西門子S120控制單元6SL3055-0AA00-5BA1

西門子S120控制單元6SL3055-0AA00-5BA1

單機額定功率75kW，一開一備運行方式，而在實際生產中只需大約45kW輸出功率。壓縮機在低于額定工況下運轉，負載率較低，而且其風壓與流量大小要靠手動閥調節(jié)，操作困難，也浪費大量電能。為此，考慮采用變頻調速技術進行改造，用PLC實現自動調節(jié)和各種控制功能。運行實踐證明，該方案穩(wěn)定可靠，經濟效果明顯。
　　
一 工藝要求
　　
(1)正常生產過程中，2臺壓縮機應至少有1臺運行，即使在相互切換時，也不允許發(fā)生兩臺機器全部停止的現象。

(2)保持壓縮機出口壓力在預定值上。

(3)能實現對壓縮機運行狀態(tài)進行分析，以實現預測性檢修。
　　
二 系統(tǒng)控制原理
　　
(1)工藝專業(yè)設定壓縮機管網正常出口壓力為P1，而現場實際測定壓力為P2，根據ΔP(=P2-P1)值大小由PLC內PID功能模塊進行PID運算，控制變頻器來改變電動機轉速，達到所要求的壓力。當ΔP＞0時，現場壓力偏高，則提高變頻器輸出頻率，使電動機轉速加快，提高實際風壓；當ΔP＜0時，現場壓力偏低，則使轉速降低，ΔP減小。這樣不斷調整，使ΔP趨于0，現場實際壓力在設定壓力附近波動，保證壓力穩(wěn)定。系統(tǒng)結構如圖1。




(2)壓縮機長期運行，造成各部件間隙變大，這樣引起的振動會越來越大，容易造成壓縮機各部件的損壞。由PLC對現場振動情況進行判斷分析，可提前對壓縮機進行計劃性維護保養(yǎng)，這樣可大大延長設備的使用壽命，提高設備運行可靠性，減少設備故障引起的非計劃性停車。
　　
三 設計方案
　　
該方案主要由1臺Siemens ECO1-7500/3變頻器、1臺S7-200型PLC(CPU215/216，配套EM235擴展模塊)以及接觸器、操作按鈕、1臺現場壓力變送器和2臺振動測量裝置(振動變送器)組成，用PLC實現壓縮機出口壓力單回路閉環(huán)PID控制以及壓縮機起動、停止、切換、故障處理等各種電氣控制功能，由振動變送器對壓縮機狀態(tài)進行監(jiān)控分析，以實現預測性維護維修。主回路如圖2。





(1)PID運算功能的實現
S7-200系列中CPU215/216具有32位浮點運算指令和內置PID調節(jié)運算指令等特殊功能。使用時，只需在PLC內存中填寫1張PID控制參數表(見下表)，再執(zhí)行指令：PID TABLE, LOOP，即可完成PID運算。其中操作數TABLE使用變量存儲器VBx，用來指明控制環(huán)的起始地址；操作數LOOP是控制環(huán)號(常數，0～7)。編號為2、4、5、6、7的參數固定不變，可在PLC主程序中設定；編號為1、3、8、9的參數具有實時性，須在調用PID指令時填入。


　

　　
由于S7-200輸入和輸出為開關量，而變頻器、壓力變送器和振動變送器的信號為模擬量，因此EM235模塊要實現D/A轉換。一個EM235模塊可同時擴展3路模擬量輸入通道(接1路壓力信號，2路振動信號)和1路模擬量輸出通道(接至變頻器)。
　　
(2)起動
M1和M2各有兩種起動方式，可通過轉換開關選擇變頻/工頻起動方式。
　　
(3)運行
正常情況下，電動機M1處于變頻調速狀態(tài)，電動機M2處于停機備用狀態(tài)?，F場壓力變送器檢測管網出口壓力(4～20mA模擬量信號)，并與預定值相比較，經PLC內部專用PID指令進行運算，得到變頻器所需頻率信號，自動調節(jié)電動機轉速，達到所需管網壓力。
　　
(4)停止
按下“停止按鈕"，PLC控制所有接觸器斷開，變頻器停止工作。
　　
(5)切換
當需從電動機M1切換到M2時，接觸器KM2斷開，KM1閉合，此時電動機M1工作在工頻下，在變頻器停止后，KM4閉合，變頻器重新起動，電動機M2在變頻器驅動下起動；起動后，KM1斷開，電動機M1停止，切換操作結束。電動機M2切換到M1過程類似。
　　
(6)報警及故障自診斷
通過PLC內部程序設定報警及聯鎖保護，一旦出現故障立即停止相應操作并報警。對于故障自診斷功能，考慮到成本問題，未設計上位機，只設置相應故障代碼，通過4位數碼管顯示，使維修人員可根據故障信息方便查找到故障點。如：(a)壓縮機油壓低、水壓低等故障信號，可由現場防爆電接點壓力表測得，直接送至PLC，由PLC控制實現聲光報警和延時停車；(b)增設現場振動傳感器，并將信號送至PLC，對壓縮機運行狀況進行顯示和診斷。
　　
四 幾點體會和設計中應注意的問題
　　
(1)采用變頻控制后，實現了壓縮機的軟起動，減小了起動電流對電網的沖擊；節(jié)電效果明顯，1年內可回收全部投資。
　　
(2)采用PLC后，組成閉環(huán)自控系統(tǒng)，實現自動調節(jié)，運行更加穩(wěn)定可靠。
　　
(3)變頻器、PLC、接觸器等可安裝在一臺控制柜內，可就地或遠控操作，方式簡單靈活。
　　
(4)系統(tǒng)可擴展性較好。若有多臺壓縮機在變頻/工頻供電方式下運行時，只需將增加信息或信號引至PLC，即可實現整個系統(tǒng)的自動控制；若生產需要，本系統(tǒng)也可方便接入DCS或上位機，建立人機界面的監(jiān)控系統(tǒng)等。
　　
(5)預測性維護檢修可大大延長壓縮機使用壽命，提高可靠性，減少停車損失，降低運行費用。
　　
(6)PLC控制電動機在變頻/工頻供電方式下切換時，須保證各接觸器閉合和斷開順序以及足夠的延時，以防止電動機繞組產生的感應電動勢加載到變頻器的輸出逆變橋上，造成損壞。
　　
(7)PLC須實現KM2和KM4間的互鎖，以防止2臺電動機同時變頻起動，使變頻器因過載而損壞。
　　
(8)因2臺電動機會在短時間內分別在工頻和變頻下同時運行，故變頻控制柜的總電源開關需按2臺電動機負載量考慮

西門子S120控制單元6SL3055-0AA00-5BA1

在熱軋帶鋼生產中，卷取機的任務是把從精軋機軋制出的帶鋼卷成鋼卷，并再運送到成品庫中。卷取機能否正常運行及卷取效果的好壞直接關系到熱軋產品的產量及質量。鞍鋼1700卷取機是從1995年改造投產運行的設備。該控制系統(tǒng)采用的為德國西門子公司研制的SIMADYN—D來完成基礎自動化和傳動系統(tǒng)的控制。卷取工藝流程如圖1

帶鋼經過六架精軋機熱連軋以后進人輸層流輥道，待層流冷卻到適當溫度進入卷取區(qū)域。首先由導尺進行帶鋼方向定位，然后經夾送輥進入卷取機進行卷取。卷成的鋼卷再由卸卷小車送到打捆機打捆，最后由翻鋼機送到到1#運輸鏈。

卷取區(qū)域涉及的自動控制思想如下:

(1)位置控制 導尺的位置控制、夾送輥輥縫控制、助卷輥踏步位置控制、卷筒脹縮控制;

(2)速度控制 夾送輥、助卷輥、卷筒速度控制及帶鋼尾部定位控制;

(3)壓力控制 傳動側導尺對帶鋼的側壓力控制、夾送輥壓力控制、助卷輥踏步壓力控制、卸卷小車液壓托力控制;

(4)張力控制 精軋末架軋機和夾送輥之間、夾送輥和卷筒之間帶鋼的恒張力控制;

(5)其他 卸卷小車、翻鋼機、活門、風動導板等輔助系統(tǒng)自動控制。

2 控制系統(tǒng)結構

目前，控制系統(tǒng)包括5套 SIMADYND框架：HB0、HE1、HF1、HE2、HF2，來完成2個卷取機的控制，系統(tǒng)結構如圖2所示。

HE1 控制1#卷取機的液壓系統(tǒng)；

HF1 控制1#卷取機的傳動系統(tǒng)及相關冷卻水控制、卸卷小車控制、卷筒脹縮控制；

HE2 控制2#卷取機的液壓系統(tǒng)；

HF2 控制2#卷取機的傳動系統(tǒng)及相關冷卻水控制、卸卷小車控制、卷筒脹縮控制；

HB0 卷取帶鋼跟蹤、1#<span 鏈及步進梁控制。且完成兩臺卷取機的通訊，建立與上位機光纖通訊，上位機采用西門子的<="" span="" style="font-size: 15px;font-family: 宋體">COROS軟件，供操作室監(jiān)控；還完成與SIMOVERT變頻器的PROFIBUS通訊控制制1#鏈動作。

HE1<span 、<="" span="" style="font-size: 15px;font-family: 宋體">HF、HE2、HF2、HB0在現場均設有ET200，作為SIMADYN——D的遠程I/O。

3 張力控制原理

張力控制是卷取控制系統(tǒng)的核心技術之一，對于卷取成功與否和鋼卷質量起著十分關鍵的作用。整個卷取過程的張力控制是由卷筒電機，張力輥電機來實現。由于現有卷筒電機為直流電機，故根據直流調速系統(tǒng)控制原理圖（如圖3 所示），歸納出卷筒電機張力控制思想：

（Ⅰ）當卷筒未帶負荷，或卷筒帶負荷但帶鋼尾部已過精軋末架架F6時，卷筒電機為速度控制。根據卷取工藝，此時卷筒速度給定n＊為卷筒實際轉速n，即△n≈0，故速度調節(jié)器ASR起調節(jié)作用。且Id＊≈Id，電流環(huán)也起調節(jié)作用，Y1的數值達不到限幅值LU、LL，故Y=Y1，最終可控硅觸發(fā)角由Y1的大小控制。

（Ⅱ）當卷筒帶負荷，且?guī)т撐膊课催^精軋末架F6時，卷筒電機為張力控制。根據卷取工藝，此時卷筒速度給定n＊為卷筒實際轉速n的120%，即△n﹥﹥0，故速度調節(jié)器ASR飽和，不起調節(jié)作用，其輸出Id＊迅速達到最大上限值。由于此時Id＊﹥﹥Id，即△Id﹥﹥0，所以電流調節(jié)器ACR飽和，Y1的值很大，故此時Y1﹥上限值LU，Y=LU，最終可控硅觸發(fā)角根據上限值LU的大小進行控制。此時的張力控制即是電流上限值LU的控制。

下面討論卷筒張力控制的數學模型：在張力控制過程中，卷筒的力矩主要包括四項，張力力矩Mz、彎曲力矩矩Mb、加速度力矩Ma 、摩擦力矩Mf。

因此，由計算機采集的帶鋼數據，根據以上數學模型，可計算出卷筒的力矩矩M，根據M大小來設定上限值LU

由于現有張力輥電機也為直流電機，故張力控制思想與卷筒相似，不同之處在于：當卷筒帶負荷時，張力輥速度給定n＊為張力輥實際速度n的80%，這樣最終可控硅觸發(fā)角由下限幅值LL的大小決定，所以此時的張力控制即由電流下限值LL進行控制。 

4 系統(tǒng)軟件

SIMADYN-D控制軟件應用全圖形化STRU G編寫。軟件編寫充分考慮系統(tǒng)資源和控制系統(tǒng)實時性要求，合理分配各程序的掃描時間。如PID閉環(huán)回路、速度控制、張力控制均采用循環(huán)周期短的掃描方式，而邏輯控制與聯鎖保護則采用掃描周期相對較長的方式。由于系統(tǒng)采用多CPU 結構，所以系統(tǒng)具有控制精度高和實時響應快的同時，程序量也很大。對于日常維護的人員來說，可以使用ibs軟件進行程序參數優(yōu)化和對已有程序塊連接的修改。 

5 運行效果評價 

本系統(tǒng)從從1995年投入運行，在2000年經歷了一次搬遷改造，至今已有12年。它已經順利完成了設備的功能并滿足了現有熱軋卷取的需要，由此表明該系統(tǒng)具有運行可靠、控制精度高、響應快等優(yōu)點。但是隨著計算機硬件技術的不斷發(fā)展，工藝技術也隨之日新月異，SIMADYN-D計算機已有了它的升級替代產品——SIMATIC TDC。而且TDC可以和廠現有二級模型計算機建立通訊，這無疑對進一步提高產品質量，提高產品的市場競爭力起到明顯的推動作用，同時也會為同行業(yè)其他卷取機控制技術的不斷改進提供切實有效的參考方案與實踐經驗