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.引言
变频调速技术在我国水泥行业的应用日趋广泛。在生产工艺需要调速的许多环节，如回转窑、单冷机、喂料机、配料系统、风机、水泵等，以交流变频调速取代调压调速、滑差调速以及直流调速己成为一种必然趋势。在水泥粉磨工艺中，环磨机入磨物料粒度的大小，对其台时产量影响较大，预破碎工艺作为提高磨机台时产量、降低粉磨电耗的重要途径，引起了许多水泥企业的重视。水泥生产工艺决定了水泥立窑放料每次持续2～3分钟，但几乎所有水泥企业中破碎机处于工频恒速运行状态，24小时连续运转，造成电能的巨大浪费，并影响电机和破碎机的使用寿命。另一方面，由于破碎机具有相当大的惯性，不易频繁启停，使用变频器也难以解决系统制动时产生的泵升电压引起保护电路动作，使系统无法正常工作的问题。
针对系统的以上特点，本文设计了破碎机变频拖动PLC控制系统，利用变频器实现破碎机的变频调速和软启动，利用再生能量回馈单元克服破碎机制动过程中产生的过高的泵升电压，利用PLC实现系统的逻辑闭环控制，使破碎机的工作与立窑放料同步，实现间歇运行，从而在改善工艺控制质量的大限度地节约了电能，降低了生产成本。现场调试和运行结果表明，系统运行可靠，节电率可达60%以上。
2粉磨工艺流程
水泥粉磨工艺流程如图1所示。熟料出窑后由提升机送入熟料库，熟料、混合材、石膏按重量配比后进入皮带机，出皮带机的物料先入磨前提升机，再输送到回转筛。回转筛筛余粗料入立
筛下的细料则入水泥磨。成品从旋风式选粉机细粉出口入成品库。立窑每放料一次，由窑口处的远红外测料仪检测到放料信号后，启动链式输送机输送物料，每次持续2～3分钟，间隔2～3分钟，开始下一次放料和产料。改造前熟料破碎机由工频电源直接供电，在立窑不放料时，则处于空转状态（空转率达50%），浪费大量能源。由于破碎机运行速度过高，在放料时，也存在严重能源浪费。对其进行变频改造能够产生巨大的经济效益。
3系统硬件设计及工作原理
本系统主要由变频器、可编程控制器PLC、能量回馈装置和远红外测料仪组成。现分别介绍如下：
（1）变频器。水泥熟料破碎机属于大惯性、近似的恒转矩负载，对变频系
统有特殊要求。保留原交流电机，选用FRN37G9S-4CE型恒转矩负载专用通用变频器，它具有转矩矢量控制、转差补偿、电压AVR自整定以及负载转矩自适应等一系列先进功能，在无速度传感器的开环运行条件下，采用磁通矢量控制和电机参数自动测试等功能后，其调速性能达到甚至高于直流调速系统性能。变频器接线原理如图2所示，所有动作都由PLC控制。J10为能量回馈单元内部继电器，当能量回馈单元出现故障时，J10断开，使主频器THR端子OFF，可瞬间封锁U，V，W输出，经PLC（J5＝on）产生系统故障连锁和报警。
（2）可编程控制器PLC。可编程PLC因其性能可靠、操作方便、程序修改简单及适应恶劣工作环境等特点而深受水泥行业科技人员和维护人员的青睐。本系统选用富士公司的FLEX-PCNB0-P14型PLC，完成系统的逻辑控制及手动/自动、工频/变频转换和故障知切换等功能，控制灵活方便。图3是其输入输出外部接线图。当远红外测料仪检测到窑口出料信号，继电器J4吸合，经PLC延时30s后输出Y10＝on，启动变频器开始运行，破碎机开始工作。根据现场工况的需要，将变频运行给定频设为43Hz。当立窑放料完毕，继电器J4失电，PLC延时30s后输出Y10＝Off，变频器按设定的制动时间减速停车。当遇到设备故障或特殊情况需要停车时，可按下停止按钮TA1，PLC输出Y11=off，此时破碎机运行于自由停车状态，并在减速到零后，输出Y12＝off，断开变频器。
系统设有工频/变频运行切换开关K4以及手动/自动运切换开关K5。
在一般情况下系统要求变频运行，K4置于“变频”位置，X2=on，PLC输出Y12=on，系统进入变频准备状态；如果变频器故障，可将K4置于“工频”位置，X2=off，PLC输出Y12=off，破碎机工频运行，可继续使用。K5用于决定破碎机的工作状态是连续恒频运行还是根据水泥窑送料信号断续调频工作。当K5置于“手动运行”位置，PLC忽的工作状态是连续恒频运行还是根据水泥窑送料信号断续调频工作。当K5置于“手动运行”位置，PLC忽视继电器J4的状态，仅根据启动和停止按钮QA1和TA1的动作控制破碎机的启制动运行；当K5置于“自动运行”位置，则PLC根据有无“送料信号”经延时滤波后控制破碎机的起制动运行。
（3）再生能量回馈装置。由于水泥立窑放料是间歇运行状态，破碎机属大惯性负载，存在着调速装置制动时产生的再生能量的处理问题。通常的处理方法是将再生能量通过设置在变频器直流回路中的制动电阻放电以热的形式消耗掉，以达到系统制动的目的。这就存在着电阻器放置的问题以及在制动时间长或需要连续制动运行的场合，电阻温升的限制。而能量回馈单元可进行连续的再生制动。我们选用了富士公司的RHR系列能量回馈装置，相对电阻制动方式，本装置可大大节省空间，安装场所的自由度大，制动产生的热量也大幅度减低。
图4表示变频器和能量回馈装置的连接方式。主回路部分，由晶体管桥、限流电抗器组成。能量回馈装置和变频器的直流回路连接。电动机电动运行时，由变频器内部的整流二极管从电网侧提供电能；电动机再生发电运行时，在变频器直流侧面产生较高的泵升电压，当泵升电压高于610V，二极管导通，通过能量回馈装置将再生能量回馈到电网侧，变频器直流侧电压被限制在610V以下。晶体管桥、电网是同步进行通断的。限流电抗器2ACR的作用是限制回馈电流，平衡压差。晶体管开通时，限流电抗器的作用下，装置以有源逆变方式将再生能量送回电网。“TA”为紧急停车按钮，为设备故障或需要紧急停车时备用。
4.PLC的程序设计
PLC软件采用梯形图语言，实现各种逻辑控制、变频器起制动控制及手动/自动、工频/变频转换和故障自切换等功能。程序框图如图5所示。
5.运行结果
上述系统已于1998年8月在山东省某水泥厂投入实际运行。系统根据送料信号自动实现启制动运行，破碎机运行速度连续可调。电机可以实现频繁软启动，基本无启动电流冲击，启动力矩足够。系统在变频运行条件下，若变频器突然故障，则自动切换至“工频”状态继续运行，发出声光报警信号（内部可选）。根据现场工况需要，将有放料信号时变频运行给定频率设为43Hz，系统运行电流为27A，运行电压280V，改造后的系统平均每年耗电5.7万度。根据现场记录，系统在改造前工作频率为工频50Hz，运行电流为32A，运行电压400V，平均每年耗电19.42万度。改造后的节电率为70.6%。该系统的突出优点如下：
（1）利用变频调速技术改造了水泥熟料破碎机的拖动系统，满足了破机
的低速、间歇运行特点，保证了工艺控制质量，节能效果明显，并有利于延长破碎机和电机的使用寿命。
（2）利用能量回馈控制技术克服破碎机大惯性引起的泵升电压，有效保
证了变频器的安全运行。系统除了变频器和能量回馈装置所具有的20余种保护功能和故障自诊断功能外，还增设了电机过热、控制回路保护及报警。
（3）利用可编程控制器PLC实现了各种逻辑控制、变频器起制动自动制
及手动/自动、工频/变频转换和故障自切换等功能，使系统控制灵活方便，功能齐全。
一、系统概述
FA506型细纱机是目前成纱质量好，自动化程度高，操作简单，便于管理的环锭细纱机，适用于纯棉或化纤的纯纺和混纺的细纱工序，尤其采用PLC作控制器，不但提高了控制精度，解决了生产管理方面存在的缺陷，大大降低操作者劳动强度；锭子曲线控制也提高了纱线的质量，保证了纱锭成型，提高了全机的产量。
系统设计特点:
1、用PLC控制整个纺纱过程，具有程序开车、钢领板自动升降、中途停车后自动跟踪开车、自动落纱、自动留头等。
2、设定纺丝的工艺参数，依据工艺要求自动协调控制；实现定长落纱和锭子速度曲线控制。
3、 显示纺纱过程的锭速、牵引倍数、细纱号数、捻度以及班产累计等。
4、 采用数字通信，提高了系统的抗干扰性。
二、系统硬件
电气控制系统包括：数字量输入及数据检测部分、可编程控制器部分、执行机构、人机界面。见图一
1、 数字量输入及数据检测部分：
1） 各种数字量开关包括开停车开关、功能开关，用于开停车与实现工艺要求的各种功能动作。
2） 三自动检测部分由关主电机、下钢板、刹车传感器构成。其作用为当落纱开始后能自动适位停车、自动留头、为重新开车降低断头创造条件。
3） 数据检测部分由主轴、前罗拉、后罗拉传感器组成。其作用是自动检测纺纱过程中主轴、前后罗拉的运行数据，为计算班产量、锭速、牵引倍数、细纱号数、捻度等工艺参数以及为锭子速度曲线控制提供数据。
2、 可编程控制器（PLC）部分：该部分主要由永宏FBs-60MC主机与扩展模块构成，可编程控制器专为工业环境而设计的通用自动化装置，它吸取了微电子技术、计算机技术及自动化技术的新成果，采用可编程的存储器，实现逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算，并通过数字式、模拟式的输入和输出控制各生产过程，永宏FBs-60MC主机有16点数字量输入、24点数字量输出，可带7个扩展模块，本系统设计所有数字量输入全部由主机完成，模拟量输入由扩展模块有FBs-6AD 完成
3、 执行机构包括主电机、吸风电机、钢领板升降电机、自动润滑装置、自动清洁装置、变频器、落纱电源等，用于完成纺纱过程的全部工艺动作。其中变频器锭子速度控制由变频器、锭子传动部分、主电机构成。其作用是变频器根据PLC的指令（锭子速度控制曲线）自动调整锭子运行，提高纱线质量和产量。
4、 人机界面采用TP27触摸显示屏做人机界面，完成参数设定、显示，可直接设定锭子运行曲线，实现控制柔性化。并能根据工艺要求修改参数。TP27与PLC之间以PPI协议通讯。
二、 软件设计：
电气控制软件分为：控制主程序、参数设定显示子程序、计算采样子程序、数字通讯子程序和锭子运行曲线子程序。
1、 控制主程序软件主控制程序部分，依据工艺要求编制的程序，上电后自动检测各开关量和传感器输入的数据，完成整个纺纱过程自动控制和调用子程序。
2、 参数设定显示子程序主要依据TP27配置完成参数设定显示，包括班次设定、错误设置提示，总产量、班产量累计显示、锭子速度、前罗拉速度、牵引倍数、捻度、产量、细纱号数等参数显示。其中参数设定菜单程序结构见框图二
3、 计算采样子程序主要依据主轴、前罗拉、后罗拉数据检测传感器采样结果以及设计参数完成系统计算，用以完成各类显示参数的计算及定长落纱等功能。
4、 数字通讯部分和锭子运行曲线子程序主要采用自由口通讯协议完成与变频器的数据传输。通讯设置自由口通讯控制寄存器设置为自由口通讯方式，程序通过接收中断和发出中断以及发送指令XMT控制通讯口的操作，在自由口通讯方式下通讯方式由程序梯图控制。通讯设置还定义了波特率、校验方式和数据长度等。为了使锭子运行曲线平滑。在设定的点与点之间采用数学建摸的方法拟合发送参数，该部分程序框图见图三。
三、 通讯设计：
该控制系统大特点是应用数字通讯方式完成TP27与PLC以及PLC与变频器之间的数据传输。PLC的Prt0口与TP27连接，以PPI协议通讯完成参数设定显示，Port1口与变频器相连，以自由口协议通讯完成锭子运行曲线控制，以往我们进行锭子速度曲线控制时只能选用模拟量来控制变频器运行，这样硬件成本高且控制精度较低。采用数字通讯后，硬件仅为一条屏蔽线，抗干扰能力增强，为实现联网传输控制参数提供了条件，降低了控制成本;数字通讯高精度、高可靠性和低成本极大的提高了机器性能比和市场竞争能力。
四、应用效果
FA506型细纱机控制系统前身采用PLC开关量控制和协议参数仪构成，全机控制精度低，可靠性和抗干扰性能差，系统成本高。采用永宏FBs-60MC系列PLC构成系统后，全机控制采取数字通讯方式，控制精度高，可靠性和抗干扰性能大为提高。利用“提高软件设计水平来降低硬件投入”原则，极大降低了系统成本，单机实现成本降低达控制系统的10％左右，极大提高了产品盈利能力，市场前景十分广阔。
在工业控制系统中，PLC作为一种稳定可靠的控制器已经得到了广泛的应用。由于中小型PLC的人机接口功能不很完善，不能提供给用户一个友好的交互界面，妨碍了对现场运行过程的跟踪与监控。
PLC实际工作中，通常人们采用4种装置为PLC配置人机界面：编程终端、显示终端、工作站及个人计算机。编程终端主要用于编程与调试，其监控功能相对较弱。显示终端的功能比较单一，主要用作现场显示。工作站系统很受用户欢迎，它功能全面、使用简单，但由于要配置组态软件，价格比较昂贵。个人计算机可配备多种语言，提供优良的软件平台，开发各种应用系统，特别是动态画面显示等，与PLC相结合组成一套PC-PLC监控管理系统，能够充分发挥它们各自的优点。在该系统中，关键的问题就是通信，用户对此须做较多的开发工作。
本文详细阐述了PC与PLC互连通信的一般方法，并以永宏公司的FATEK-FBSPLC为对象，以实际四层电梯模型监控系统为例，介绍了利用大家都熟悉的编程语言Visual Basic和Step7，实现PLC与上位计算机实时通信的通信过程。
2 通信方式
面对众多生产厂家的各种类型PLC，它们各有优缺点，能够满足用户的各种需求，但在形态、组成、功能、编程等方面各不相同，没有一个统一的标准，各厂家制订的通信协议也千差万别。目前，人们主要采用以下三种方式实现PLC与PC的互联通信：
(1)通过使用PLC开发商提供的系统协议和网络适配器，来实现PLC与PC机的互联通信。由于其通信协议是不公开的，互联通信必须使用PLC开发商提供的上位机组态软件，并采用支持相应协议的外设。可以说这种方式是PLC开发商为自己的产品量身定作的，难以满足不同用户的需求。
(2)使用目前通用的上位机组态软件，如组态王、InTouch、WinCC、力控等，来实现PLC与PC机的互连通信。组态软件以其功能强大、界面友好、开发简洁等优点目前在PC监控领域已经得到了广泛的应用，一般价格比较昂贵。组态软件本身并不具备直接访问PLC寄存器或其它智能仪表的能力,必须借助I/O驱动程序来实现。也就是说，I/O驱动程序是组态软件与PLC或其它智能仪表等设备交互信息的桥梁，负责从设备采集实时数据并将操作命令下达给设备，它的可靠性将直接影响组态软件的性能。在大多数情况下，I/O驱动程序是与设备相关的，即针对某种PLC的驱动程序不能驱动其它种类的PLC，组态软件的灵活性也受到了一定的限制。
(3)利用PLC厂商所提供的标准通信端口和由用户自定义的自由口通信方式来实现PLC与PC机的互连通信。这种方式由用户定义通信协议，不需要增加投资，灵活性好，特别适合于小规模的控制系统。
通过上述分析不难得出，掌握如何利用PLC厂商提供的标准通信端口和自由口通信方式以及大家所熟悉的编程语言来实现PC与PLC之间的实时通信是非常必要的。
3 FATEK-FBS PLC通信方式及原理
FATEK-FBSPLC内部集成的PPI接口为用户提供了强大的通信功能，可在多种模式下工作：PPI、Profibus-DP、自由口方式等。其中自由口通信方式具有特色，通信协议可完全由梯形图程序控制，通过它可以实现PLC与任何具有通信能力的设备进行互连，在本系统中选用自由口通信方式。
目前PLC与PC机的链接通信有两种方式，一种是PC机始终处于主导地位，数据的传送都由PC机定时发出命令，一种是PLC始终具有优先权。在本电梯模型监控系统中所有的控制信号均为开关量信号，考虑到上位PC机仅实时显示电梯的运行状态，不需向PLC发送控制指令，采用第二种通信方式。利用PLC循环扫描的特点，设备状态一旦改变，PLC立即检测到，并将反映系统状态变化的数据存入指定的数据缓冲区，通过XMT发送指令，将数据通过COM口发至上位机。每个系统的状态对应于数据缓冲区中的一个指定字节，所存储数据均为16进制数据，为保证通信过程的可靠性，上位机对所接受到的数据进行首尾字符校验，如果校验成功，则说明接收到的首末字节之间的数据是正确的，从而进行处理，否则，放弃这批数据，要求对方重发。
4 应用实例与程序设计
(1) 系统构成
FATEK-FBSPLC内部集成的PPI接口物理特性为RS485，而上位机的标准串口为RS232，为了实现两者的通信必须进行协议转换，永宏公司提供的PC/PPI电缆带有RS232/RS485电平转换器，再不增加任何硬件的情况下，可以方便的实现二者的互联和协议转换。
作为控制器的FATEK-FBSPLC利用电梯模型自带的电源线实现与四层电梯模型的互连，该电梯模型为教学试验装置，具备一般电梯的基本功能。硬件连接如图1所示。
图1 硬件连接示意图
(2) PLC部分编程
① 自由端口的初始化
在自由口通信模式下，通过设置特殊存储器SMB30（端口0），来为自由端口通信选择波特率、奇偶校验和数据位。这些设定必须与PC机设定值相一致。其格式如下：
SMB30
pp为奇偶校验选择，d为数据位选择，bbb为波特率选择。
 00为无校验，0为每个字符8位，000为38 400
baud，001为19 200baud；
 01为偶校验，1为每个字符7位，010为9 600 baud，011为4 800baud；
 10为无校验，100为2 400baud，101为1 200baud；
 11为奇校验，110为600baud，111为300baud；
mm为协议选择：00为PPI协议，01为自由口协议，10为PPI/主站模式，11默认为PPI/从站模式。
② FATEK-FBS PLC实时向上位PC机传送数据
图2 下位机程序流程图
在对电梯模型控制中，所有的控制信号均为开关量，基于这一特点，系统状态的改变即为这些开关量信号状态的改变，可通过跟踪这些开关量信号的上升沿信号、下降沿信号的到来，做为系统状态改变的依据。据此在本系统中，通过对同一个开关量信号的上升沿、下降沿分别定义不同的16进制数的方式，来代表信号的产生与结束，当检测到这些信号产生时，便将这些数据存入指定的数据缓冲区中的字节中，并通过COM口发至上位PC机，产生发送完成中断，PLC延迟等待接收来自上位机的应答信号，通过分析存储在接收字符缓冲器SMB2中的数据，判断是否需要重新发送。下位机程序如图2所示。