西门子6ES7212-1BB23-0XB8技据

西门子6ES

1. 引言

        我公司于1989年从德国引进的ZSTZ15磨齿机，系德国NILES公司80年代的产品，其控制系统以PC603及其I/O为，驱动系统的展成、分度、立柱、切向进磨均采用直流驱动器和直流伺服电机，滑枕冲程控制为电液伺服驱动。因电气及液压系统老化、PLC系统经常死机机，故障率逐年增高，液压伺服系统因变量泵、伺服缸、溢流阀等元件磨损，系统的内泄和外泄均很严重，常因压力降低而不能工作，尤其是三九和三伏天系统常常出现故障，冲程速度因压力的降低，只能达到40次/分钟，仅是原来的2/3，机床效率大为下降、机床的加工精度也受到影响。加工的齿轮多数都在10级左右，已不能满足我公司生产发展的需要。 
        我们采用法国产NUM Axium Power 1050全数字数控系统对其进行了改造，使这台已经工作了近20年的老设备重新焕发了青春。

2. 数控化改造思路

2.1 数控系统 
        用当代的全数字数控系统之一，法国NUM公司生产的NUM Axium Power 1050G全数字数控系统及其全数字交流伺服驱动系统改造原来的PC603工控机及其PLC系统及其直流伺服驱动，该系统对于的机床非常理想，NUM Axium Power 1050是一个多处理器的CNC，每2毫秒处理一次的路径产生及跟随，以及0.2毫秒的位置环刷新周期。具有标准的RS232接口，采用10.4寸彩色液晶显示器。

2.2 取消机械挂轮 
        取消原机床的机械挂轮及左、右齿面进给电机，展成运动和左、右齿面进给改为由NUM数控系统及其全数字交流伺服驱动系统控制X轴和C轴联动，用NUM系统的动态操作功能，通过复杂运算自动生成电子挂轮，取消了低精度的机械挂轮，减少机械传动环节以确保展成运动关系的。

2.3 开发友好的人工界面 
        开发设计齿轮参数界面、砂轮参数界面、修整磨和循环磨界面，通过人机界面可以方便的修改齿轮参数、工艺参数。自动生成冲程长度、冲程速度、展成长度及展成速度等相关参数，简化了加工前各种不同规格齿轮的计算及调整时间，简化了操作，提高了加工效率。

2.4 改造冲程液压伺服系统 
        利用德国博士伺服阀和乐变量泵新改造冲程液压伺服系统，采用英国NEWALL球栅尺作冲程位置反馈，使ZSTZ15磨齿机升级为全新的数控磨齿机。

2.5 将原立柱移动（Y轴）、砂轮补偿（W轴）改为NUM数控系统及其交流伺服驱动系统控制。

表1csp水处理c03系统参数

点击此处查看全部新闻图片

    2 现场工艺要求和改造方案

    (1)变频调速装置保留csp水处理c03水泵的原控制方式、保护装置。

    (2)现场合闸回路中串接一个变频器发出的“合闸允许”信号，以保证水泵需要在变频状态运行时，变频器在具备上电条件后才能闭合上级进线开关。

    (3)现场总跳闸回路中并接一个变频器发出的“事故跳闸”信号，以保在变频器系统出现严重故障或者检测到现场需要停机的事故后，能够及时联跳上级进线开关。

    (4)为保证变频器事故或者检修时水泵仍能在工频状态下继续工作，变频器系统配有手动旁路柜，水泵的运行可进行变频/工频状态的切换。切换说明：10kv电源可以经变频装置输入闸qs1到高压变频调速装置，变频装置输出经出线闸qs2送至电动机；10kv电源还可以经旁路闸qs3直接起动电动机。变频装置的输出闸qs2和旁路闸qs3互相闭锁，即qs2和qs3不会同时闭合。变频运行时，闭合qs1和qs2，同时qs3断开；工频运行时，断开qs1和qs2，同时qs3已经闭合。当变频装置出现故障或者工程检修时，将变频器的隔离开关打到工频状态，使变频装置与供电以及生产过程隔离，而水泵在工频电源下正常运行，以保证生产的运行。两套高压变频器系统都采用一拖一模式，高压变频器系统型号为：hinv-10/870b，系统配置示意图如图1所示。  

图1系统配置示意图

点击此处查看全部新闻图片

    (5)变频器能够实现远程控制和本机控制，其中远程控制通过给变频器加装的立的上位机系统实现，上位机实现高压就绪显示、设定闭环参数、显示变频系统运行参数、故障声报警等功能。

    (6)变频改造后启/停方式部分改变原有操作方式，启动时，按下原操作系统“启动”后，高压断路器合闸，然后从上位机系统启动变频器，变频器按照设定曲线运行;停机时，从上位机系统“停止”变频器运行，变频器按照设定曲线停机，此时变频器高压进线端仍带电，然后按下原操作系统“停机”后，高压断路器分闸。工频启/停方式在变频器转换柜进行电源切换后，不改变原有操作方式。

    (7)闭环控制：变频器根据管道压力信号的反馈值控制水泵的转速，实现母管压力的稳定，co3系统母管压力范围为：1.1mpa～1.7mpa。

    (8)高压变频器与现场高压接口：从现场电机的原高压电源柜取电源点连接到变频器系统的旁路柜输入闸，旁路柜输出闸连接到现场电机，都采用高压铠装电缆连接。

    (9)变频器的高压输入输出电缆由变频器柜体下进/下出。

    3hinv-10/870b型高压变频装置的原理

    hinv-10/870b型高压变频装置主要由主回路、功率单元和控制系统组成。

    3.1主回路

    hinv-10/870b型高压变频器采用交-直-交直接高压(高-高)方式，电网电压经过移相变压器的隔离、移相后分组输出，每组三相，为串联输出的功率单元供电，形成多重化移相整流；功率单元经过三相整流后，单相逆变单元输出。全部功率单元分为数量相同三组，组内输出串联，形成高压电动机的三相相电压；三相输出为y接，得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。

    3.2功率单元

    功率单元为三相交流输入，单相全桥输出的电路拓扑，功率单元原理示意图如图2所示。功率单元的输入为移相变压器的分组输出，经整流滤波电路后形成直流电压，组成单相全桥的igbt在控制器控制下将此直流电压变换为spwm的交流输出电压。

    功率单元通过光纤接收信号，采用空间矢量正弦波脉宽调制(pwm)方式，控制q1~q4igbt的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。每个单元仅有三种可能的输出电压状态，当q1和q4导通时，l1和l2的输出电压状态为1；当q2和q3导通时，l1和l2的输出电压状态为-1；当q1和q2或者q3和q4导通时，l1和l2的输出电压状态为0。功率单元具有旁路功能。当某个单元发生熔断器故障、过热和igbt故障而不能继续工作时，该单元及其另外两相相应位置上的单元将自动旁路，此时q1—q4封锁输出，可控硅k导通，以保证变频器连续工作，并发出旁路告警，单元旁路时，变频器因运行单元数量减少，额定输出电压能力将降低，变频器将自动提高工作单元的输出电压，从而保变频器输出性能不变，实现无扰动自动旁路。

    3.3控制系统

    系统控制器的是由dsp数据处理器、大规模集成电路和16位mcu组成，完成高压变频器的实时控制及其外部接口(内置plc控制器)的控制，视窗控制器通过通信将指令发到系统控制器，同时接收和显示变频器的工作状态。

    4 参数设定为多卡片式页面，包含变频器、电机参数、pid调节参数、模拟输入参数、模拟输出参数、上位通讯共五个页面。

    (1)变频器、电机参数如表2所示。

    (2)pid调节参数如表3所示。

    (3)模拟输入参数如表4所示。

    5 节能分析

    5.1节能原理

    当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变水泵的性能曲线，使水泵的额定参数满足工艺要求。当采用变频调速时，由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，50hz满载时功率因数为0.96，工作电流比电机额定电流值要低很多，电流降为31a。

    5.2节能计算

    根据变频器的运行记录，统计水泵在中高低速段的运行时间全年工作时制按8600h计算，得到年节电率:为35.4%。

    6 结束语

    试运行时，电机在频率30－32hz之间存在机械共振，后设置变频跳跃频率点，避开共振区，供水泵组稳定运行;实际调速时，可降到额定的40%，各种参数符合其特性曲线。

    通过这次改造，电机实现了真正的软启动、软停运，变频器提供给电机的无谐波干扰的正弦电流，降低了电机的故障次数，使水泵工作平稳，水泵轴承麿损减少，延长了电机、水泵的使用寿命和维修周期，提高了水泵的利用时率，节约了大量电能。

    变频器自身保护功能完善，同原来继电保护比较，保护功能多，灵敏，大大加强了对电机的保护

7212-1BB23-0XB8技据

    在手动控制方式下，控制系统按照操作员在CRT操作站上发出的操作指令，逐步完成所有控制及监视功能。

    非常手动用于高炉休风操作，控制系统不参与控制与操作，操作员在紧急操作台上发出操作指令，通过继电器回路完成休风操作过程。

    在现场控制方式下，控制系统不参与控制与操作，操作员在现场操作箱上发出操作指令，通过继电器回路完成控制及监视功能。

    现场控制方式主要用于设备检修与调试。

   7 操作方法及画面类型

    操作人员在控制室通过操作站对各工艺系统进行集中操作和监视。操作人员用键盘移动光标或通过鼠标，点击画面上各工艺系统或设备操作＂＂区，弹出操作子画面窗口，按操作提示进行生产操作。一台操作站上可以同时监控4幅不同的画面，画面之间可通过菜单画面或直接链接实现快速转换。

    除上述在操作员站上进行的全CRT操作方法以外，在高炉中控室设有炉及热风炉紧急操作台，以备高炉停电、控制系统故障、紧急休风时的应急处理。紧急操作台为安装有操作按钮、转换开关及信号灯的常规操作台。进行紧急操作时，在操作员站上进行的操作无效。

    主要画面类型有：

    (1)菜单画面;(2)系统总体监视画面;(3)系统局部监视画面（含操作子画面）;(4)系统选择画面;(5)设定画面;(6)控制回路显示画面（含设定值﹑过程变量﹑输出值的棒图及数值显示）;(7)动态趋势显示画面（含实时的和历史的）;(8)报警画面;(9)设备运行维护画面;(10)操作指导画面

    8 系统抗干扰措施

    高炉各个工艺单元分布较广，现场干扰源较多。为保证控制系统的正常运行，避免因外界干扰引发设备的误动作及系统站点通信中断的＂掉站＂现象，我们在设计中非常注意外界干扰可能对系统运行带来的影响。具体措施有：

    （1）控制系统采用隔离变压器供电，减少电气噪声。

    （2）设置单的接地系统，使控制系统机柜与安装构件绝缘，做到系统接地与工厂常规接地严格分开。

    （3）所有来自现场的信号均通过信号隔离器和中间继电器隔离。

    （4）室外敷设的通信总线采用光纤。I/O接线采用屏蔽电缆。

    由于采用了上述抗干扰措施，使系统从调试到投产整个过程，一直运行平稳，少损坏模板，也没出现＂掉站＂等不正常现象。

    9 结束语

    高炉投产至今，控制系统一直正常稳定运行，高炉各项生产指标均已达到设计要求，创造了良好的经济效益。

    煤气燃烧阀、高炉煤气切断阀、高炉煤气吹扫阀、助燃空气燃烧阀、燃烧煤气放散阀、排压主阀、烟气旁通阀、烟气切断阀、预热空气切断阀、助燃空气旁通阀、预热煤气切断阀、高炉煤气旁通阀、热风放散阀、助燃风机等设备的运转控制；送风方式控制；换炉控制；设备故障报警处理等。

    DPU10：进行热风炉系统燃烧控制温度、压力、流量数据采集和初步处理；燃烧控制；送风温度控制；故障报警处理等。

    DPU11：为TRT预留。

    DPU12：进行两个系列喷吹煤粉的制备系统设备运行状态数据采集和初步处理；磨煤机、给煤机、密封风机、助燃风机、煤粉风机、烟道阀、干燥炉放散阀、煤粉输送机等设备的运转控制；设备故障报警处理等。

    DPU13：进行两个系列喷吹煤粉温度、压力、流量、称重数据采集和初步处理；总管及喷吹量控制；支管及喷吹量控制；总喷煤速率控制；故障报警处理等。

    DPU14：进行北水渣及北出铁场系统设备运行状态、温度、液位、流量、称重数据采集和初步处理；转鼓过滤器、炉渣输送皮带机、粒化泵、粒化水循环泵、底流泵、加压泵、摆动溜槽、冲制阀、集水槽回水阀、成品槽水清洗阀、气控管路阀、事故阀等设备的运转控制；出渣方式控制；转鼓调速控制；水渣设施运行程序控制；设备故障报警处理等。

    DPU15：进行南水渣及南出铁场系统设备运行状态、温度、液位、流量、称重数据采集和初步处理；转鼓过滤器、炉渣输送皮带机、粒化泵、粒化水循环泵、底流泵、加压泵、摆动溜槽、冲制阀、集水槽回水阀、成品槽水清洗阀、气控管路阀、事故阀等设备的运转控制；出渣方式控制；转鼓调速控制；水渣设施运行程序控制；设备故障报警处理等。

    5 软件编制

    软件编制在工程师站上进行。编制完成的程序通过工程师站分别下装到控制站和操作站中。由于数据库是控制系统的，软件编制开始前先完成数据库的定义。只有在数据库中有定义的点，才能在软件编制过程中被引用。

    运用梯形图、回路图和控制算法进行组合的方式编制控制站程序。每一幅梯形图、回路图以及每一个控制算法中的控制点都可以通过自己在系统中的点名，与其它控制调节回路、控制算法、以及操作站画面进行链接。

    控制系统运用基于Auto的图形编辑器（GraphicsBuilder）进行画面程序的编制。在开放式Auto环境下，以对话窗口的方式，利用系统标准的或用户自定义的图形库、颜色库、线型库、型式来生成图形画面。生成的画面图形文件以Auto的文件格式储存在硬盘上，需编译成系统标准格式后，才能下装到操作站中。

    6 控制方式

    控制系统主要控制方式有自动，手动，非常手动，现场四种。

操作站之间可互为备用。高速数据通信总线（WesnetPlus）通信方式为按时间分片进行数据广播的方式，通信介质室内部分采用同轴电缆，室外部分采用光纤。采用以太网进行文件传输，并与其它系统之间通信留有接口。

    二级为过程控制级，主要完成生产过程数据设定、操作、作业管理、控制计算、数据处理及存储。过程控制级共配置了4台SUN工作站，用于高炉生产过程数据设定、操作、作业管理、控制计算、数据处理及存储；配置了2台打印机和1台硬拷贝机（分别用于报表信息打印和画面硬拷贝打印）；配置了2台PC终端机，通过调制－解调（Modem）方式，实现与高炉原燃料供应系统（原料场）的数据通信。

    控制系统中各单元通过高速数据总线WesnetPlus和以太网进行通信。采用不间断电源装置（UPS）供电，停电保持时间不小于30分钟。控制系统结构及设置场所图略可向作者索取。

    控制系统设备按不同的控制对象，设置在相应的电气室或控制室中，个别远程I/O设置在现场。

    4 主要控制功能

    在分配15台分布式控制站（DPU）的控制功能时，我们了传统按电气－仪表分工的界限，按照高炉各个工艺组成单元进行分配。各个DPU主要控制功能如下：

    DPU1：进行矿石储备及输送系统设备运行状态、称重数据采集和初步处理；矿石给料机、振动筛、称量料斗闸门、矿石输送皮带机、转换溜槽等设备的顺序运转控制；矿石称量方式控制；称量料斗排料顺序控制；矿石输送皮带机上原料模拟跟踪控制；称量料批管理；设备故障报警处理等。

    DPU2：进行焦炭储备及输送系统设备运行状态、称重和水分数据采集和初步处理；焦炭振动筛、焦炭输送皮带机、转换溜槽等设备的顺序运转控制；矿石称量误差补正控制；焦炭称量误差补正控制；焦炭水分补正控制；称量料批管理；设备故障报警处理等。

    DPU3：进行上料系统设备运行状态数据采集和初步处理；矿石中间料斗闸门、焦炭称量料斗闸门、上料皮带机、上料皮带机清洗阀等设备的顺序运转控制；炉装料方式控制；装料方式预约变控制；装料数据跟踪控制；上料皮带机上原料模拟跟踪控制；装料料批管理；设备故障报警处理等。

    DPU4：进行高炉本体系统温度数据采集和初步处理。

    DPU5：进行炉系统设备运行状态、称重数据采集和初步处理；炉旋转料罐、上部料闸、上密封阀、均压阀、排压阀、下密封阀、料流调节阀、密封阀蒸汽加热阀、布料溜槽、探尺等设备的顺序运转控制；炉时序控制；炉均排压控制；炉称量压力补正控制；布料方式控制；布料定位控制；特殊布料控制；料流调节阀自学习控制；布料溜槽倾动角度补偿控制；设备故障报警处理等。

    DPU6~7：进行高炉本体系统现场压力、流量数据采集和初步处理；炉洒水控制；炉煤气成分分析；炉喉十字测温；炉身煤气成分分析；风口及炉身冷却板检漏；炉身差压监视及透气性指数计算；故障报警处理等。

    DPU8：进行高炉炉及煤气清洗系统温度、压力、流量数据采集和初步处理；风口及炉身冷却板检漏；炉压力控制；文氏管洗涤器水位控制；文氏管洗涤器煤气差压控制；文氏管洗涤器喉口差压控制；故障报警处理等。

 上钢一厂新建2500m3高炉已于1999年10月8日顺利点火投产，该高炉在自动化控制系统方面充分吸收了国内、国外的经验，无论在控制系统的构成上，在控制功能上，还是在系统操作水平上，都处于当今世界水平。

    2 工艺概况

    高炉年产生铁175万吨。有烧结矿槽5个，块矿槽5个，杂矿槽4个，小粒度矿槽及小块焦槽各1个，焦槽5个，采用小粒度矿回收技术。矿石和焦炭经中间料斗，经上料皮带机至炉。炉为串罐式无料钟炉，采用高压操作技术，炉压力通过减压阀组进行调节。煤气清洗采用一级重力除尘（DC）和两级文氏管（VS）湿式除尘。高炉有30个风口，富氧、加湿送风，并采用了喷煤（PCI）技术。分南、北双出铁场，有3个出铁口，用260吨式混铁车运输铁水。用英巴法处理水渣，南、北出铁场各设置一套水渣处理系统。有四座内燃式热风炉，采用燃烧余热回收技术，燃烧高炉煤气；送风方式有单炉送风、冷并联送风、热并联送风三种。

    3 自动化控制系统构成

    高炉采用美国西屋公司的WDPFIIPlus分布式控制系统（DCS）进行自动化控制。该控制系统具有以下特点：

    (1)通用性强，开放性好，能兼容不同制造商的自动化设备（如AB公司PLC，遵从FF协议的智能仪表等）；并能通过TCP/IP协议与管理计算机实现通信。

    (2)控制系统所特有的分布式数据库结构，减少了集中式数据库所带来的风险，使用户能很容易地访问数据库。数据库中的每一点包含了该点的全部信息，只要该点在数据库中定义，整个系统均可访问它。

    (3)与采用PLC+DCS结构形式的控制系统相比较，控制系统的分布式结构克服了电气和仪表分工明显，系统网络结构复杂，网络接口通信速度慢的缺点，使用户能有效地利用系统资源，提高了系统的易维护性和控制的实时性，有利于实现三电一体化的目标。

    纳入控制系统控制的工艺范围包括：高炉矿石及焦炭储备及输送系统，上料系统，无料钟炉系统，高炉本体系统，出铁场系统，煤气清洗系统，热风炉系统，水渣系统，煤粉制备及喷吹系统，并预留了炉余压发电（TRT）系统的控制设备。控制系统在系统功能上由两级组成。

    级为基础自动化级，主要完成生产过程的数据采集和初步处理、数据显示和记录，生产操作，执行对生产过程的连续调节控制和逻辑顺序控制。共配置了15台控制站（DPU），9台以SUN工作站为硬件平台的操作员站（其中2台兼作工程师站，用于系统组态及软件维护，1台带有37(大屏幕显示器)，配置了5台打印机和1台硬拷贝机（分别用于报警信息打印和画面硬拷贝打印），以及高速数据通信总线（WesnetPlus）等。每个DPU控制站硬件按冗余方式配置，包括冗余的InbbbCPU、分布式数据存储器、通信控制器、电源，以及非冗余的I/O模件（可带电插拔），输入接线端子（Half-Shell），输出继电器等；软件包括DPU系统固化支持程序，分布式数据库程序等。每个操作员站硬件包括冗余的分布式数据存储器、通信控制器，以及非冗余的RISCCPU、20(CRT显示器（带触摸屏功能）、电源、硬盘、鼠标、工程师键盘、操作员键盘等；软件包括工程师/操作员系统支持程序，Unix操作系统。