退火窯傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

李海波++賈海軍++付俊峰

摘 要：本文介紹了主傳動(dòng)在浮法玻璃退火窯的作用，并通過退火窯主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對(duì)硬件、軟件的選型、參數(shù)設(shè)置、程序編制進(jìn)行了說明。

關(guān)鍵詞：退火窯；主傳動(dòng)；變頻器；同步電機(jī)；主從切換；觸摸屏；PLC；MM440；PROFIBUS；DP通訊

主傳動(dòng)是退火窯的核心，其在整條浮法生產(chǎn)線中的作用也是至關(guān)緊要的：一旦主傳動(dòng)停止運(yùn)行，整條浮法線的生產(chǎn)將中斷。因此，在退火窯主傳動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮它的可靠性和連續(xù)性。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：

為保證主傳動(dòng)的安全運(yùn)行，在設(shè)計(jì)上采用了兩套獨(dú)立的變速傳動(dòng)系統(tǒng)。它們由一套PLC和觸摸屏組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理。正常運(yùn)行情況下，由PLC進(jìn)行控制：主傳動(dòng)站以操作人員設(shè)定的線速度帶動(dòng)輥?zhàn)舆\(yùn)轉(zhuǎn)，從傳動(dòng)站以設(shè)定速度的95%運(yùn)轉(zhuǎn)。在主傳動(dòng)站發(fā)生故障時(shí)，PLC將設(shè)定的速度傳給從傳動(dòng)站，使其以原主傳動(dòng)站的速度繼續(xù)拖動(dòng)棍子旋轉(zhuǎn)，同時(shí)發(fā)出警報(bào)提示，等待維修人員處理。在PLC控制系統(tǒng)故障時(shí)，可以轉(zhuǎn)入手動(dòng)控制：在需要對(duì)傳動(dòng)站進(jìn)行切換時(shí)，操作人員在變頻器操作鍵盤上將從傳動(dòng)站速度升高至設(shè)定速度，然后降低原主傳動(dòng)站的速度即可。

1、硬件選型：

1.1產(chǎn)品選型

從系統(tǒng)可靠性、調(diào)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(tái)MM440變頻器+2臺(tái)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

在WINCC flexible環(huán)境下編制完程序并調(diào)試無誤后，經(jīng)下載、重新上電啟動(dòng)，TP177A觸摸屏連帶程序就可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。S7 313C-2DP PLC含有兩個(gè)通訊端口和集成的I/O端子，即可滿足系統(tǒng)要求，又降低了系統(tǒng)的成本。我們選用了2臺(tái)37KW的MM440變頻器：其具有高性能的矢量控制技術(shù)、低速高轉(zhuǎn)矩輸出、良好的動(dòng)態(tài)特性、超強(qiáng)的過載能力、創(chuàng)新的BiCo功能以及無可比擬的靈活性。同步電機(jī)的特點(diǎn)是：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間有不變的關(guān)系n=ns=60f/p，ns成為同步轉(zhuǎn)速。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時(shí)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒為常數(shù)，而與負(fù)載的大小無關(guān)。當(dāng)變頻器拖動(dòng)同步電機(jī)時(shí)，同步電機(jī)將則以變頻器輸出的頻率穩(wěn)定運(yùn)行，不存在轉(zhuǎn)差頻率，提高了系統(tǒng)調(diào)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(tǒng)工作的同時(shí)上載、下傳PLC程序和觸摸屏程序，方便了系統(tǒng)調(diào)試和以后的維護(hù)。DP接口通過DP頭和兩個(gè)變頻器的DP通訊卡進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)PLC和變頻器之間使用PROFIBUS-DP協(xié)議的通訊。MM440有六個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，這里只用了兩個(gè)：一個(gè)用于自動(dòng)/手動(dòng)切換，一個(gè)用于啟動(dòng)/停止切換。MM440變頻器有兩個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，用于變頻器運(yùn)行、故障信號(hào)的反饋。每個(gè)輸出點(diǎn)通過中間繼電器擴(kuò)展為兩個(gè)常開輸出點(diǎn)，一個(gè)和控制柜上的信號(hào)燈串聯(lián)連接，用于指示傳動(dòng)站和變頻器的實(shí)時(shí)狀態(tài)；另一個(gè)和PLC輸入點(diǎn)連接，用做主從切換判斷的依據(jù)。

2、軟件編制及實(shí)現(xiàn)

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(shù)設(shè)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(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，PLC將完成以下三個(gè)功能：線速度到變頻器給定頻率轉(zhuǎn)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(bào)文格式，這種報(bào)文格式由4個(gè)字的PKW（參數(shù)數(shù)值區(qū)）和2個(gè)字的PZD（過程數(shù)值區(qū)）。參數(shù)數(shù)值區(qū)用于修改和讀取變頻器的參數(shù)，過程數(shù)據(jù)區(qū)第一個(gè)PZD字用于啟動(dòng)、停止、復(fù)位變頻器，第二個(gè)字用于修改和讀取變頻器的輸出頻率。在編程時(shí)，建立一個(gè)共享的數(shù)據(jù)塊DB1，然后在數(shù)據(jù)塊內(nèi)插入?yún)?shù)PZD1_W、PZD1_R、PZD2_W、PZD2_R四個(gè)字分別用于主從變頻器輸出頻率的修改和讀取。在編程時(shí)，使用SFC14（讀取參數(shù)）和SFC15（修改參數(shù)）。

當(dāng)主變頻器運(yùn)行停止時(shí)，從變頻器要能夠立即切換到100%設(shè)定頻率輸出。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，這里需要將每個(gè)變頻器故障信號(hào)（常開）、運(yùn)行信號(hào)（常開）取反后進(jìn)行或邏輯運(yùn)算作為停止標(biāo)志位。如果主變頻器停止標(biāo)志位為1，則將設(shè)定速度直接輸送從變頻器，讓從變頻器帶動(dòng)棍子以原速度旋轉(zhuǎn)。原主變頻器發(fā)出停車報(bào)警信號(hào)等待處理。如果從變頻器故障，主變頻器仍以設(shè)定頻率輸出。

2.2變頻器設(shè)置

變頻器的啟動(dòng)/停止、自動(dòng)/手動(dòng)切換由變頻柜上的兩個(gè)切換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。這樣不僅可以簡(jiǎn)化PLC編程，還可實(shí)現(xiàn)故障復(fù)位后捕捉再啟動(dòng)。為了防止因干擾等原因引起的誤報(bào)警導(dǎo)致變頻器停機(jī)，設(shè)置變頻器故障后自動(dòng)復(fù)位一次，如果故障依然存在，則停機(jī)；如果故障消除則執(zhí)行自動(dòng)捕捉再啟動(dòng)。

PLC和變頻器之間的通訊采用周期性報(bào)文通訊格式PPO1，當(dāng)意外原因?qū)е峦ㄐ胖袛嗪?，因變頻器沒有得到輸出頻率的具體參數(shù)，將不輸出電壓、電流，最終導(dǎo)致電機(jī)停止運(yùn)行。這種情況是我們不愿意見到的。為了防止這種情況的發(fā)生，在P2000[0]內(nèi)輸入70（通訊中斷報(bào)警號(hào)），P20001[0]輸入0（對(duì)于通訊中斷不采取任何措施，變頻器將繼續(xù)以通訊中斷前的狀態(tài)進(jìn)行工作）。因系統(tǒng)涉及到自動(dòng)和手動(dòng)轉(zhuǎn)化，將用到西門子變頻器特有的BICO技術(shù)。將一個(gè)切換旋鈕和一個(gè)輸入端子I1進(jìn)行硬件連接，此端子作為自動(dòng)手動(dòng)切換使用（端子功能碼99）。端子狀態(tài)送入P821進(jìn)行參數(shù)命令組切換。當(dāng)I1斷開時(shí)，表示手動(dòng)，采用手動(dòng)的參數(shù)組，輸出頻率由鍵盤給定；當(dāng)I1接通時(shí)，表示自動(dòng)，頻率給定由PLC給定。

2.3觸摸屏畫面設(shè)置

新建變量：首先在WINCC flexible內(nèi)新建若干外部變量；這些變量包括1#、2#變頻器主從狀態(tài)、1#、2#變頻器運(yùn)行狀態(tài)、主電機(jī)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(nèi)變量存儲(chǔ)地址對(duì)應(yīng)起來。

創(chuàng)建畫面：在新打開的畫面內(nèi)雙擊對(duì)象選項(xiàng)板上的“IO域”，隨后在畫面內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)IO域，并立即打開IO域組態(tài)對(duì)話框。在對(duì)話框內(nèi)單擊變量標(biāo)簽選擇“主電機(jī)線速度給定”建立IO域和這個(gè)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(jìn)行連接。

激活系統(tǒng)：將畫面創(chuàng)建完后，下載到觸摸屏并重新上電，項(xiàng)目將自動(dòng)激活運(yùn)行。

結(jié)語：設(shè)備投入正常使用后，實(shí)現(xiàn)了1#和2#主傳動(dòng)同時(shí)運(yùn)行、一主一從跟蹤運(yùn)行。能夠根據(jù)實(shí)際的設(shè)備情況主從互相切換，安全可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]《MM440變頻器通過PROFIBUS—DP總線與PLC通訊的實(shí)現(xiàn)》.

[2] MM440使用說明書.