SIMADYN-D控制系統(tǒng)在制氧機變頻軟起動中的應(yīng)用

1、SIMADYN-D控制系統(tǒng)在制氧機變頻軟起動中的應(yīng)用 1 引言濟鋼總公司在新建2#2萬m3制氧機工程中，制氧機的空壓機采用瑞士蘇爾壽壓縮機，電機采用德國西門子無刷勵磁同步電機，功率9500kw，電壓10kv, 功率因數(shù)0.9(超前), 轉(zhuǎn)速1500r/min, 采用西門子公司的simoverts 變頻軟起動裝置對電機進行軟起動控制，由s7-300 cpu315-2dp和et200s、op17、simotras hd、simeas p等組成的工作站完成各種保護、監(jiān)控及內(nèi)外部信號連接，起動過程的聯(lián)鎖及順序邏輯控制，由西門子公司的7ve512自動同步單元完成同步并網(wǎng)過程。2 制氧機工程的系

2、統(tǒng)組成及工作原理制氧機工程系統(tǒng)采用了高-低-高式交-直-交電流型變頻器供電和交流無換向器電機控制，整個軟起動的控制由西門子公司的simadyn-d系統(tǒng)完成，其中一個pg16處理器+se48.1接口模塊完成電網(wǎng)側(cè)的整流器控制，一個ps16處理器+ts12觸發(fā)模塊+se21.2接口模塊完成電機側(cè)的逆變器控制，一個pm5處理器完成軟起動過程中的順序邏輯控制、速度給定和調(diào)節(jié)。由于采用了旋轉(zhuǎn)勵磁機實現(xiàn)無刷勵磁，專門由一個pm5處理器實現(xiàn)電機電壓閉環(huán)完成軟起動過程中勵磁電流的給定值計算，以保證軟起動過程中電機的氣隙磁通基本保持不變，實現(xiàn)了對起動過程中定子電流電樞反應(yīng)的補償，從而即保證了晶閘管的換向裕量不變

3、，又保證了最大的電機的過載能力，基本克服了采用電流型逆變器供電的自控同步電動機過載能力差的缺陷。針對電機轉(zhuǎn)速小于10%額定轉(zhuǎn)速時，由于電機的反電勢太低，無法安全實現(xiàn)負載換向的情況，系統(tǒng)采用了斷續(xù)電流換向的方法，即當電機側(cè)逆變器需要換向時，系統(tǒng)向電網(wǎng)側(cè)整流器發(fā)出推逆變信號，將lci的電流強制拉到零，然后再觸發(fā)電機側(cè)逆變器待開通的另一對晶閘管，由于采用了特殊的整流側(cè)脈沖組合邏輯，使得即使不用在直流平波電抗器并聯(lián)釋能晶閘管，也能夠保證將lci電流快速拉到零，從而大大簡化了電路結(jié)構(gòu)和控制線路，為了進一步提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)采用了由impag4+sav21組成的整流器觸發(fā)和晶閘管監(jiān)控單元，實現(xiàn)了高低壓

4、回路的光耦隔離，對誤觸發(fā)的有效監(jiān)控保證了晶閘管觸發(fā)的可靠性，避免了因晶閘管損壞或觸發(fā)脈沖丟失等原因所造成的功率單元災(zāi)難。由于采用了成熟的矢量運算技術(shù)，通過ps16模塊的電壓模型計算出同步電動機自控所需要的電機磁通、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置角等信號，實現(xiàn)了無測速機控制，只有電機需要經(jīng)常在低速范圍做調(diào)速運行或電機的慣性較大，需要較大的起動轉(zhuǎn)矩的場合才需要安裝測速機。矢量控制模型所需要的電機側(cè)的電壓電流信號均取自升壓變壓器的輸入側(cè)，為了避免升壓變壓器的剩磁影響到同步電動機轉(zhuǎn)子初始位置定向的準確性，每次軟起動結(jié)束后，都由一臺變壓變頻裝置simovert mastdriver vc完成升壓變壓器的去磁工作。由cp

5、u315-2dp、simotras hd勵磁裝置、simeas測量顯示單元、op17操作面板，et200s遠程i/o和simoverts組成的s7-300工作站完成信號的輸入、輸出，各種監(jiān)控及保護、控制聯(lián)鎖及并網(wǎng)運行后電機運行參數(shù)顯示、電機的保護、勵磁電流的控制及功率因數(shù)的調(diào)節(jié)。電機勵磁電流的控制由simotras hd全數(shù)字交流調(diào)壓裝置完成，降壓變壓器的起動及電機同步運行后的保護分別由7sj6005和siprotec 7um6215可編程集成保護單元完成，電機的并網(wǎng)同步由西門子公司的7ve5120可編程自動同步單元完成，因此整個系統(tǒng)的組成實現(xiàn)了數(shù)字化、模塊化，方便了調(diào)試與維護，提高了系統(tǒng)工作

6、的可靠性。電機勵磁電流的控制由simotras hd全數(shù)字交流調(diào)壓裝置完成，降壓變壓器的起動及電機同步運行后的保護分別由7sj6005和siprotec 7um6215可編程集成保護單元完成，電機的并網(wǎng)同步由西門子公司的7ve5120可編程自動同步單元完成，因此整個系統(tǒng)的組成實現(xiàn)了數(shù)字化、模塊化，方便了調(diào)試與維護，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。圖1 3#2萬制氧機9500kw主電機軟起動主回路原理圖系統(tǒng)主回路原理圖如圖1所示，電機變頻軟起動系統(tǒng)的控制原理圖如圖2所示。圖2 濟鋼2萬m3制氧機9500kw空壓機電機變頻軟起動系統(tǒng)控制原理圖3 軟起動系統(tǒng)配置及各部分的功能simoverts系統(tǒng)的sima

7、dyn-d配置如圖3所示。圖3 simovert s軟起動系統(tǒng)硬件配置圖simadyn-d系統(tǒng)是一種多處理器分布式控制系統(tǒng)，采用l+c并行背板總線結(jié)構(gòu)，包括20位地址，16位數(shù)據(jù)及控制信號、電源，其中c總線主要負責(zé)最多8個處理器之間的通訊，總線采用硬件菊花鏈方式，最大總線周期小于1s，處理器的典型循環(huán)掃描時間為10ms，適合完成快速和復(fù)雜的控制任務(wù)如液壓agc系統(tǒng)、svc系統(tǒng)等，編程采用了struck g圖形化的功能塊圖方式，并由ibs g、drivemonitor等在線監(jiān)控和修改軟件。本系統(tǒng)采用的主要處理器及所完成的功能說明如下:3.1 a100機架24槽主要完成變頻器本體的電流控制、脈沖形

8、成與監(jiān)控及與op17操作員面板的接口，包括:(1) d01-p1:pm5 通用的開環(huán)和閉環(huán)控制處理器，一般與it41、it42擴展模塊共同完成工藝控制任務(wù)，32位risc處理器，主頻32m，包括以下功能包:· fp-ast完成與傳動有關(guān)的順序控制，如控制器的使能、運行模式的切換等。·fp-erw以電壓閉環(huán)方式完成勵磁電流設(shè)定值的計算。·fp-uhr用于起動系統(tǒng)時鐘同步。(2) d05-p2:pg16完成傳動的轉(zhuǎn)矩控制, 采用80c186-16 16位單片機。· fp-mn1完成電網(wǎng)側(cè)變流器的電流控制，包括實際值的處理、閉環(huán)電流控制，邏輯無環(huán)流自動反轉(zhuǎn)邏輯

9、及門極脈沖發(fā)生。(3) d09-p4:ps16完成矢量運算和se21.2接口模塊、ts12硬件脈沖觸發(fā)單元一起完成電機側(cè)變流器的控制。·fp-sms矢量控制功能包，包括電壓模型(fb-ums)、實際值處理(fb-ist)、反電勢補償計算(fb-ofc)、觸發(fā)角計算(fb-alb)等功能塊，完成在無測速機方式下的電機側(cè)變流器控制。3.2 a200機架12槽主要完成電機的速度閉環(huán)控制及與s7-300 工作站的通訊，包括:d01-p1:pm5·fp-nrg完成軟起動過程中的速度給定和閉環(huán)調(diào)節(jié)。·fp-wrg電網(wǎng)電壓前饋補償。·fp-anf實現(xiàn)勵磁裝置的起動及勵

10、磁電流給定值的下傳、與自動同步單元交換控制信號，完成并網(wǎng)過程。·fp-dia報告simovert軟起動系統(tǒng)的狀態(tài)，實現(xiàn)軟起動系統(tǒng)的故障診斷。4 系統(tǒng)的典型動態(tài)響應(yīng)及結(jié)論 變頻軟起動器在起動過程中動態(tài)響應(yīng)曲線圖如圖4所示。圖4 起動過程動態(tài)響應(yīng)曲線圖 從圖4中可見，在整個軟起動過程中，由于與速度有關(guān)的電流限幅的作用，變頻器的電流是逐漸增加的，從而減輕了對機械設(shè)備的沖擊，另外從圖4中可以明顯地看出電機的勵磁電流是跟隨電機的定子電流同步變化的，反映了電機電樞反應(yīng)的補償過程，保證了負載換向的可靠性和電機的過載能力，從電機的并網(wǎng)同步過程可以看出整個起動和同步并網(wǎng)過程只有1分35秒，且并網(wǎng)時對電

11、網(wǎng)和設(shè)備的沖擊都很小，實現(xiàn)了軟起動的雙重保護作用。5 結(jié)束語本軟起動器經(jīng)過調(diào)試期間和一個多月來多次運行的考驗，整個軟起動和并網(wǎng)過程可靠穩(wěn)定，比采用同樣控制原理的原蘇聯(lián)的模擬控制系統(tǒng)可靠性和一致性都大大提高了，因此我公司1#、2#2萬制氧機都采用了西門子公司的simoverts變頻軟起動裝置。參考文獻 1 陳伯時,陳敏遜. 交流調(diào)速系統(tǒng)m. 北京:機械工業(yè)出版社,1998.2 simoverts用戶手冊z. siemens公司.SIMADYND全數(shù)字控制系統(tǒng)在中板液壓AGC中的開發(fā)與應(yīng)用作者：1、霍啟軍，2、刁建華   周 濤  

12、60;陳錦標通訊地址：（1 山東大學(xué)電氣工程學(xué)院 山東 濟南  250014；2 濟南鋼鐵集團總公司中板廠 山東 濟南 250101）文章從系統(tǒng)硬件組態(tài)和軟件設(shè)計方面介紹了全數(shù)字控制系統(tǒng)SIMADYN D在中板液壓AGC中的開發(fā)與應(yīng)用。1 前言濟鋼中板廠四輥軋機于1987年建成投產(chǎn)，最初上過一套液壓AGC系統(tǒng)，由于多種原因沒有成功應(yīng)用，所以一直采用電動壓下。為了更好的控制板形，提高鋼板質(zhì)量，總公司決定投資為中板廠新上一套液壓AGC系統(tǒng)。在2003年12月至2004年1月利用中板廠幾次計

13、劃檢修時間進行了設(shè)備安裝與調(diào)試。改造后的液壓AGC控制系統(tǒng)采用德國SIEMENS公司的SIMADYN D數(shù)字控制系統(tǒng)，系統(tǒng)改造非常成功，投運至今沒有任何故障。2 系統(tǒng)特點由于中板生產(chǎn)的特殊性，要想獲得理想的產(chǎn)品質(zhì)量，液壓AGC技術(shù)是必不可少的，而AGC要取得理想的效果，首先要求控制系統(tǒng)必須快速、可靠。隨著對國內(nèi)市場的不斷開發(fā)，作為世界聞名的自動化公司，SIEMENS公司的產(chǎn)品在國內(nèi)工廠中的占有率已經(jīng)名列前矛，SIMADYN D是一種實時多任務(wù)的分布式數(shù)字控制系統(tǒng)，具有運行速度快、可靠性高、功能強大且容易組態(tài)等特點，是實現(xiàn)液壓AGC功能的一種理想的控制系統(tǒng)。特點如下

14、：2.1 算速度快SIMADYN D控制系統(tǒng)的主流CPU是PM5和PM6（PM4已經(jīng)很少再用），其中PM5是32位的CPU，其主頻為32MHz，有DRAM 4Mbytes，SRAM 64Kbytes，最小運行周期可達0.1ms，應(yīng)用程序的控制回路的運行周期可到0.6ms左右；PM6是32/64位的CPU，其主頻為64/128MHz，有DRAM 8Mbytes，SRAM 256Kbytes，最小運行周期可達0.1ms, 應(yīng)用程序的控制回路的運行周期可到0.5ms左右。2.2 功能強SIMADYN D控制系統(tǒng)

15、是一種多處理器、多任務(wù)實時控制系統(tǒng)，一個機架中最多可以配置8個CPU，每個CPU中又可以并行處理67個任務(wù)，每個任務(wù)中最多可以包含10000個功能模塊，而且可以根據(jù)需要，對每個功能模塊配置時鐘周期（T1T5）。 2.3 編程靈活SIMADYN D的開發(fā)軟件使用的是基于UNIX操作系統(tǒng)面向圖形的配置語言STRUC G和面向List的語言STRUC L，同時也支持基于Windows操作系統(tǒng)面向圖形的配置語言CFC。用戶可以根據(jù)自己的需要靈活選用不同的編程語言對系統(tǒng)進行配置。2.4 產(chǎn)品種類齊全、可擴展性強SIMADYN D控制系

16、統(tǒng)擁有豐富的硬件模塊。機架有6槽、12槽、24槽三種，同時還有各種各樣的I/O模塊和接口模塊，用戶可以根據(jù)自己的實際情況任意選用不同的機架、電源、處理器、I/O模塊和接口模塊，從而構(gòu)成滿足各種要求的控制系統(tǒng)。同時該系統(tǒng)還可以通過DP網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)與SIEMENS 的PLC和其他自動化公司的產(chǎn)品聯(lián)用。3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成與目前國際上通用的軋機AGC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式一樣濟鋼中板廠的四輥軋機液壓AGC控制系統(tǒng)分為兩級：過程控制級和基礎(chǔ)自動化級。3.1 過程控制級過程控制級包括一臺ALPHA機和一臺過程服務(wù)器：其中ALPHA機通過以太網(wǎng)接收基礎(chǔ)自動化級送來的來料信息鋼種、來料

17、厚度、目標厚度、來料溫度等（由操作工在WinCC監(jiān)控站上輸入），以及基礎(chǔ)自動化級實時傳送過來的各種過程參數(shù)（輥縫、壓力、溫度、電壓、電流、轉(zhuǎn)速、力矩等），在線計算出一個實用的軋制規(guī)程，并實時傳送到 基礎(chǔ)自動化級，控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)動作，并存貯軋制過程數(shù)據(jù)；過程服務(wù)器通過以太網(wǎng)接收、存貯軋制過程數(shù)據(jù)（包括來料信息鋼種、來料厚度、目標厚度、來料溫度等，以及各種過程參數(shù)輥縫、壓力、溫度、電壓、電流、轉(zhuǎn)速、力矩等），并可以通過數(shù)據(jù)庫在線查看實時軋制數(shù)據(jù)，或在線、離線分析歷史數(shù)據(jù)。3.2基礎(chǔ)自動化級基礎(chǔ)自動化級 包括1個SIMADYN D機架、一臺WinCC監(jiān)控站和兩個ET

18、200站的。 3.2.1 SIMADYN D機架液壓AGC控制器采用SIEMENS公司的SIMADYN D(簡稱SD)系統(tǒng),SIMADYN D是整個控制系統(tǒng)的核心，它以一個24槽機架作為框架，帶有LBUS和CBUS及電源。其中包括三個CPU 模塊（PM5：其中第一個CPU中運行HGC（液壓APC）軟件，第二個CPU中運行AGC軟件，第三個CPU中運行AGC邏輯控制軟件。）、一個存貯器模塊（MM4）、兩個I/O模塊（一個IT41、一個IT42：IT是與PM5直接通訊的快速I/O板，有AI、AO、DI、DO及脈沖輸入等接口，主要用于采集電動碼盤（脈

19、沖計數(shù)器），輥縫（16位模入），壓力（16位模入），及四輥主傳動控制系統(tǒng)電壓、電流、轉(zhuǎn)速、力矩（12位模入）等信息；控制執(zhí)行機構(gòu)（壓下電機、伺服閥：16位模出）、一個通訊母板（CS7：其中SS4用于SIMADYN D與編程站的通訊，SS52用于SIMADYN D與ET200的通訊）和一個H1網(wǎng)卡（CSH11：用于SIMADYN D與WinCC監(jiān)控站的通訊），見下圖（圖二）：3.2.2 WinCC監(jiān)控站W(wǎng)inCC監(jiān)控站經(jīng)過內(nèi)插的CP1613通過SIEMENS 的工業(yè)以太網(wǎng)（H1網(wǎng)）與SIMADYN D進行通訊。WinCC監(jiān)控站運行的監(jiān)控

20、軟件為SIEMENS公司的WINCC,選用256點WINCC完全版。開發(fā)的人機界面軟件HMI顯示的內(nèi)容有圖形、數(shù)據(jù)等，還有軟開關(guān)供操作工操作。WinCC監(jiān)控站接收SIMADYN D的實時數(shù)據(jù)輥縫、壓力、溫度、工作狀態(tài)及主傳動電壓、電流、轉(zhuǎn)速、力矩等，再經(jīng)以太網(wǎng)（TC/PIP協(xié)議）將這些數(shù)據(jù)傳送到過程控制級，同時接收上位機計算出來的軋制規(guī)程，并下載到SIMADYN D中執(zhí)行。WinCC監(jiān)控站還用于顯示相應(yīng)的軋制過程數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，供操作工監(jiān)控。另外，人工規(guī)程和來料信息鋼種、來料厚度、目標厚度、來料溫度等也要操作工在此輸入。3.2.3 ET200站ET200站包括兩組

21、ET200遠程I/O接口，包括模入、模出、開入、開出等。 其中3#站作為SIMADYN D的遠程I/O，通過一根通訊電纜將軋鋼操作臺上的按鈕、指示燈、顯示儀表等與SIMADYN D連接起來，大大減小了電纜數(shù)量；4#站則用于連接一些現(xiàn)場信號（溫度、熱檢、液壓站等信號）。3.2.4 檢測系統(tǒng)：壓下控制系統(tǒng)的檢測系統(tǒng)包括電動碼盤、電動位移傳感器、液壓位移傳感器、壓力傳感器、測溫儀、熱檢器、測寬儀、測厚儀等。3.2.5 執(zhí)行機構(gòu)壓下控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)由電動壓下和液壓壓下兩部分組成。電動壓下的執(zhí)行機構(gòu)是壓下電機，由SIMADYN D系統(tǒng)計算出壓

22、下速度設(shè)定值并輸出相應(yīng)的電壓信號，控制壓下電機驅(qū)動電動壓下螺絲上下移動；液壓壓下的執(zhí)行機構(gòu)是伺服閥，其控制信號也由SIMADYN D系統(tǒng)通過模擬量給出，控制伺服閥的開口方向和開口度，驅(qū)動游缸上下移動。4系統(tǒng)軟件功能濟鋼中板廠的四輥軋機現(xiàn)主要用于精軋機，壓下控制系統(tǒng)采取“液壓全程”方式，油缸最大行程為80mm，正常工作行程為060mm。同時，控制系統(tǒng)中還預(yù)留、設(shè)計了單機架軋鋼的功能，一旦需要，很快就可以調(diào)試投用。利用SIMADYN D編程軟件STRUC G開發(fā)的用戶程序,建立了各種控制的數(shù)學(xué)模型，具有APC（位置自動控制）、AGC（厚度自動控制）、自動輥縫清零(或叫

23、自動壓靠)、保護（過壓、過壓差、液柱過高或過低等）等自動功能，以及輥縫微調(diào)、鐮刀彎調(diào)節(jié)等人工干預(yù)功能。下圖是STRUC G開發(fā)的用戶程序示例： 4.1 APC（位置自動控制）在實際軋鋼過程中，控制系統(tǒng)根據(jù)過程控制機下達的設(shè)定位置，通過調(diào)節(jié)伺服閥控制油缸的移動，使軋輥到達目標位置（定位精度為±0.01mm）。（在單機架生產(chǎn)時，則首先通過壓下電機，控制壓下螺絲動作使軋輥到達某一范圍即停下來，再通過調(diào)節(jié)伺服閥控制油缸的移動，來補償電動定位誤差，使APC的最終定位精度達到±0.01mm。）4.2 AGC（厚度自動控制）包括絕對值和相對值兩種。在過程控制級投用時，采取絕對值A(chǔ)GC方式，由過程控制機向SIMADYN D發(fā)送每一道次的壓力設(shè)定值和輥縫設(shè)定值，SIMADYN D則根據(jù)實測壓力計算出AGC調(diào)節(jié)量；在過程控制級未投用時，采取相對值A(chǔ)GC方式，過程控制機不參與控制，SIMADYN D