STRU G編寫。軟件編寫充分考慮系統(tǒng)資源和控制系統(tǒng)實時性要求，合理分配各程序的掃描時間。如PID閉環(huán)回路、速度控制、張力控制均采用循環(huán)周期短的掃描方式，而邏輯控制與聯(lián)鎖保護則采用掃描周期相對較長的方式。由于系統(tǒng)采用多CPU 結(jié)構(gòu)，所以系統(tǒng)具有控制精度高和實時響應(yīng)快的同時，程序量也很大。對于日常維護的人員來說，可以使用ibs軟件進行程序參數(shù)優(yōu)化和對已有程序塊連接的修改。 

5 運行效果評價 

本系統(tǒng)從從1995年投入運行，在2000年經(jīng)歷了一次搬遷改造，至今已有12年。它已經(jīng)順利完成了設(shè)備的功能并滿足了現(xiàn)有熱軋卷取的需要，由此表明該系統(tǒng)具有運行可靠、控制精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點。但是隨著計算機硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，工藝技術(shù)也隨之日新月異，SIMADYN-D計算機已有了它的升級替代產(chǎn)品——SIMATIC TDC。而且TDC可以和廠現(xiàn)有二級模型計算機建立通訊，這無疑對進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的市場競爭力起到明顯的推動作用，同時也會為同行業(yè)其他卷取機控制技術(shù)的不斷改進提供切實有效的參考方案與實踐經(jīng)驗