西门子6ES512-1DK01-0AB0型号介绍

一、前言
本项目为浙江某一同步带厂硫化车间内多台硫化罐集中控制系统，客户要求该系统既能在监控室监控整个硫化车间内硫化罐的工作状态，实现远程人机交互；又要能在每个硫化罐前现场操控，进行现场的人机交互。对于现场的人机交互设备，由于硫化罐数量较多，客户提出了“功能满足、成本低”的要求。根据这一要求我们设计了一套由工业PC+文本人机界面+PLC控制器组成的主、从控制系统，实践证明该系统很好的满足了客户的要求。

二、控制系统设计方案
    控制系统硬件组成如图1所示。

    从图中可以看出，在该控制系统中，主控机为工业PC机，从机为POP-HMI文本人机界面+可编程序控制器（LG  PLC）系统；其中POP-HMI文本显示器是针对硫化罐现场人机交互要求而选用的低成本HMI产品。POP-HMI是上海博深电子自主开发的文本人机界面产品，该文本显示器采用单色（3.7”）图形点阵LCD显示屏，提供汉字、西文、数字及简单图形的显示；采用薄膜按钮键盘，提供数字、参数输入，自定义输入等功能。可方便连接各种厂商的可编程控制（PLC）及各种具有串口通讯能力的电气设备，是低成本现场控制设备的佳选择。POP-HMI的组态开发软件基于bbbbbbs平台，界面友好，简单易用，开发人员可在短时间内掌握使用。可编程序控制器为LG  K120S系列PLC ，该系列PLC可同时支持RS232和RS485双串口通讯，通讯功能强大。

    控制各硫化罐的LG PLC通过其通讯口的RS485总线和计算机远程连接成一套集中控制系统。在通信过程中，主控计算机为主站，各硫化罐PLC为从站，通讯协议遵从MODBUS通信协议，从站数目前为12个。POP-HMI文本显示器通过LG PLC的编程口（RS232）与LG PLC相连接，通讯协议为LG PLC的专用协议。

三、控制系统功能描述
控制系统中主控计算机负责整个硫化车间中各硫化罐的硫化工艺参数设定、工作状态显示、故障报警显示记录以及生产状态集中管理。POP-HMI文本显示器则负责各个硫化罐的现场工作状态显示、参数设定及修改；PLC控制器则负责完成设备的顺序控制、传感器信号的采集输入及与主控计算机的通讯连接。
该控制系统设有手动、自动两种工作模式。手动工作模式下，各硫化罐操作箱上的POP-HMI文本显示器用于每个硫化罐的手动参数设定操作和现场状态的显示。自动工作模式下，硫化工艺参数设定由主控工业计算机完成；硫化罐的工作状态、故障报警信息在两种模式下都可以同时在主控计算机的显示器和现场的POP-HMI文本显示器LCD屏上显示。

四、控制软件的功能描述

1、监控室工业PC机软件功能
* 多台硫化工艺参数设定
* 多台硫化罐工作状态监视
* 多台硫化罐故障报警显示及记录
* 生成工作报表及打印

2、现场POP-HMI文本显示器软件功能
  * 单台硫化工艺参数设定
*  单台硫化罐工作状态监视
*  单台故障报警显示及记录

五、结束语
该主从控制系统已调试完毕，实践证明控制系统从站由于选用了POP-HMI低成本小型人机界面，满足了用户对现场人机交互“功能实现成本低”的要求。通过本控制系统的设计开发，为POP-HMI小型文本人机界面用于设备现场低成本人机交互提供了一个典型的应用范例。

1 概述
随着交流变频控制技术的不断发展，交流传动系统得到了广泛应用，并逐步取代直流传动系统。特别是在120t转炉倾动装置传动系统中，该级别转炉的倾动装置，国内外一直采用直流电动机传动控制系统。济钢120t转炉倾动装置采用交流变频传动系统并取得成功。为120t及以上级别转炉倾动传动交流化提供了宝贵经验。为提高炼钢自动化水平,降低生产维护成本奠定了基础。
2  转炉倾动工艺设备概况
2.1 工艺设备结构
济钢120t转炉炉壳为全焊接式固定炉底结构，转炉托圈为焊接箱形结构,其内通循环水冷却，转炉炉壳与托圈的连接,采用三点支承方式，此结构既能有效地在360º范围内支承炉壳又可适应炉壳的热膨胀。倾动装置采用全悬挂扭力杆平衡型式。由以下几部分组成:驱动电动机、一次减速机、二次减速机、扭力杆平衡装置和润滑装置等。扭力杆平衡装置是平衡转炉倾动时引起悬挂减速机(二次减速机)壳体旋转的旋转力矩平衡装置，通过扭力杆扭转来吸收扭矩并将扭矩转化为垂直的拉力和压力，通过扭力杆轴的固定轴承座和浮动轴承座传递到基础上,由于拉力和压力使扭力杆形成相反的扭矩,从而导致产生了吸收倾动力矩的效果。
转炉倾动采用全正力矩方式,即转炉倾动到任一角度时都保证是正力矩，确保转炉在360º回转过程中都是正力矩,事故断电时,转炉能够以自身重力自动返回垂直位置,从而排除翻炉泼钢事故的发生。转炉倾动驱动系统主要工艺设备参数:
转炉容量：125t 大：135t
大倾动力矩：300T.m
转炉折算到电动机轴上的大转动惯量：675kg.m2
机械齿轮速比：523
额定转矩：1700N.m
大力矩倍数：Mcr/Me = 2.9
倾动速度： 0.13—1.3 r/min
倾动角度： 0—360˚
加速时间：4S
变频电动机：4台 132KW  YZP355S-8  AC380V  735r/min
电动机冷却方式：强迫风冷
倾动电动机附编码器： 1024P/R DC24V
倾动位置接近开关：4个
倾动装置制动器：YTD-2000/60
制动器电动机：4台0.55KW  AC380V
转炉托圈耳轴端部编码器: 3600P/R  DC24V
2.2工艺控制要求
120t转炉倾动机械设备采用4台交流变频电动机驱动，4台电动机采用4点啮合全悬挂形式，通过扭力杆装置进行力矩平衡。
转炉倾动控制系统的基本要求为:
(1)4台电动机同步启动、制动及同步运行,根据要求转炉可以在0.13～1.3r/min之间进行倾动速度调节,转炉可以做±360°旋转。转炉倾动时4台电动机负载应相同。
(2)当一台电动机发生故障,而转炉正处于吹炼状态,则剩余3台电动机降速运行维持该炉钢炼完,此时转炉速度控制在0.14～0.8r/min。
(3)当转炉正在出钢、出渣时,交流电源系统发生停电故障,此时利用UPS电源将4台制动器打开,转炉依靠自重复位, 转炉处于安全位置。
(4)当转炉出现塌炉等事故时,倾动机械的机电设备能短时过载,转炉以0.13r/min速度旋转,倾动转炉倒出炉内装盛物,然后进行事故处理。
(5)转炉为全正力矩设计,即在整个工作倾动角度内由0°～士180°方向倾动均为正力矩。
(6)电力系统应能记忆炼上一炉钢时,转炉转动0～180°的电动机参数,如电压、电流转矩等,本炉次转炉冶炼时,应将电动机当前参数与上一炉钢转炉转动时的电动机参数进行对比,如果误差超过10%则报警,操作工人应立即检查设备是否故障。
(7)为防止电动机突然启动对设备的冲击,转炉开始倾动时电动机转速应从零开始逐渐加速,从零到正常速度的加速时间是4S。
(8)由于制动器制动力矩较大,为了防止制动时对设备的冲击,转炉制动时应先通过能耗制动将电动机减速,当转炉倾动速度接近零时,制动器失电制动,制动时间为4S。
(9)在现场操作台和CRT上设置故障报警灯,显示转炉稀油润滑系统是否正常,稀油站的故障信号包括油位低、油压低及油温高,三种故障信号合成一个"给油异常"信号,当此信号灯亮时,操作工人应立即检查及排除稀油站故障。
(10)转炉在零位时如果电动机的驱动力矩大于700Nm,则报警,操作工人应及时检查制动器是否出现故障。
(11)如果电动机大驱动力矩大于1800Nm10秒以上则报警,此时表示电动机超负荷工作,检查机械系统,有故障立即排除。
(12)转炉正常操作时,电动机驱动力矩不得大于2290Nm。
(13)转炉倾动时必需选择3台以上电动机工作才能操作,如果选择2台及以下时则报警。
转炉冶炼工艺过程转动角度及速度控制范围要求见表1

3 电气传动控制系统方案
3.1交、直流电动机传动控制方案的技术性能比较
120t转炉倾动装置驱动电动机，国内外以往一直采用直流电动机，随着交流变频控制技术的发展，交流传动系统得到了广泛应用，并逐步取代直流传动控制系统。在济钢120t转炉倾动系统设计阶段，我们对两种方案进行了详细的技术调查及性能比较。
1）交、直流电动机传动控制方案的技术性能比较,见表2

表2：交、直流电动机传动控制方案的技术性能比较表
序号项目直流电动机控制方案交流电动机控制方案
1 电动机功率 110kW 132kW
2 短时过力矩能力 280%~300% 200%~220%
3 转速颠覆的可能性不可能有可能
4 电动机的价格高低
5 电动机的可维护性较差好
6 传动控制系统结构复杂较复杂
7 调速性能好好
8 力矩预置（针对转炉）容易困难
9 综合评价（针对转炉）适合采用可以采用

2）交、直流电动机机械特性比较,见图1

直流电动机机械特性N-M曲线                交流电动机机械特性N-M曲线
图1: 交、直流电动机机械特性N-M曲线
通过以上技术性能和电动机机械特性比较,采用交流电动机传动，电动机及变频装置的选择应注意以下两点：
1) 交流电动机
Ø 电动机功率应足够大，Pe-ac≥1.2Pe-dc
Pe-ac: 交流电动机额定功率
Pe-dc: 直流电动机额定功率
Ø 电动机过力矩能力应足够大,Mmax=0.75Mcr≥1.2Mjmax,
应选择Mcr=2.8~3.0Mn的电动机，以避开上图所示的转速颠覆区。
Ø 电动机型式：变频，带强迫冷却风机
    2) 变频传动装置
Ø 应采用矢量变换型并具有低频力矩补偿功能的变频传动装置。
Ø 变频传动装置应具有电动机励磁预置特殊功能
Ø 变频传动装置应具有足够大的过载能力，满足Ivfmax≥2Ide,1min。
Ø 变频传动装置制动方式：为适应转炉工作区间内力矩波动大的状况，实现均匀加减速，克服机械设备的扭力振动，提高转炉停车的稳定性，理论上采用回馈制动方式较理想，但考虑到变频装置回馈制动单元长期频繁运行，易发生逆变颠覆，造成系统停机。因此，为保证系统可靠、稳定运行，采用传统的能耗制动方式。
3.2 交流电动机的力矩校验
济钢120t转炉倾动装置驱动电动机技术数据如下：
电动机型号：YZP355S-8
电动机功率：132Kw
额定转速：735 r/min
额定电压/电流：380V/270A
额定转矩：1700Nm
大力矩倍数：Mcr/Me=3.0
冷却方式：强迫风冷
1) 力矩校验基本计算
Ø 电动机额定转矩：1700Nm
Ø 折算到电机轴上总负载力矩：
Miz=260＊103/551/0.92=5130(Nm)
单电机轴上负载力矩:
4台工作：Mi4=5130/4=1283(Nm)
3台工作：Mi4=5130/3=1710(Nm)
Ø 折算到电机轴上总加速力矩：
Mjz=657＊735/375/4=3220(Nm)
单电机轴上加速力矩:
4台工作：Mj4=3220/4=805(Nm)
3台工作：Mi4=3220/3=1073(Nm)
2) 校验计算结果
表3：校验计算结果

注：表中的计算是以电动机的额定力矩Me为基准。该型号电动机的正常过载能力（S3）为200%Me，60S; 非常过载能力为220%Me，15S。表中大动态力矩系数1.1,是考虑到电动机负载的不平衡性而确定的。塌炉力矩系数2.5,是根据工艺给出的估算值。
3.3 电气传动控制系统方案
根据以上的分析计算及工艺控制要求, 济钢120t转炉倾动装置电气传动控制系统选用4套罗克韦尔公司的直接转矩控制变频装置（型号：1336E-BP300-L8E-GM6；功率：224kW）,倾动主回路采用4台电动机一对一的结构，即4套变频装置控制4台电动机，以便提高系统的可靠性和灵活性。
该系统带编码器速度反馈；通过设备网（DeviceNet）与PLC通讯；具有两倍的过载能力，1分钟的条件；采用能耗制动方式；具有低频力矩补偿功能，电动机励磁预置功能和力矩电流平衡等功能，控制电源采用UPS供电,能够满足倾动设备的力矩控制要求。

见图2：倾动装置控制系统结构图

4 关键技术的应用
1) 根据转炉工作特点，4台电动机必须同步启动、制动及同步运行。如何实现这一要求，是该系统的关键。该方案中，4套变频器对应4台电动机, 正常情况下采用一主三从的控制方式,通过通讯方式调节一个速度环一个电流环来控制4台电动机同步启动、制动及同步运行。
以1#变频器为主为例，系统调节原理图如下：

图3: 通讯方式系统调节原理
通讯故障情况下，采用1#变频器为主的控制方式，通过模拟量信号调节一个速度环四个电流环来控制4台电动机同步启动、制动及同步运行。示意图如下：

图4: 通讯故障方式系统调节原理
2)如何实现电动机励磁预置，满足倾动设备满转矩启动要求
本方案通过设备网（DeviceNet）的通讯方式改变变频器参数值，满足主从选择和电动机励磁预置功能。通过主令发出预励磁指令，信号传到PLC中，再通过设备网（DeviceNet）的通讯方式向4台变频器发出‘电机预励磁’信号, 电机励磁迅速建立，实现零转速满转矩启动，满足了倾动设备满转矩启动要求。另外，通过CRT操作画面选择几号变频器为主，然后通过设备网（DeviceNet）向1台变频器发‘本机为主’信号。
3)如果1台电动机或变频器故障，允许3台电动机正常工作
通过切除故障电动机或变频器主回路电源，使故障电机完全处于被拖动的机械负载状态。因为控制回路采取了4台抱闸同时动作的控制方式，不会使电动机运行受阻。如果是主变频器或电机故障，需要重新选择另一台变频器为主。
4)施耐德Quantum PLC 与DeviceNet通讯问题
由于转炉自动化控制系统采用了施耐德Quantum PLC,而该传动控制系统为美国A-B公司变频装置，其通讯方式为DeviceNet网络协议。因此，解决两者之间通讯问题成为系统实现自动的关键。
本方案在施耐德Quantum PLC中采用DeviceNet Scanner模块140SAC-QDNET-010,配置A-B公司DeviceNet网络通讯组态软件9357-DNETL3,9355-WABENE,成功解决了Quantum PLC与A-B公司DeviceNet之间通讯。实现了转炉倾动系统网络自动控制。