西門子PLC的工程應用

Column專欄

西門子PLC的工程應用

第5講 西門子PLC與富士高壓變頻器在風機控制中的應用

Application of Siemens PLC and Fujitsu HV-inverter in the Fan Control

大功率風機采用高壓變頻調速能達到比傳統采用調節風門擋板控制風量的方法更為顯著的節電效果，同時在實際運行中采用PPO4的通訊協議還可以使得高壓變頻器與上位機的拓撲結構簡單方便。本文主要闡述了西門子PLC與富士高壓變頻器在風機控制中的應用。

西門子PLC；大功率風機；高壓變頻器

1　概述

大功率風機是工礦企業的主要動力設備，在過去設備選型時往往都留有一定的冗余量，有些選型甚至很保守，冗余量很大。加之風機單一運行，運行效率低下，嚴重浪費能源，因此，做好大功率風機節電尤為重要。變負荷運行的大功率風機采用高壓變頻調速裝置運行后，其節能率一般都在20%以上，節電的潛力很大。

現有某企業#1爐引風機是兩臺雙側布置，變頻改造前引風機的風量調節由人工調節擋板來實現，引風機及其電動機參數如表1所示。

表1　引風機及其電動機參數

根據#1爐目前的實際運行情況，考慮實際負荷情況，經對改造前引風機電機檔板調節情況試驗，確定變頻器額定電流按110~115A左右來選擇。現采用富士高壓變頻器型號為MV4600FM5，其額定電流115A。

為了充分保證系統的可靠性，變頻器同時加裝工頻旁路裝置，變頻器異常時，停止運行，電機可以直接手動切換到工頻下運行。工頻旁路由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3組成（如圖1所示，其中QF為甲方原有高壓開關)。要求QS2不能與QS3同時閉合，在機械上實現互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。

圖1　工、變頻旁路裝置

為了實現變頻器故障的保護，變頻器對6kV開關QF進行聯鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開QF開關。工頻旁路時，變頻器應允許QF開關合閘，撤消對QF開關的跳閘信號，使電機能正常通過QF開關合閘工頻啟動。

變頻調速系統配置上位機，上位機安裝在控制室，通過上位機可以對變頻器進行啟動、停機、調速等控制，并可在上位機上顯示變頻器的運行數據和當前狀態。為了保障調速系統的可靠性，在操作臺配置對變頻器的控制按鈕，也可以對變頻器實施啟動、停機、加速和減速控制，同時通過S7 PLC來遠程控制富士高壓變頻器。

2　S7 PLC與富士變頻器的通訊協議PPO4

PPO是Parameter Process-data Object的簡稱，即參數過程數據對象。它規定了PLC與變頻器等驅動裝置通訊時報文中有效數據的結構，符合PROFIBUS補充協議“variable-speed drives profile”。

圖2所示為PPO通訊類型示意，PKW為參數標識符值，STW為控制字，PZD為過程數據，ZSW為狀態字，PKE為參數標識符，HSW為主設定值，IND為索引，HIW為主實際值，PWE為參數值。

圖2 PPO通訊類型

圖3所示為PPO4協議的示意，6PZD+0PKW，這種方式對于變頻器參數沒有太多要求，比較適合多傳動控制系統或者不同品牌或不同型號變頻器之間的數據交換。同時還可以對PZD區的返回報文進行組態，從而方便對設備運行時的電流及電壓等參數進行監控。

圖3　PPO4協議

正是由于PPO4協議并不對變頻器的參數進行讀寫等操作，使得PROFIBUS-DP協議在很多不同品牌、不同變頻器之間應用變得廣泛起來，比如本案例中的高壓風機富士變頻器MV4600FM5，它支持PPO4協議，即“無PKW領域、PZD領域6Word”。

3　S7 PLC到富士變頻器的通訊

表2所示為S7 PLC到變頻器的通訊數據，其中STW2控制字默認為0，STW1（控制字Word1）的格式與其他變頻器略有所區別，具體如圖4所示。

表2　PLC到富士變頻器的通訊數據

圖4　MV4600FM5的STW1含義

4　富士變頻器到S7 PLC的通訊

表3所示為S7 PLC到富士變頻器的通訊數據，其中ZSW1和ZSW2的含義如圖5、圖6所示。

表3　PLC到富士變頻器的通訊數據

圖5　ZSW1的含義

圖6　ZSW2的含義

5　結束語

為了檢驗高壓風機的變頻器運行效果，分別于變頻器投運前和引風機投變頻后對#1爐引風機電機功率及電源側功率因數進行測試，測試在相同運行方式及相同工況下進行。由實際測量結果可以得出結論：變頻器運行時，引風機電機功率因數平均提高約0.24，節電率為28.9%。

[1] 周柏青, 李方園. PLC控制系統設計與應用[M]. 北京：中國電力出版社, 2015.

[2] 李方園, 楊帆. 西門子S7 PLC應用簡明教程[M]. 北京：機械工業出版社, 2013.

[3] 李方園. 圖解西門子S7 - 1200 PLC入門到實踐[M]. 北京：機械工業出版社, 2011.

The high-power fan with HV-inverter control can achieve the more significant energy-saving effect than the traditional air-volume-damper. At the same time using PPO4 communication protocol in the actual operation also enables the simple and convenient topology between the HV-inverter and the host PLC. This paper describes the application of Siemens PLC and Fujitsu HV inverter in the fan control.

Siemens PLC; High power fan; HV-inverter

李方園（1973-），男，浙江舟山人，高級工程師，畢業于浙江工業大學信息學院工程碩士專業，長期從事于變頻器等現代工控產品的應用與研究工作，現就職于浙江工商職業技術學院。