交流电动机调速控制系统 [网络通讯及变频调速技术在耙料机控制系统上的应用]

　　[摘要]针对大庆石化公司化肥厂耙料机这种大型移动设备,两侧速度平衡控制困难和为减少耙料机操作人员的劳动强度,现场控制改为异地控制的方案进行阐述,即提高耙料机正常运行的可靠性,又改善职工工作环境,取得良好的效果。
　　[关键词]耙料机变频调速网络通讯
　　中图分类号:TN92文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110040-02
　　
　　一、概述
　　
　　大庆石化公司化肥装置是1976年建成投产的,其中成品装置中进口大型移动设备“耙料机”(见图1耙料机形态图)已经运行30多年,该设备如果瘫痪将会造成整个尿素输送链中断致使生产中断。该设备属于大型移动设备,电气系统控制明显落后于时代的步伐,操作繁琐,故障率高,原始的继电器控制耗能严重,噪声、发热很严重,大车两侧行走不同步经常造成扭偏影响生产,异地控制过程中通讯不稳定造成耙料机控制困难…。为解决这些问题进行本次改造。重点解决了扒料机大车行走控制问题,且实现了扒料机异地操作、控制、监控,彻底解决了触点式滑环影响通讯的固有的劣根性,同时改造后对耙料机的平稳运行和节能、降噪均起到了重要的作用。
　　
　　二、耙料机控制系统改造的总体思路
　　
　　1.本次改造采用了工业控制设备及网络通讯技术,三层网络结构,保证了系统的高可用性。开放式网络,保证了安全生产的要求,实现了报警一体化监控。
　　2.远程监控通讯采用了先进的水银滑环技术。为了解决原触点滑环接触不良,影响通讯,采用无触点水银滑环技术。
　　3.控制器采用S7-300 PLC系统,监控部分采用基于Windows2000结构的HMI监控软件,系统中留有与DCS系统统讯的接口及预留以太网接口与管理系统进行通讯,以便将来信息能够与全厂调度系统共享。
　　4.行走部分采用变频控制(速度闭环),解决启动、停车时对机械设备的冲击以及可以准确的进行纠偏控制。
　　5.实现三地控制(轿厢、南墙和主控),两地视频监视功能。在耙料机上安装2台摄像头,可以跟随耙料机,用于监视当前耙料机负荷情况。
　　
　　三、耙料机控制系统改造方案
　　
　　(一)网络通讯应用
　　1.网络拓扑结构
　　耙料机是大庆石化公司化肥厂成品车间的重要设备,为此设计了一套完善的自控解决方案,实行现场级、控制级、监控级三层网络控制(见图2)。将监视系统进入监控级网络层使得车间管理人员实时清楚耙料机现场情况。
　　由于耙料机是移动设备,为了实现异地控制需要“滑环”这个中间环节将固定地点和耙料机本体的通讯连接起来。原始设备采用的是有触点滑环的连接方式,由于触点的存在,存在接触不良等原因,会引起网络通讯瞬间中断,影响平稳生产。本次改造使用的是无触点的水银滑环,彻底解决了通讯瞬间中断的问题。
　　2.监视和控制系统设计
　　耙料机现场环境恶劣,温度高,粉尘大,而且尿素粉尘具有毒性,操作人员经常要察看现场。鉴于此,为现场投入一套视频监控系统,在散装库的几个方位各装一个云台,采用高清摄像机,可调整焦距,这样操作人员可在控制室内观察到现场各个控制点。
　　就控制系统,以工控机与下位机为控制中心,现场保留原操作台。下位机采用PLC,利用输入模块对现场信号采集,经过PLC运算处理后,PLC发出指令通过输出模块驱动执行机构去控制耙料机的运行,满足生产工艺的要求。
　　3.控制系统操作方式设计
　　操作方式分为手动操作和自动运行。可细分为驾驶室现场手动和自动;操作室手动和自动;总控室自动。
　　为方便操作人员和车间管理人员,操作上采用了三级操作方案。即耙料机驾驶室为最高级,有最高优先权,这一级主要是检修时用;次级为耙料机操作室,此处为耙料机常用的操作平台,生产中操作人员在此进行对设备的运行控制;最低级为车间总控室,在耙料机自动投运中,车间总控操作人员根据料仓情况控制耙料机的投运控制。
　　4.控制系统的软件设计
　　所有输入信号进行处理,转换为脉冲信号,保证系统的可靠性。模块化程序设计思路清晰,利于设备人员维护。程序设计分为几个部分:纠偏控制分为行走纠编和强行纠偏,行走纠偏是指耙料机在行走途中,PLC通过扭偏信号去控制变频器,强行纠偏是指由行走中突发情况引起耙料机严重扭偏时,强行使耙料机复位至正常位置;主副臂的位置控制的主要目的是保证主副臂不能有接触以免引起事故,PLC采集主副臂的位置信号对主副臂的工作位置进行联锁保护;耙料机的耙料控制是在耙料机自动工作时,耙料机通过现场的行走往返开关来实现自动降臂扒料,除此开关外,在上位机通过行走距离设定,实现耙料机可以灵活的在任意区间平料、扒料,极为方便。
　　5.控制系统预留通讯接口
　　电气技术发展较快,现场预留PROFIBUS-DP通讯接口,总控室预留以太网通讯接口。
　　
　　(二)同步控制
　　耙料机属于大型设备,工作方式类似行车,但工况复杂得多,要求精度更高。耙料机在散料仓库中的往返行走由两侧的电动机传动同时工作,为了防止设备两侧速度不同步而引起扭偏,原始进口的耙料机采用的是串电组调速方案。但是此方案效率低,控制线路较多,控制扭偏精度不高。本次改造中采用矢量变频控制,实现无级调速,控制精度高,调速方便,便于维护。为保证耙料机两侧电动机速度同步,方法如下:
　　1.由变频器控制耙料机两侧的行走电机,通过网络同时给定行走速度(速度给定选择4-20mA电流给定),排除给定误差。
　　2.在两侧行走电机轴上安装有增量编码器,检测电机转速并反馈到变频器,变频器设定在有编码器的矢量控制,确保电机运行速度相同。
　　3.在耙料机测量扭偏的摆臂轴上安装角度变送器,检测耙料机行走过程中扭偏角度。控制系统中采用PLC作为控制中心,PLC配置高速计数输入模块,采集现场的耙料机行走扭偏信号。行走扭偏信号通过旋转编码器输出给PLC,PLC运算处理后通过模拟量输出模块输出4-20mA电流信号去控制变频器,程序设计中采用PID算法与模糊控制算法共同参与控制去实现耙料机行走同步,通过改变电机的工作频率从而完成扭偏的调整。
　　4.在增、减速时,速度给定缓慢变化(急停除外),避免过渡过程不同导致行走偏差。
　　5.通过网络读取2台行走电机的位置差,对给定值进行调整。
　　通过以上方法,成功的完成了两侧行走电动机的同步控制,防止扭偏的发生,有效的保护了设备。
　　
　　四、改造后的运行效果
　　
　　目前,在对耙料机控制操作系统进行了全面的更新改造后,已经投入正常运行。在控制系统改造中充分利用了网络通讯和变频调速的技术优势,效果极其显著,从运行中看有以下特点:
　　1.使用通讯技术,实现异地操作,使操作条件大为改善。操作人员接触有害粉尘的时间大为缩短,若无特殊情况,无需到行车上进行操作。
　　2.使用变频调速技术,实现耙料机行走过程的无级调速,避免启动、停车时对机械设备的冲击以及可以准确的进行纠偏控制。
　　3.充分证实了网络通讯及变频调速技术改造耙料机控制系统的可行性。改造是成功的,效果是显著的,实现了耙料机的自动化控制,对于我国其它大化肥装置在自动化控制的前进道路上具有比较广泛的借鉴意义。
　　
　　参考文献:
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　　[4]方承远,工厂电气控制技术,北京:机械工业出版社,2000年.
　　[5]STEP7 V5.3编程手册,西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.
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