退火窯傳動機構控制系統的設計及實現

李海波++賈海軍++付俊峰

摘 要：本文介紹了主傳動在浮法玻璃退火窯的作用，并通過退火窯主傳動系統設計方案對硬件、軟件的選型、參數設置、程序編制進行了說明。

關鍵詞：退火窯；主傳動；變頻器；同步電機；主從切換；觸摸屏；PLC；MM440；PROFIBUS；DP通訊

主傳動是退火窯的核心，其在整條浮法生產線中的作用也是至關緊要的：一旦主傳動停止運行，整條浮法線的生產將中斷。因此，在退火窯主傳動設計時要充分考慮它的可靠性和連續性。

系統設計方案：

為保證主傳動的安全運行，在設計上采用了兩套獨立的變速傳動系統。它們由一套PLC和觸摸屏組成的自動控制系統進行綜合管理。正常運行情況下，由PLC進行控制：主傳動站以操作人員設定的線速度帶動輥子運轉，從傳動站以設定速度的95%運轉。在主傳動站發生故障時，PLC將設定的速度傳給從傳動站，使其以原主傳動站的速度繼續拖動棍子旋轉，同時發出警報提示，等待維修人員處理。在PLC控制系統故障時，可以轉入手動控制：在需要對傳動站進行切換時，操作人員在變頻器操作鍵盤上將從傳動站速度升高至設定速度，然后降低原主傳動站的速度即可。

1、硬件選型：

1.1產品選型

從系統可靠性、調速的精確性以及成本等多方面考慮，我們選擇了西門子TP177A觸摸屏+S7 313C-2DP的PLC+2臺MM440變頻器+2臺三相永磁同步電動機來實現系統功能。

在WINCC flexible環境下編制完程序并調試無誤后，經下載、重新上電啟動，TP177A觸摸屏連帶程序就可長時間穩定運行。S7 313C-2DP PLC含有兩個通訊端口和集成的I/O端子，即可滿足系統要求，又降低了系統的成本。我們選用了2臺37KW的MM440變頻器：其具有高性能的矢量控制技術、低速高轉矩輸出、良好的動態特性、超強的過載能力、創新的BiCo功能以及無可比擬的靈活性。同步電機的特點是：穩態運行時，轉子的轉速和電網頻率之間有不變的關系n=ns=60f/p，ns成為同步轉速。若電網的頻率不變，則穩態時同步電機的轉速恒為常數，而與負載的大小無關。當變頻器拖動同步電機時，同步電機將則以變頻器輸出的頻率穩定運行，不存在轉差頻率，提高了系統調速的精確性。

1.2組件連接

在S7 313C-2DP PLC的 CPU模塊上集成有MPI/DP和DP接口，MPI/DP接口安裝的DP頭為雙端口的DP接頭，可在系統工作的同時上載、下傳PLC程序和觸摸屏程序，方便了系統調試和以后的維護。DP接口通過DP頭和兩個變頻器的DP通訊卡進行連接，實現PLC和變頻器之間使用PROFIBUS-DP協議的通訊。MM440有六個數字量輸入點，這里只用了兩個：一個用于自動/手動切換，一個用于啟動/停止切換。MM440變頻器有兩個數字量輸出點，用于變頻器運行、故障信號的反饋。每個輸出點通過中間繼電器擴展為兩個常開輸出點，一個和控制柜上的信號燈串聯連接，用于指示傳動站和變頻器的實時狀態；另一個和PLC輸入點連接，用做主從切換判斷的依據。

2、軟件編制及實現

在軟件編制上，主要包括觸摸屏程序編制、PLC程序編制、變頻器參數設置三大塊。其中PLC程序的編制在三者中是核心。

2.1 PLC程序編制

根據系統的設計，PLC將完成以下三個功能：線速度到變頻器給定頻率轉化、變頻器和PLC的通訊、主從切換。

變頻器與PLC的通訊采用周期性通訊的PPO1報文格式，這種報文格式由4個字的PKW（參數數值區）和2個字的PZD（過程數值區）。參數數值區用于修改和讀取變頻器的參數，過程數據區第一個PZD字用于啟動、停止、復位變頻器，第二個字用于修改和讀取變頻器的輸出頻率。在編程時，建立一個共享的數據塊DB1，然后在數據塊內插入參數PZD1_W、PZD1_R、PZD2_W、PZD2_R四個字分別用于主從變頻器輸出頻率的修改和讀取。在編程時，使用SFC14（讀取參數）和SFC15（修改參數）。

當主變頻器運行停止時，從變頻器要能夠立即切換到100%設定頻率輸出。為了實現上述功能，這里需要將每個變頻器故障信號（常開）、運行信號（常開）取反后進行或邏輯運算作為停止標志位。如果主變頻器停止標志位為1，則將設定速度直接輸送從變頻器，讓從變頻器帶動棍子以原速度旋轉。原主變頻器發出停車報警信號等待處理。如果從變頻器故障，主變頻器仍以設定頻率輸出。

2.2變頻器設置

變頻器的啟動/停止、自動/手動切換由變頻柜上的兩個切換開關來實現。這樣不僅可以簡化PLC編程，還可實現故障復位后捕捉再啟動。為了防止因干擾等原因引起的誤報警導致變頻器停機，設置變頻器故障后自動復位一次，如果故障依然存在，則停機；如果故障消除則執行自動捕捉再啟動。

PLC和變頻器之間的通訊采用周期性報文通訊格式PPO1，當意外原因導致通信中斷后，因變頻器沒有得到輸出頻率的具體參數，將不輸出電壓、電流，最終導致電機停止運行。這種情況是我們不愿意見到的。為了防止這種情況的發生，在P2000[0]內輸入70（通訊中斷報警號），P20001[0]輸入0（對于通訊中斷不采取任何措施，變頻器將繼續以通訊中斷前的狀態進行工作）。因系統涉及到自動和手動轉化，將用到西門子變頻器特有的BICO技術。將一個切換旋鈕和一個輸入端子I1進行硬件連接，此端子作為自動手動切換使用（端子功能碼99）。端子狀態送入P821進行參數命令組切換。當I1斷開時，表示手動，采用手動的參數組，輸出頻率由鍵盤給定；當I1接通時，表示自動，頻率給定由PLC給定。

2.3觸摸屏畫面設置

新建變量：首先在WINCC flexible內新建若干外部變量；這些變量包括1#、2#變頻器主從狀態、1#、2#變頻器運行狀態、主電機線速度給定、主從變頻器給定頻率、主從變頻器輸出頻率等，并將這些變量和PLC內變量存儲地址對應起來。

創建畫面：在新打開的畫面內雙擊對象選項板上的“IO域”，隨后在畫面內出現一個IO域，并立即打開IO域組態對話框。在對話框內單擊變量標簽選擇“主電機線速度給定”建立IO域和這個變量的連接。隨后將主從變頻器給定頻率、主從變頻器輸出頻率等變量和IO域進行連接。

激活系統：將畫面創建完后，下載到觸摸屏并重新上電，項目將自動激活運行。

結語：設備投入正常使用后，實現了1#和2#主傳動同時運行、一主一從跟蹤運行。能夠根據實際的設備情況主從互相切換，安全可靠。

參考文獻

[1]《MM440變頻器通過PROFIBUS—DP總線與PLC通訊的實現》.

[2] MM440使用說明書.