辽阳西门子模块代理

1.引言
    变频调速技术在我国水泥行业的应用日趋广泛。在生产工艺需要调速的许多环节，如回转窑、单冷机、喂料机、配料系统、风机、水泵等，以交流变频调速取代调压调速、滑差调速以及直流调速己成为一种必然趋势。在水泥粉磨工艺中，环磨机入磨物料粒度的大小，对其台时产量影响较大，预破碎工艺作为提高磨机台时产量、降低粉磨电耗的重要途径，引起了许多水泥企业的重视。水泥生产工艺决定了水泥立窑放料每次持续2～3分钟，但几乎所有水泥企业中破碎机处于工频恒速运行状态，24小时连续运转，造成电能的巨大浪费，并影响电机和破碎机的使用寿命。另一方面，由于破碎机具有相当大的惯性，不易频繁启停，所以即使使用变频器也难以解决系统制动时产生的泵升电压引起保护电路动作，使系统无法正常工作的问题。
    针对系统的以上特点，本文设计了破碎机变频拖动PLC控制系统，利用变频器实现破碎机的变频调速和软启动，利用再生能量回馈单元克服破碎机制动过程中产生的过高的泵升电压，利用PLC实现系统的逻辑闭环控制，使破碎机的工作与立窑放料同步，实现间歇运行，从而在改善工艺控制质量的同时，大限度地节约了电能，降低了生产成本。现场调试和运行结果表明，系统运行可靠，节电率可达60%以上。
2粉磨工艺流程
    水泥粉磨工艺流程如图1所示。熟料出窑后由提升机送入熟料库，熟料、混合材、石膏按重量配比后进入皮带机，出皮带机的物料先入磨前提升机，再输送到回转筛。回转筛筛余粗料入立

     
    筛下的细料则入水泥磨。成品从旋风式选粉机细粉出口入成品库。立窑每放料一次，由窑口处的远红外测料仪检测到放料信号后，启动链式输送机输送物料，每次持续2～3分钟，然后间隔2～3分钟，开始下一次放料和产料。改造前熟料破碎机由工频电源直接供电，在立窑不放料时，则处于空转状态（空转率达50%），浪费大量能源。再者，由于破碎机运行速度过高，即使在放料时，也存在严重能源浪费。因而对其进行变频改造能够产生巨大的经济效益。
3系统硬件设计及工作原理
    本系统主要由变频器、可编程控制器PLC、能量回馈装置和远红外测料仪组成。现分别介绍如下：
   （1）变频器。水泥熟料破碎机属于大惯性、近似的恒转矩负载，对变频系
统有特殊要求。保留原交流电机，选用FRN37G9S-4CE型恒转矩负载专用通用变频器，它具有转矩矢量控制、转差补偿、电压AVR自整定以及负载转矩自适应等一系列先进功能，在无速度传感器的开环运行条件下，采用磁通矢量控制和电机参数自动测试等功能后，其调速性能达到甚至高于直流调速系统性能。变频器接线原理如图2所示，所有动作都由PLC控制。J10为能量回馈单元内部继电器，当能量回馈单元出现故障时，J10断开，使主频器THR端子OFF，可瞬间封锁U，V，W输出，经PLC（J5＝on）产生系统故障连锁和报警。

   （2）可编程控制器PLC。可编程PLC因其性能可靠、操作方便、程序修改简单及适应恶劣工作环境等特点而深受水泥行业科技人员和维护人员的青睐。本系统选用富士公司的FLEX-PC NB0-P14型PLC，完成系统的逻辑控制及手动/自动、工频/变频转换和故障知切换等功能，控制灵活方便。图3是其输入输出外部接线图。当远红外测料仪检测到窑口出料信号，继电器J4吸合，经PLC延时30s后输出Y10＝on，启动变频器开始运行，破碎机开始工作。根据现场工况的需要，将变频运行给定频设为43Hz。当立窑放料完毕，继电器J4失电，PLC延时30s后输出Y10＝Off，变频器按设定的制动时间减速停车。当遇到设备故障或特殊情况需要停车时，可按下停止按钮TA1，PLC输出Y11=off，此时破碎机运行于自由停车状态，并在减速到零后，输出Y12＝off，断开变频器。
    另外，系统设有工频/变频运行切换开关K4以及手动/自动运切换开关K5。
    在一般情况下系统要求变频运行，K4置于“变频”位置，X2=on，PLC输出Y12=on，系统进入变频准备状态；如果变频器故障，可将K4置于“工频”位置，X2=off，PLC输出Y12=off，破碎机工频运行，可继续使用。K5用于决定破碎机的工作状态是连续恒频运行还是根据水泥窑送料信号断续调频工作。当K5置于“手动运行”位置，PLC忽的工作状态是连续恒频运行还是根据水泥窑送料信号断续调频工作。当K5置于“手动运行”位置，PLC忽视继电器J4的状态，仅根据启动和停止按钮QA1和TA1的动作控制破碎机的启制动运行；反之，当K5置于“自动运行”位置，则PLC根据有无“送料信号”经延时滤波后控制破碎机的起制动运行。
（3）再生能量回馈装置。由于水泥立窑放料是间歇运行状态，而且破碎机属大惯性负载，因而存在着调速装置制动时产生的再生能量的处理问题。通常的处理方法是将再生能量通过设置在变频器直流回路中的制动电阻放电以热的形式消耗掉，以达到系统制动的目的。这就存在着电阻器放置的问题以及在制动时间长或需要连续制动运行的场合，电阻温升的限制。而能量回馈单元可进行连续的再生制动。我们选用了富士公司的RHR系列能量回馈装置，相对电阻制动方式，本装置可大大节省空间，安装场所的自由度大，而且制动产生的热量也大幅度减低。
     
     
    图4表示变频器和能量回馈装置的连接方式。主回路部分，由晶体管桥、限流电抗器组成。能量回馈装置和变频器的直流回路连接。电动机电动运行时，由变频器内部的整流二极管从电网侧提供电能；电动机再生发电运行时，在变频器直流侧面产生较高的泵升电压，当泵升电压高于610V，二极管导通，通过能量回馈装置将再生能量回馈到电网侧，变频器直流侧电压被限制在610V以下。晶体管桥、电网是同步进行通断的。限流电抗器2ACR的作用是限制回馈电流，平衡压差。晶体管开通时，限流电抗器的作用下，装置以有源逆变方式将再生能量送回电网。“TA”为紧急停车按钮，为设备故障或需要紧急停车时备用。
4.PLC的程序设计
    PLC软件采用梯形图语言，实现各种逻辑控制、变频器起制动控制及手动/自动、工频/变频转换和故障自切换等功能。程序框图如图5所示。
5.运行结果
    上述系统已于1998年8月在山东省某水泥厂投入实际运行。系统根据送料信号自动实现启制动运行，破碎机运行速度连续可调。电机可以实现频繁软启动，基本无启动电流冲击，启动力矩足够。系统在变频运行条件下，若变频器突然故障，则自动切换至“工频”状态继续运行，同时发出声光报警信号（内部可选）。根据现场工况需要，将有放料信号时变频运行给定频率设为43Hz，系统运行电流为27A，运行电压280V，改造后的系统平均每年耗电5.7万度。根据现场记录，系统在改造前工作频率为工频50Hz，运行电流为32A，运行电压400V，平均每年耗电19.42万度。改造后的节电率为70.6%。该系统的突出优点如下：
   （1）利用变频调速技术改造了水泥熟料破碎机的拖动系统，满足了破机
的低速、间歇运行特点，保证了工艺控制质量，节能效果明显，并有利于延长破碎机和电机的使用寿命。
   （2）利用能量回馈控制技术克服破碎机大惯性引起的泵升电压，有效保
证了变频器的安全运行。系统除了变频器和能量回馈装置所具有的20余种保护功能和故障自诊断功能外，还增设了电机过热、控制回路保护及报警。
   （3）利用可编程控制器PLC实现了各种逻辑控制、变频器起制动自动制
及手动/自动、工频/变频转换和故障自切换等功能，使系统控制灵活方便，功能齐全。

    PLC机型选择的基本原则是：在功能满足要求的前提下，选择可靠、维护使用方便以及性能价格比优的机型。通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC；其他情况则好选用模块式结构的 PLC；对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带 A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求；而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或机（其中机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等）。
    应该注意的是，同一企业应尽量做到机型统一。这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各独立系统的多台PLC联成一个DCS系统，这样便于相互通信，集中管理。

二、I/O（输入/输出）的选择
    PLC在20世纪90年代已经形成微、小、中、大、巨型多种PLC。按I/O点数分，可分为微型PLC（32I/O）、小型PLC（256I/O）、中型PLC（1024I/O）、大型PLC（4.69I/O）、巨型PLC（8195I/O）五种。
    PLC与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。PLC有许多I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其他一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。
    （一）确定I/O（输入/输出）点数
    根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时，应再增加 10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。表2列出了典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数。
    （二）开关量I/O（输入/输出
    开关量I/O（输入/输出）接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。典型的交流输入/输出信号为24～240V，直流输入/输出信号为5～240V。尽管输入电路因制造厂家不同而不同，但有些特性是相同的，如用于消除错误信号的抖动电路等。此外，大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可选的隔离电路。在评估离散输出时，应考虑熔丝、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路。熔丝电路也许在开始时花费较多，但可能比在外部安装熔丝耗资要少。
    （三）模拟量I/O（输入/输出）
    模拟量输入/输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为-10～+10V、0～+11V、4～20mA或10～50mA。一些制造厂家在PLC上设计有特殊模拟接口，因而可接收低电平信号，如RTD、热电偶等。一般来说，这类接口模块可用于接收同一模块上不同类型的热电偶或RTD混合信号。
    （四）特殊功能I/O（输入/输出）
    在选择一台PLC时，用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准I/O实现的I/O限定（如定位、快速输入、频率等）。此时用户应当考虑供销厂商是否提供有特殊的有助于大限度减小控制作用的模块。有些特殊接口模块自身能处理一部分现场数据，从而使CPU从繁重的任务处理中解脱出来。
    （五）智能式I/O（输入/输出）
    当前，PLC的生产厂家相继推出了一些智能式的I/O模块。一般智能式I/O模块本身带有处理器，可对输入或输出信号作预先规定的处理，并将处理结果送入CPU或直接输出，这样可提高PLC的处理速度并节省存储器的容量。

三、存储器类型及容量选择
    PLC系统所用的存储器基本上由PROM、EPROM及RAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的大存储能力低于6kB，中型机的大存储能力可达64kB，大型机的大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。
     PLC的存储器容量选择和计算的种方法是：根据编程使用的节点数jingque计算存储器的实际使用容量。第二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照表4的公式来估算。为了使用方便，一般应留有25%～30%的裕量，获取存储容量的佳方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。表4同时给出了存储器容量的估算方法。

四、编程器和外部设备的选择
    在系统的实现过程中，PLC的编程问题是非常重要的。用户应当对所选择PLC产品的软件功能及编程器有所了解。通常情况下，小型控制系统一般选用价格便宜的简易编程器，如果系统较大或多台PLC共用，可以选用功能强、编程方便的图形编程器。如果有个人计算机，可以选用能在个人计算机上运行的编程软件包。同时，为了防止因干扰、锂电池电压下降等原因破坏RAM中的用户程序，可以选用EEP-ROM模块作为外部设备。

五、实例
    （一）利用三菱PLC实现对印刷机的jingque控制
    印刷机的一套电气设计属于系统设计，为了使产品性能稳定，易于维护，采用以PLC为主控器的控制方案。印刷机要求易于操作，精度高，输入、输出点较多，因此采用双机通讯。上位机采用三菱高性能的FX2N-80MR、FX2N-80MR自带I/O接口，可以接40点输入，40点输出，主要负责主传动的控制，各机组离合器的控制，以及气泵，气阀的控制等。下位机采用三菱FX2N-64MR、FX2N-64MR可以接32点输入，32点输出，主要负责水辊电机的控制，主传动的调速输出，调版电机数据采集等。上位机与下位机采用RS485,通讯，通讯方便，可靠。同时选用了一台三菱5.7寸触摸屏，主要负责水辊电机速度显示，调版显示，以及整机故障显示等。本系统运行可靠，维护方便，操作简便直观，大大提高了胶印机的档次。
    （二）欧姆龙（OMRON）PLC在石油加工工业中的应用
    在石油加工工业中，大型旋转机组是装置设备的重要组成部分，重油催化裂化气压机组的联锁-自保系统从满足工艺生产需求出发，考虑到安全性、可靠性、经济性、可扩展性等因素，采用了OMRON公司生产的CPM2AH型PLC进行系统构建，CPM2AH自带I/O接口，可以接36点输入，24点输出，输出形式是继电器，并且通过RS232C串口与PC机通讯，使生产过程表现稳定，动作可靠，在事故状态下对机组及生产装置实行了自我保护，杜绝了恶性事故的扩大和蔓延，取得了显著的效果。
    六、结束语
    随着科技的不断进步，PLC的种类日益繁多，功能也逐渐增强。文章中尽管归纳了一些选用PLC的方法，但在实际工作中还一定要依据实际情况做出适当的调整，以便设计出满足期望的工业控制系统。