西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8方法说明
0 引 言
目前,低压开关柜广泛使用各种电气逻辑控制和微机数字设备,实现远程测控、调节和信息查询。远程测控中包括遥测、遥信、遥调和遥控等操作,“四遥”已成为智能型低压开关柜中基本和必备的功能。
一级配电设备动力配电中心( PC)低压开关柜和二级配电设备电动机控制中心(MCC)的低压开关柜,在智能化方面有以下基本要求:①智能装置与通信管理中心(CCU)之间建立数字通信连接和信息交换控制管理,CCU与上位监控系统之间也建立数字通信连接和信息交换控制管理; ②对进线、母联等重要断路器按备自投(BZT)的电气逻辑要求实施投退操作;③上位系统可通过信息管理通道发布对电动机的起动、变速、停运及重起动等控制命令,还可获取各种运行参数及状态信息;④全系统的工况包括电力系统的实时与历史运作数据。通过人机界面(HM I)实时地反映给操作者。
在实际运作过程中,由工控设备和开关设备组合实现“四遥”前端操作,逻辑控制和通信管理由PLC实现,人机界面则作为人机对话单元。
本文对如何利用ABB 的工控元件组建智能化低压开关柜的相关技术进行探讨,并对PLC中相关的程序过程进行适当的描述。
1 主要工控元器件
(1)EM-Plus是ABB的电力智能仪表,它一般用于0. 4 kV的进线回路。
(2) EM一般用于低压母联和低压馈电回路的遥测。
(3) RSI32 /RCM32 /RCU16用于低压馈电回路的遥测、遥信和遥控。
(4) M102-M和M102-P电动机测控综保单元。用于Modbus总线和Profibus-DP总线。
(5) AC31系列PLC的主机07KR51用于建立逻辑控制和RS-485 /Modbus信息交换。
(6) ABB的AC500系列PLC PM581-ETH用于构建通信管理中心。
2 PC的智能型低压开关柜
一般低压开关柜采用继电器建立电气逻辑控制关系,它存在继电器较易损坏、触点抖动、线路复杂和数据发送困难等问题。利用PLC能够彻底地解决上述问题。解决的要点为:①建立总线系统,解决“四遥”前端信号的采集、传递的通道问题;②利用智能仪表采集各种电参量,各种数字信息通过通信总线传递给上位电力监控系统;③系统中设置手动和自动操作模式,方便操作控制; ④控制程序对所采集各种电参量进行解读、分析和处理,除供自身使用外,还可将各种信息加上SOE时间标签后发送给上位系统;⑤利用PLC可建立冗余的控制逻辑、总线体系和通信管理,提升了系统的智能化及可靠性。
2. 1 三进线两母联智能型低压开关柜固件配置
三进线两母联低压系统(见图1)各路进线回路和母联回路采用式断路器,进线回路的电力仪表采用EM-Plus,母联回路的电力仪表采用EM。QF4的逻辑控制单元采用07KR51,其余断路器的逻辑控制单元采用ICMK14F1。
在每段母线中配套安装了多路塑料外壳式断路器馈电回路和1套电容补偿开关柜。馈电回路的信息采集装置为RSI 32、RCM 32和RCU16,电容回路的测控仪表采用RVT。馈电回路监测开关和保护动作状态及单相输出电流,执行遥控分闸操作。
系统中配置了发电机进线断路器。当任两路市电失压时起动发电机对系统供电;当两路以上市电恢复后则由市供电,关闭发电机。发电机的起停由备自投程序负责。
在开关柜的母联回路中安装了CCU及HMI等设备。其中,逻辑控制单元为07KR51,通信单元为07KP53,CCU为PM5812ETH, HMI为CP450-ETH。上位电力监控系统需要采集开关柜中的所有信息,并通过以太网与CCU交换信息。
开关柜内的总线采用RS-485 /Modbus-RTU接口和规约。
2. 2 系统控制电气逻辑说明
I段进线接线如图2所示。QF1 的D I/DO信息接入远程单元ICMK14F1中, KC和KO为合闸与分闸出口继电器。
PLC的工作电源由3套市电进线端经继电器互投构成的WK工作电源。建立WK工作电源的目的是防止因为某段进线出现失压而使PLC系统掉电。
EM2Plus的通信接口接入COM3 /COM4环形通信总线,而远程功能扩展单元ICMK14F1的通信接口则连接到07KR51的CS31总线。
2. 3 现场通信网络
系统中配置了2套命名为1CCU和2CCU的07KR51和07KP53组合。1CCU的COM2 设置为RS-485 /CS31总线接口, 速率为187. 5 kb / s。COM2连接远程扩展单元ICMK14F1,由此将6台断路器的自动操作互相关联起来。现场通信网络如图3所示。
常态下BZT将COM3 设置为主用,而COM4设置为备用,故COM4 处于高阻态,此时的环状总线实质为起始于COM3的链状总线;当BZT侦测到COM3 发生通信故障后,立即将COM3 设置为备用,将COM4设置为主用,这样,环状通信总线变为起始于COM4的链状总线;当通信回路的中间某处发生断路时,BZT还可将COM3和COM4设置为主用,形成两条分别起始于COM3 和COM4 的链状总线与子站交换信息。
07KR51与智能装置之间的通信速率为19. 2kb / s,而07KR51与PM5812ETH之间的通信速率为0. 96～750kb / s。
电力监控系统在以太网上用Modbus-TCP从PM5812ETH中获取数据定义表。
2. 4 BZT软件功能
BZT的互锁逻辑是以电力系统状态的方式隐含的,BZT依据电力系统的状态进行断路器的投
退操作。BZT程序流程如图4所示。
2.5 PM5812ETH与人机界面CP4502ETH
PM5812ETH 通过COM2 通信接口与HMICP450-ETH连接起来。
在HM I中,操作者可读取所有被监测的遥信、遥测和遥调参量,并可执行遥控操作。
3 智能型低压开关柜
MCC与PC相比,有如下不同: ①MCC的重点在电动机综保单元MCU与CCU的信息处理和信息交换上; ②在MCC的通信组网中更加注重于MCU与CCU的快速信息传输。
利用ABB 的M1022M电动机综保单元配套PLC和HM I,按Modbus总线方案构建MCC的智能化系统。
3. 1 固件组成
3. 1. 1 M1022M的标准接线
在MCC型低压开关柜中通常配置了数百套电动机回路。其中M1022M的RS-485通信接口数量为2套。M1022M采集系统的输入电压、输出电流和零序电流等参量,还采集断路器、接触器、外部互锁接点等遥信参量,M1022M据此获取了表征电动机运行工况的全部信息资料。DCS系统可经过通信管理中心CCU获取这些信息资料,还可对电动机实施遥控操作。
3. 1. 2 使用Modbus总线的网络结构
系统有上位监控系统、通信管理中心和MCC开关柜现场3个工作层面(见图5) 。
(1)上位监控系统。包括过程控制系统DCS和变电站电力监控系统SCADA。
(2)CCU。其任务是,将来自现场层面的各种数据打包传输给SCADA和DCS,将来自SCADA和DCS的控制信息发送到相关的MCC开关柜现场。CCU的主要部分由PM581-ETH及其附件构成。AC500的以太网通信模块CM577-ETH具有1 套RJ45 接口, 通过该接口PM581-ETH与SCADA 和DCS交换数据,通信协议是Modbus-TCP,传输速率为10 Mb /s。上位监控系统在以太网上通过IP地址区分MASTER-CCU和SLAVE-CCU。HMI通过PM581-ETH的本体以太网连接到MASTER-CCU和SLAVE-CCU。
(3) MCC开关柜现场。其任务是,建立冗余的信息访问通道,通过对MCU单元的循环访问使CCU获得所需信息。
3. 2 CCU与MCU之间的访问机制描述
常态下CCU 与MCU 之间的访问是通过MASTER2CCU通道进行的。
平时MASTER-CCU与M1CCU进行正常的数据交换,经过交换获得的数据在MASTER-CCU中打包保存。在常态下,MASTER-CCU中的正常工作标志NORMAL有效, SLAVE-CCU 检测到MORMAL有效后,定时从MASTER-CCU 的数据区中获取数据来更新自己的数据区。
CP450-ETH也不断检测MASTER-CCU 的状态标志NORMAL 是否有效,在NORMAL有效的状况下,人机界面从MASTER-CCU中获取信息并形成各种功能界面供操作者使用。
当MASTER-CCU发生故障时NORMAL = 0,则SLAVE2CCU 启动相关进程与S1CCU交换信息,并且从S1CCU获取M1022M的数据。人机界面的交换信息也发生类似的变更;若MASTER-CCU死机,则必须由上位系统对SLAVE-CCU 发布启动命令。
当MASTER-CCU 故障解除后, SLAVE-CCU在侦测到NORMAL = 1后立即执行更新MASTER-CCU的数据区的操作, 之后MASTER-CCU重新开始执行管理中心工作,系统恢复为原状态。
在正常工作状态下,若M1CCU 与某路MCU的通信发生故障,则系统将自动记录该MCU的地址数据, 从SLAVE-CCU/S1CCU 通道与该MCU建立信息交换通道,并将信息传递给MASTER-CCU的对应数据区中;MASTER-CCU和M1CCU中都将出现报警信息,DCS/SCADA能根据报警信息得知故障原因及当前通信状态。
MCC开关柜的Modbus总线方案2程序流程如图6所示。
4 结 语
本文描述了如何利用ABB 的工控产品构建MCC低压智能开关柜的智能化系统,简要地介绍了系统的网络结构和通信机理。
MCC智能型低压开关柜与PC智能型低压开关柜在组建通信系统方面有很大的不同。当PLC应用在MCC智能型低压开关柜中时,低压开关柜对PLC组件的要求如下:①在MCC开关柜中,主要利用PLC强大的通信功能,而对D I/DO等信息几乎无需求;②在MCC开关柜中,一般都要求建立冗余的通信网络和冗余的主从通信控制机制。
文章主要介绍转炉炼钢变频控制系统的设计与应用，叙述了转炉倾动、氧枪升降变频控制系统的原理和设计，投运后，系统稳定、可靠、效果良好。
1 引言
福建省三钢（集团）有限责任公司（以下简称三钢公司）炼钢厂的转炉炼钢工艺较复杂，检测参数多，设备动作频繁。工艺参数检测的准确与否，自动控制水平的高低，直接关系到钢水质量与产量的高低。为此，必须有一套检测准确及时，自动控制水平较高的控制系统，才能稳定生产，满足企业生存与发展的需求。
2 转炉倾动的负载特点
炼钢就是把从高炉出来的铁水和废钢装入炼钢炉内，通过氧化脱碳及造渣过程，降低有害元素，除去炉气及炉渣，冶炼出符合要求的钢水来。
目前炼钢的方法主要有三种，即平炉炼钢法、转炉炼钢法、电炉炼钢法。大部分采用氧气顶吹转炉炼钢。其优越性是有利于实现生产过程的自动化。
2.1 氧气顶吹转炉炼钢的主要设备有
（1）原料供应设备：包括铁水废钢、散状材料及铁合金等的供应；
（2）转炉主体设备：它由炉体、炉体支承装置和炉体倾动的电力拖动控制系统等组成；
（3）吹氧装置：氧气转炉炼钢时，用氧量大，要求供氧及时，氧压稳定，安全可靠，必须有一套完善的设备来保证向转炉供氧；
（4）烟气净化处理设备；
（5）炉渣处理设备，炉外精炼设备，铸锭设备。
根据工艺要求，转炉倾动角度为正负360°。转炉的炉子耳轴下部比上部高，下部比上部重，按正力矩设计。当转炉电控系统失灵或抱闸力不够时，依靠炉体本身的正力矩来确保炉口向上，不发生倒钢事故。
在转炉正常工作时，如果需要倾倒钢水，就由电动机输出正力矩，带动转炉缓慢倾动。倒完钢水后，需要缓慢的把炉体回归正位，这时，就需要把转炉的势能回馈系统，电动机工作在回馈状态。
2.2 转炉对传动系统的要求
由于转炉的工艺和传动技术特点，转炉对传动系统有很高的要求：
（1）机械倾动转炉能连续回转360°，并且能准确停止在任意位置上，还应根据工艺要求具有调速性能。其倾动位置能与氧枪、盛钢桶车及烟罩等相关设备有一定的连锁要求；
（2）在运转过程中，必须有大的安全可靠性，在电气或机械中某一部分发生故障时，倾动机械应有能力继续进行短时间运转、维持到炼钢一炉结束，倾动机械发生无法控制事故时，炉子也不会自动倾翻发生“倒钢”事故；
（3）倾动机械应有良好的柔性性能，以缓冲冲击负荷和由启动、制动产生的扭振。
转炉炼钢的一个关键设备是氧枪。图1是氧枪的系统示意图。
图1 氧枪系统示意图
氧枪是典型的位能式负载，只要抱闸装置一打开，氧枪电机就马上有的负载，氧枪提升时，电动机的电磁转矩克服负载转矩。电动机工作在电动状态。氧枪下降时，负载力矩拉着电机转。电动机工作在回馈制动状态。同倾动控制系统类似，氧枪传动控制系统也必须与抱闸装置协调工作，防止“溜车”现象，也有足够的启动力矩和过载能力。并且速度可调节。
转炉一般配有两套氧枪，一套工作，另一套备用或检修。
3 变频器在三钢公司炼钢厂转炉控制系统的配置
根据转炉的倾动和氧枪控制系统的特点，选用了ABB公司的ACS800系列DTC变频器。
3.1 ABB ACS800系列变频器的技术特点
ABB ACS800系列变频器的技术特点如下，它特别适用于此处转炉控制：
ABB ACS800系列变频器将DTC技术和模糊控制理论合二为一，构成高性能、低成本的变频器调速产品，并且性能大大优于矢量控制变频器。
在DTC中，定子磁通和转矩被作为主要的控制变量。高速数字信号处理器与先进的电机软件模型相结合使电机的状态以40,000次/s更新。由于电机状态以及实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味者其传动系统可以产生佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。在DTC中不需要对电压、频率分别控制的PWM调制器。没有固定的斩波频率，在实际运行中，不会产生其它变频器驱动电机时所发出的那种高频噪声，也降低了变频器本身的功耗。
标准内置的交流电抗器明显地降低了进线电源的高次谐波含量，大大降低了变频器的电磁辐射，保护整流二极管和滤波电容器免受电压、电流的冲击。
零速满转矩：由ACS800带动的电机能够获得在零速时电机的额定转矩，并且不需要光码盘或测速电机的反馈。而矢量控制变频器只能在接近零速时实现满力矩输出。
DTC提供的jingque的转矩控制使得ACS800能够提供可控且平稳的大起动转矩。大起动转矩能达到200%的电机额定转矩。
自动起动：ACS800的自动起动特性超过一般变频器的飞升起动和积分起动的性能。因为ACS800能在几毫秒内测出电机的状态，任何的条件下都可在0.48s内迅速起动。而矢量控制变频器则需大于是2.2s。
在磁通优化模式下，电机磁通被自动地适应于负载以提高效率，降低电机的噪音。这得益于磁通优化，基于不同的负载，变频器和电机的总效率可提高1%-10%。
jingque的速度控制：ACS800的动态转速误差在开环应用时为0.3%s，在闭环应用时为0.1%s。而矢量控制变频器在开环时大于0.8%s，闭环时为0.3%s。ACS800变频器的静态精度为%。
jingque转矩控制：动态转矩阶跃响应时间，在开环应用时能达到1-5ms，而矢量控制变频器在闭环时需10-20ms，开环时为100-200ms。
三钢公司炼钢厂的转炉容量为100t，转炉的倾动电机为4台90kW的变频电机，氧枪电机为2台75kW的变频电机；上位控制系统采用GE的90-70系列PLC。
图2 跟随主机的转矩响应的主/从控制示意图
3.2 倾动和氧枪的控制情况
（1）倾动控制
通常，转炉的倾动由3-4台电机完成，为了系统更可靠更稳定的工作，这几台电机就必须要进行负荷平衡，也就是所有的电机出力是一样的。
由于这4台电机是刚性连接，要求所有电机的速度要同步，4台电机的传动采用主/从控制，4台变频器之间用光纤进行连接。在系统配置中，将一台变频器作为主机，由它进行速度调节，输出转矩给定，其它变频器作为从机，跟随主机的转矩响应，如图2所示。同常规的控制方式相比，这种使用将系统的性能提高到了一个新高度。彻底解决由于电机运行中的不同步而产生的转炉“点头“和”摇头“的现象。
4台变频器可以在主/从之间切换，只能有一台主机，三台为从机，主机采用速度控制方式、从机采用转矩控制方式，主机给从机发出控制命令，从机接受主机发出的启动、停止指令及转矩的设定值进行动作。
当某台从机出现故障时，并不影响主机和其它从机的通讯和动作，可以继续运行，等到适当时候进行检修；当主机出现故障时，从机由于接受不到主机的信号而停机并报故障，此时将其中一台从机切换为主机，故障主机切换为从机，切换完成后，主机发出复位命令将信号同步后，从机故障信号消失，当系统正常后，继续运行，等到适当时候对故障设备进行检修。
当主机正常而3台从机报故障时，说明通讯出现了问题，为了不影响生产的正常进行，此时将所有从机切换为主机，即4台变频器进行速度控制，当检修条件具备时应立即检查通讯问题。
需要注意的是当检修变频器的时候，如果此时需要其它变频器继续运行，由于变频器断电后，光纤通讯网络已经断开，其它变频器不能进行主/从控制，应全部切换为主机才能继续运行。等检修完后，再切换为主/从控制方式。
如果进行正常的主/从切换，从机会由于暂时得不到主机信号报故障，当主机/从机切换完成后，给主机发出复位指令后，可以消除所有报警信号。
由于转炉属于高启动转矩的负载，启动方式为预加恒定励磁的高转矩启动方式，停止方式为斜坡停车方式，采用制动斩波器和制动电阻将回馈的能量进行吸收。
为了准确与抱闸装置协调工作，当变频器的速度达到零速后，由变频器输出指令来控制抱闸装置，通过中间继电器来带动抱闸接触器，变频器停止励磁，这样可以保证倾动装置不会出现“溜车”现象。
（2）氧枪控制
氧枪控制的关键是在抱闸一打开后，电机就要有的负载，为此，传动装置必须在零速下输出至少150%的力矩，以防止氧枪“溜车”。
ABB变频器的DTC控制方式可以在零速下提供高达200%的输出力矩，其专用的提升软件，具有转矩记忆功能，将氧枪所需的启动转矩记忆下来，一旦系统启动，就输出所需的力矩，保证氧枪的平稳运行。
ABB提升软件所具有的抱闸联锁控制功能更加保证了系统的安全运行。
图3所示的是变频起停的时序图。
图3 变频起停的时序图
4 结束语
三钢公司炼钢厂转炉变频控制系统经过调试，投运后运行正常，应用效果良好。