浙江西门子S7-1200代理商

1 引言
在城市高楼快速发展的，以前城市供水所必需的水塔、水箱以及气压供水设备，由于水质污染和水压不足，已经远远不能满足现代人民生活的需要，水厂的自动化改造迫在眉睫。水厂供水要保持水压稳定在一定范围内，但城市用水量是动态的，白天用水量大，晚上用水量小。如何保证供水量波动时水压恒定是一个必须解决的问题。本文采用PLC、文本显示器、变频器等组成全自动恒压供水控制系统，根据管网压力自动调节供水流量，使管网压力恒定。

2 系统设计
变频调速恒压供水控制系统见图1，系统采用1台变频器拖动4台电动机的启动、运行与调速，其中2台大电动机(220kW)和2台小电动机(160kW)分别采用循环使用的方式运行。通过压力传感器采样管网压力信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给PLC的PID模块，PLC根据这两个信号经PID运算，发出控制信号，控制水泵电机进行切换。

图1 变频调速恒压供水控制系统图

2.1 系统功能
(1) 手动运
手动运行用于系统调试时测试系统各部分是否正常。1、2号泵作为主泵在变频器的控制下分别运行，但不同时运行。同时PID控制发挥作用，在手动状态下水管压力也不会超过设定压力。3、4号泵作为辅助泵可以直接工频运行，在水管压力达到设定压力时自动关断。
(2) 自动运行
图2为自动运行时的流程图。进入自动运行状态，控制系统首先检测水管的压力，当压力低于设定值时，启动辅助泵进行补水。在设定的时间内，水管压力能够达到设定值，则停止辅助泵，此时认为水管压力下降是由于管道系统漏水或小量用水造成，主泵不运行。若启动辅助泵后，在设定时间内若管道压力不能达到设定值，则停止辅助泵运行，同时使标识为A的主泵变频启动。标识为A的主泵变频运行后，若管道压力达到设定值，且变频器运行在与该压力设定值相对应的小出水频率以下，则停止水泵运行，同时将另一台主泵标识为A。标识为A的主泵变频运行后，变频器在运行一段时间而管道压力没有达到设定值则将A切换到工频运行，同时变频起动标识为B的主泵，此时若管道压力达到设定值，且变频器运行在与该压力设定值相对应的小出水频率以下，则停止工频运行的水泵，原来变频运行的水泵按前述流程工作。两台主泵轮流标识为A，可以避免在小用水量时，一台频繁起动而另一台长时间不运行。

图2 系统自动运行流程图

2.2 PID控制器设计
(1) PID算法的数学模型
西门子公司从S7-200系列PLC中的CPU215, CPU216开始增加了用于闭环控制的PID模块。它是通过PID调节器来调节输出，保证偏差值e为零，使系统达到稳定状态。在系统中，偏差值e是给定值SP(希望值)和过程变量PV(实际值)的差。PID控制的原理基于下面的算式:

其中:
M(t): PID回路的输出，是时间的函数;
Kc: PID回路的增益;
e: PID回路的偏差(给定值与过程变量之差) ;
Minitial:PID回路输出的初始值。
为了能让数字计算机处理这个控制算式,连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值，数字计算机处理的算式如下:

其中:
Mn: 在第n采样时刻PID回路输出的计算值;
Kc: PID回路增益;
en: 在第n采样时刻的偏差值;
en-1: 在第n-1采样时刻的偏差值(偏差前项);
KI: 积分项的比例常数;
Minitial: PID回路输出的初值;
KD: 微分项的比例常数。
由于计算机从次采样开始，每一个偏差采样值必须计算一次输出值，因此只需要保存偏差前值和积分项前值。利用计算机处理的重复性可以化简以上算式为:

其中:
Mn: 在第n采样时刻PID回路输出的计算值;
Kc: PID回路增益;
en: 在第n采样时刻的偏差值;
en-1: 在第n-1采样时刻的偏差值(偏差前项);
KI: 积分项的比例常数;
MX: 积分项前值;
KD: 微分项的比例常数。
(2) PID算法改进
CPU实际使用以上简化算式的改进形式计算PID 输出，这个改进型算式为:
Mn=MPn+MIn+MDn

其中:
Mn: 第n采样时刻的计算值;

 :第n采样时刻的比例项值;
:第n采样时刻的积分项值;
:第n采样时刻的微分项值;
Kc: 增益;
SPn: 第n采样时刻的给定值;
PVn: 第n采样时刻的过程变量值;
PVn-1: 第n-1采样时刻的过程变量值;
Ts: 采样时间间隔;
TD: 微分时间;
TI: 积分时间;
MX: 第n-1采样时刻的积分项(积分项前值)。
2.3 软件设计
S7-200系列PLC中的CPU215/216提供了用于闭环控制PID运算指令，用户在应用时不必象CPU212, CPU214那样自己编写几十条指令来实现PID功能，用户只需在PLC的内存中填写一张PID控制参数表(见附表)再执行指令:“PID Table Loop”即可完成PID运算，其中操作数Table表使用变量存储器VBx来指明控制参数表的表头字节;操作数Loop只可选择0-7的整数，表示本次PID闭环控制所针对的环路编号，多8路。
控制参数(见附表)包括9个参数，全部为32位实数格式，共占用36字节。附表中的参数分两类。一类参数是固定不变的，如参数编号为2,4,5,6,7的参数，这些参数可在PLC的主程序中设定。另外一类参数必须在调用PID指令时才填入控制表格。如编号为1,3,8,9的参数，它们具有实时性。进一步分析发现:其中有一些参数，既是本次的输入(执行PID指令之前)，又是本次的输出(执行PID指令之后)，同时还是下次运算的输入，如编号为3,8,9的参数。附表中变量类型栏的In/Out应理解为相对于PID控制器而言的输入或输出。

附表 控制参数

3 结束语
由S7-200系列PLC和变频器等组成的恒压供水控制系统，充分发挥了S7-200 CPU215可靠的内置式PID运算模块，可自动调节变频器输出频率、控制各泵的投入和退出，实现恒压供水。该系统操作方便、运行可靠，具有一定的推广应用价值。

1 引言

起重机的动力传动具有其较特殊的一面，它具有大惯量、四象限运行、恒力矩传动的特点。用于水电厂机组安装用的桥式起重机由于其工作环境和使用要求又具有以下特点:工作强度不大（A3），但电气工作周期较长，初期的使用环境较为恶劣、工作强度较大，起重量大，就位精度及低速稳定性要求高。

传统的起重机调速方法较多，但都存在调速范围小、速度稳定性差、无法长时间低速下降载荷等缺点。近年来，随着电力电子技术日新月异的发展，变频调速在各种传动场合的应用成为一种趋势。变频调速作为一种调速方法20世纪初就已经提出来，其发展一直十分迅速，它在节能，降低噪音，维护量小，自控性能好等方面的优点非常突出。但各类变频器均有各自的特点和差异，本文就西门子变频器在水电站桥式起重机中的应用和选配作简单介绍。

2 系统简介

贵州乌江渡扩机工程是我国西电东送工程首批启动的项目之一，主厂房安装有一台2×320t桥式起重机（属于特大型起重机），全变频调速，双钩抬吊重约为640t的发电机转子，双钩的抬吊误差不超过1.5cm。每个主钩额定起重量为320t，额定速度为0.15-1.5m/min，全行程高度28m。
根据现场使用要求，整机主、副钩及大、小车共采用了西门子6SE70系列变频器6台（相应配置的制动单元共11台）和S7-300系列PLC一套。整机的电气控制系统由PLC进行控制，起升变频器采用模拟量给定和开关量控制相结合的方式，运行机构则由开关量信号进行控制和给定。另外，起升机构采用光电编码器测速反馈和位置检测，并在操作室设置有具有吊钩高度、综合状态及故障状态等综合信息显示的液晶显示屏（TP37）。
3 系统主要器件选用

3.1 电动机的选用
起重机运行机构的转动惯量较大，为了加速，电机需有较大的起动转矩，故电机容量需由负载功率Pj及加速功率Pa两部分组成。电机容量，其中λ为电机平均起动转矩倍数。若使电机在额定转速下接近满载运行，且能承受电网电压的波动，并通过1.1倍试验载荷，则要求电机的过载力矩倍数λM大于1.5倍，或适当增加加速时间，以减小加速功率。对运行机构而言，其加减速时间可在3～6s之间进行调整，这样，机构运行将会比较平稳。

起重机起升机构的负载特点是起动时间短、转动惯量小。常规起重机起升机构电动机在选择时考虑起重机并不总是在满载状态下工作，在选择电动机容量时一般选择电动机额定输出功率略小于满载提升所需功率。

以起升机构为例，采用变频调速以后电机的容量。其中，m为起重机额定提升的负载质量，g为重力加速度，v为起升机构的额定提升速度，η为机构总效率。另外，由于起升机构要能够提升1.25倍试验载荷，而且要求能承受国标规定范围内的电压波动的影响，因此其大转矩值必须要大于2倍负载力矩。如果电机的大转矩值不能满足1.25倍试验载荷的要求，则可以通过放大电机容量的方法来解决。
根据以上说明，主起升机构电动机选用了西门子1PQ6310-4AA60，110kW电动机。
3.2 变频器的选择
以起升机构为例，起升机构平均起动转矩一般来说可为额定力矩值的1.3～1.6倍。考虑到电源电压波动因素及需通过125%超载试验的要求等因素，其大转矩必须有1.8～2倍的负载力矩值，以确保其安全使用的要求。通常对普通鼠笼电机来讲，等额变频器仅能提供小于150%超载力矩值，为此可通过提高变频器容量或同时提高变频器和电机容量来获得200%力矩值。若完全用在电机额定功率选定的基础上提高一档的方法选择变频器的容量，则可能会造成不必要的放容量损失。

采用西门子6SE70系列工程型变频器用于起升机构后，其额定功率为，其中m1为1.25倍额定负载。由于此桥式起重机的起升高度为28m，起升速度为0.15-1.5m/min，因此对于变频器本身以90s为工作周期而言为长时工作制，而在变频器大允许长时制动功率，相当于,其中η为机械传动效率，η1为电机的效率，PCN为变频器额定功率（kW）。
根据计算，主起升机构选用6SE7032-6EG60，132kW变频器。
对于运行机构而言，只要变频器的额定电流大于电动机额定电流即可。

3.3 制动单元的选择
以起升机构为例，由于重物在下降过程中将产生大量的再生能量。对再生能量的处理方法有两种，一种是用制动单元和制动电阻来吸收，另一种是通过设置在直流公共母线上的整流回馈装置回馈到电网。由于整流回馈装置价格较贵，对电网的要求也较高，且本类起重机的总工作时间并不长。综合性价比，在本设备上采用了制动单元加制动电阻的能耗制动方式。
制动单元就是在直流母线回路中加接一检测直流母线电压的IGBT管，一旦直流母线回路电压超过一定的界限，该晶体管导通，并将过剩的电能通过与之相连接的制动电阻器转化为热能耗。
制动单元应根据图1及表达式选择:

图1 速度曲线

制动功率式中，Pbr为系统的实际制动功率（kW）。
由于该类起重机运行过程中起升机构的实际运行时间较长（长时工作制），即t大于90s（t=28×60/1.5），因此PW=Pbr，所以制动单元的实际长时制动功率P制动≥m1gv·η·η1，同时要满足。
运行机构应按进行计算选择。
相应的与其配套的制动电阻的功率应与制动单元的实际功率P相同或略大。
根据以上说明，主起升机构选用3台6SE7031-6EB87-2DA0，100kW制动单元并联运行，为每台制动单元配置27.5kW的制动电阻。

4 系统特点

4.1 双钩抬吊的控制
2×320t桥式起重机设有两套小车和吊钩的机构和驱动装置，每套可以单独运行也能同时运行。同时运行时即抬吊重物时由于重物（发电机转子）的直径及重量均很大，对两个吊钩在水平方向和垂直方向的相对误差要求很高（允许的误差值1-1.5cm）。

为了达到以上的要求和性能，在各机构的电机轴上同轴联接安装有一个增量型光电编码器，PLC的计数器模板（FM350-1）通过实时读取各光电编码器的数值并进行比较计算，并根据差值的大小计算调整斜率，然后按照计算结果调整输出给定值。由于光电编码器是安装在电机轴上的，相对的定位精度就很高，因此系统对双钩抬吊时误差的理论控制值是2mm，通过现场试验和使用的实际值约为5mm（机械制动存在差别）。

4.2 起升机构制动器的控制

安装用起重机通常起吊的重物都较为贵重，因此对起升机构来讲，能让制动器安全可靠地工作无疑是重要的。在西门子变频器中均提供了一些可以编程的输入输出开关量以及模拟量，通过程序组合后可以得到一套完美的制动器控制功能。制动器的工艺图可参考西门子《SIMOVENT MASTERDRIVES矢量控制使用大全》的功能图470。

其工作原理为:在变频器开机以后，当注入电机的电流大于等于设定的阈值以后，SET命令有效，制动器允许打开;当停车命令或产生故障以后机构（电机的）速度小于等于设定阈值后，RESET命令有效，制动器关闭;也可以直接发送关闭制动器命令，命令发送后RESET命令马上有效，制动器关闭，其参数设置如附表所示。

变频器在得到使能命令后即开始进行励磁运行，根据变频器自身优化参数，从得到使能命令到达到电流阈值需要的时间将会大于2s，这将大大影响操作的实时性，将不能满足jingque就位的要求。通过现场调试、试验，应将参数P602调整至0.5-0.75s之间，这样才能满足操作及就位的需要。

4.3 系统状态及故障的综合显示和管理
为了使系统的维护更加简单、快速，以及提高操作人员的直观程度，在西门子S7-300系列PLC的强大功能和优异性能的支持下，系统设置了对外部元器件的检测和判断。通过内部排序和运算，结合指针索引和数值转换，在操作室设置了一台TP37触摸屏，用于系统的状态及故障名称（故障值）的综合显示，还包括了各操作指令及输出执行指令的实时状态的显示。这样，不仅操作人员可以通过触摸屏的显示使操作更加准确、有效，而且检修、维护人员也可以从触摸屏显示的状态和故障，通过查询图纸及故障表快速、准确地排除故障。
4.4 系统控制逻辑
结合起重设备的特点，系统对控制回路和动力回路分开进行控制。西门子6SE70系列变频器具有独特的OFF2（P555=22）的快停功能，切断控制回路使OFF2有效，变频器立即封锁逆变器的输出，同时机构的制动器立即断电抱闸（刹车）;当出现控制回路切断后机构仍在运转的特殊情况时，切断系统的动力回路（主接触器的余量较大），使所有装置及制动器的动力电源断开。这样，就能在有特殊情况下保证设备及人体不受伤害，同时也能保证装置不会损坏。

5 系统存在的问题及解决方法
结合工程实际，针对几个经常发生的故障进行如下分析和解决。

5.1 制动单元结构
我国幅员辽阔，各地的气候类型差异较大，例如在西南、华南、华东地区的温度、湿度很大，尤其在东北、华北等地区温度很低。在一些电站工程中，我们选用了西门子的变频器及相关设备。由于工程前期的环境极其恶劣，灰尘、湿度等指标都严重超过西门子的规定，致使设备多次发生故障，其中绝大多数为制动单元的故障，故障现象为母线的胶木板和胶木座受潮引起母线短路（拉弧）。究其原因，首先是不能满足西门子规定的使用要求，解决的方法只有改善设备的运行环境;其次，母线的胶木板和胶木座的材料为胶木板，易受潮，解决的方法是选用更好的绝缘材料;再次，制动单元在胶木板受潮后在结构布置上极易短路，例如IGBT的输入、输出之间为胶木板直接相连，如果将此胶木板在之间截断并保证一定的距离就可以达到阻断短路形成的通道，防止故障的发生;后，制动单元的内部布置非常紧凑，如果将其布置形式改变，加大高电压部分的距离，切断短路通道，这样会更加适应各种工况。
5.2 制动单元控制
西门子规定，制动单元的选配必须和所配的变频器之间满足一定的要求，具体为P制动≤0.6PCN，不同容量等级的制动单元同时使用时也有规定（相邻容量等级才能同时使用），且一台变频器配置有多台制动单元时制动单元是同时并联接在直流母线上的。由于制动单元的容量等级较为固定、有限，有时会出现与变频器较难匹配的情况，只能通过放大变频器容量等办法加已解决;而且更为严重的是当制动单元配置不当时会出现装置炸机等故障。
如果在制动单元上设置适当的选择开关（或跳线选择器）及改变接线方法，增加如主从控制的功能后就可以较为方便地配置所需制动单元，而且可以防止诸如炸机等故障现象的发生。

5.3 光电编码器的选型
系统配置的PLC的计数器模板（FM350-1）加增量型光电编码器的形式是较为传统的配置，由于光电编码器与计数器模板之间的距离较远，运行过程中会出现计数器模板读数不准（光电编码器脉冲丢失、干扰等现象）的情况。为了改善这一状况，首先采用屏蔽双绞电缆并且屏蔽层有良好的接地;其次，尽量取消屏蔽电缆中间的转接次数，使其能够形成一个独立完整的屏蔽效果。

如今，西门子传动控制系统具有了强大、简洁的DP通讯，具有DP通讯口的值编码器也应运而生，选择DP通讯加带DP通讯口的值编码器的形式将会是一种简单实用、准确可靠的配制形式，必将得到广泛的应用。
6 结束语
随着技术的不断发展，变频器及PLC本身的特性、性能及功能日益完善，如何更恰当、更合理地选择变频器及PLC是驱动控制系统设计成功的关键所在，如何利用变频器及PLC本身的功能使系统设计更加符合使用要求是设计发展的方向。
近年来按照以上方法及应用配置的起重机，包括 2×350t、2×300t、2×160t、2×80t、125/32t、100/20t、80/20t、50/10t等多个规格的多台设备目前已被全国许多电站（厂）采用，运行状况均较好。这些电站（厂）从南到北、从东到西坐落在全国各地，我们提供的设备适应了各种气候条件，并逐步在新闻印刷、造船等其它行业得到应用。