推拉式酸洗機組電氣控制系統設計

引言：本文介紹了基于變頻技術實現的推拉式酸洗機組電氣控制技術，自動控制系統采用電氣儀表一體化的控制系統，完成整個生產過程的數據采集、順序控制、連續控制等功能。現場操作人員可通過HMI進行人機對話、修改過程參量和改變設備的運行狀態，監視整個生產過程。

一、引言

隨著工業化進程的不斷推進，為了保證生產的可靠性，各種生產機械在設計配用驅動動力是都會留有一定的余量。這樣使得電機在不能滿負荷情況下運行時，超出驅動動力需求外的多余力矩增加了有功功率的消耗，造成了電能的浪費。

本文基于變頻技術在控制系統中的大量應用，結合推拉式酸洗機組的電控設計方案，詳細闡述了變頻技術所帶來巨大的節能效果。

（一）傳動部分

工藝上需要調速的變頻系統采用AC / DC 直流母線 +整流/回饋+逆變器的形式。

（二）自動化部分

整個自動化系統由交流傳動及分布式I/O從站、PLC可編程系統和監控系統（工控機）組成。

網絡系統分為交流傳動裝置和遠程I/O從站與PLC之間采用Profibus-DP網通訊， PLC控制系統與監控系統之間采用以太網通訊。

本機組的自動控制系統采用電氣儀表一體化的控制系統，完成整個生產過程的數據采集、順序控制、連續控制等功能。現場操作人員可通過HMI進行人機對話、修改過程參量和改變設備的運行狀態，監視整個生產過程。

二、電氣傳動系統

（一）概述

為了確保主線工藝設備電氣裝置的先進性和投資使用的合理性，工藝上需要調速的變頻電機采用交流電源+整流/回饋+DC直流母線+逆變器的控制方案。對工藝不需調速的交流電機，采用工頻直接起停方案，交流電機控制中心MCC采用GCS抽屜式控制柜，低壓配電中心PCC采用GGD型固定式開關柜負責對檢修、照明電源等的供電。

（二）整流/回饋設備的組成及功能描述

單元（電源換向）向逆變器的直流母線供電，它不僅由三相交流電源取得電動狀態的能量，而且能將直流母線上的發電狀態能量送回電網。它通過兩個互不相干的晶閘管橋來實現（即由兩個反并聯﹑6脈動晶閘管橋組成），能在兩個方向上有電能流動，能夠將電能送回電網（四象限工作）。

（三）西門子6SE70系列變頻器/逆變器的組成及功能描述

主回路采用交流電源-整流/回饋單元-直流公共母線-逆變器的控制方案。

采用SIEMENS公司生產的6SE70系列交流變頻器。該變頻器基于IGBT技術，用于控制三相異步感應電機，具有很高的動態速度精度和輸出扭矩。標準控制包括很多的標準功能和選項，可覆蓋所有的應用要求。由參數設置選擇各種控制模式：標量控制（V/F），無傳感器矢量控制（開環），磁通矢量控制DFC（閉環）。

該系列產品的應用可使用戶獲得極強的靈活性，控制軟件包括很多的標準功能和選項，增強控制基于微處理器結構，滿足復雜的系統工程應用。

三、自動化系統

（一）自動化系統組成及功能描述

整個自動化系統由交流傳動及分布式I/O從站、PLC可編程系統和監控系統（工控機）組成。整個網絡系統分為交流傳動裝置和遠程I/O從站與PLC之間采用Profibus-DP網通訊。

1、監控系統組成

監控系統由工業控制機硬件和軟件組成。

計算機監控系統采用3臺PⅣ研華工業控機系統軟件采用WIN2000，編程軟件采用STEP7 5.4軟件，監控軟件采用WINCC 6.1組態軟件，與PLC通過以太網進行通訊。

2、監控系統功能描述

監控系統是通過通訊網絡連接，接收和采集有關信息，實現彼此的信息交換，對酸洗生產線和產品進行自動化管理。通過以太網，把酸洗工藝參數設定值和對電氣設備的操作從人機接口傳送到PLC，把各設備的狀態和工藝、電氣參數及故障由PLC收集送到人機接口的菲利普液晶顯示器顯示。

硬件采用三臺高性能工業控制機組成，其中一臺放在電控室，主要完成與PLC的通訊及實時數據處理功能，另外兩臺分別完成開卷、卷取的狀態監控及生產參數的設定。三臺計算機之間構成工業以態網絡，各有分工，加快了數據的處理能力，提高了系統的穩定性。主要功能包括：

（1）酸洗參數的設定；（2）酸洗過程中各設備狀態顯示；（3）電氣參數的動態顯示；（4）酸洗工藝參數的人工調整；（5）電氣設備的一般操作及顯示；（6）完善的趨勢、報警功能和高級圖形界面；（7）在線、離線編程；（8）遠程I/O模塊布局和配置；（9）全漢化的人機監控；（10）故障報警與紀錄；（11）生產報表的生成、存儲及打印等。

3、PLC控制系統功能描述

PLC控制系統主要完成酸洗各工藝功能的控制，PLC控制器可根據需要完成速度設定、張力設定、活套設定、邏輯控制、監測和報警等控制功能。另外，在開卷操作臺、卷取操作臺、開卷液壓站、卷取液壓站、酸循環柜和MCC控制柜分別設有模塊化的I/O從站，以便縮短大量開關量信號線的傳輸長度。

（二）控制系統專有功能描述

1、速度/張力控制

全線電控設備根據不同的操作狀態分別工作于速度系統或張力系統，由PLC控制實現狀態的自動轉換。當全線處于點動或聯動時，相應的傳動裝置以速度方式運行，完成上帶，傳帶，鋼帶張緊等局部功能。

系統的主速度基準分為活套前和活套后兩部分。在未起套前，全線以九輥矯直機為速度基準，在起套后，活套前裝置以九輥矯直機為速度基準，活套后裝置以S張力輥為速度基準。開卷機和卷取機建張后傳動裝置工作于張力系統，其余傳動裝置均工作于速度系統。

2、三輥張力主從電機負荷平衡控制

電機的控制系統閉環模式工作，在S輥主從控制中，主輥完全按照速度環、轉矩環、電流環三環控制，實現的目標是滿足自動化系統給定的速度。

主從負荷平衡的控制主要在從輥上，為了使從輥的轉矩跟隨主輥，我們將從輥的速度給定Vc=K*Vz+Vs ，式中，Vc為從輥速度給定，K為固定比值，Vz為主輥實際速度，Vs為固定常量，在鋼帶的作用下，從輥的實際速度與主輥的實際速度相同，所以從輥的速度給定與速度反饋一直存在偏差，速度環飽和，轉矩限幅起作用，轉矩限幅的大小就是主輥的轉矩反饋，這樣，主輥從輥的負荷達到平衡。

四、結論

本系統論述了推拉式酸洗機組電氣控制系統的設計，經過各種功能測試和應用測試表明：該系統實現了控制系統間各個設備的實時通訊，通過遠程動畫演示、同步通訊，再現了生產線設備工作狀態，提高了人機交互能力。

參考文獻

[1]陳伯時.電氣拖動自動控制系統.北京：北京工業出版社，2009.2.

[2]邱公偉.可編程控制器網絡通信及應用.北京：清華大學出版社，2009.

（作者單位：北方工業大學）