西门子模块6ES231-7PB22-0XA8大量现货
摘要：
安装在卧螺离心机差速器小轴端的调速装置称为背驱动装置。这些装置如：电涡流制动器[1]；异步电动机；液力马达；机械式过载保护装置（小轴转速为零）等。在螺旋滞后于转鼓时，这些装置都是以消耗离心机动能为代价，对小轴作用制动力矩，借以达到调节差转速的目的。对小轴而言，背驱动装置是一种负负载。在通用变频器调速系统中，和差速器小轴相连的电动机长期处于再生状态，运行于第4象限，从离心机接受机械能，将再生制动的能量反馈到变频器的直流母线上，再通过制动电阻将其消耗掉。如何回收该部分能量是国内外离心机制造商热切关心的课题。
一、卧螺离心机背驱动装置的负载性质
安装在卧螺离心机差速器小轴端的调速装置称为背驱动装置。这些装置如：电涡流制动器[1]；异步电动机；液力马达；机械式过载保护装置（小轴转速为零）等。在螺旋滞后于转鼓时，这些装置都是以消耗离心机动能为代价，对小轴作用制动力矩，借以达到调节差转速的目的。对小轴而言，背驱动装置是一种负负载。在通用变频器调速系统中，和差速器小轴相连的电动机长期处于再生状态，运行于第4象限，从离心机接受机械能，将再生制动的能量反馈到变频器的直流母线上，再通过制动电阻将其消耗掉。如何回收该部分能量是国内外离心机制造商热切关心的课题。利用特别设计的四象限运行变频器（例如ABB公司的ACS611型变频器），可将再生能量直接反馈回电网，但变频器价格昂贵，国内除了轧钢厂以外很少有应用。Alfa-Laval公司近年生产的DS706型大型污水处理离心机应用双变频能源反馈节能调频控制系统（使用ACS800系列变频器），目前在香港昂船洲污水处理厂运行。国内也有厂家利用国产变频器，将共直流母线交流变频技术应用于卧螺离心机，使该部分能量大部分得到回收，取得了良好的社会效益和经济效益。
这一技术的推广应用无疑是极有意义的，本文对此进行讨论。
二、共直流母线交流变频调速系统的结构和特点
1-主变频器；2-主电机；3-离心机；4-差速器；5-副电机；6-副变频器；
结构：见图1，离心机3由主电机2驱动，差速器小轴和副电机5同轴连接。主、副电
机的转速由变频器1、6控制，二者的直流母线并连，三相电源输入主变频器1。
特点：
（1）优良的节能性能：在螺旋滞后时，再生的能量送到副变频器的直流母线上，由于主、
副变频器的直流母线并连，该能量就经过主变频器被主电机利用。
为简单起见，设稳态时离心机以恒转矩和恒差速运行（不计及调速时加速转矩和减速转矩的影响），则回收的能量为：P=0.8 M n/9550,式中：P-功率（KW）;M-小轴力矩（N.m）;n-小轴转速（r/min）;M前的0.8倍是由于再生制动时，即使不加放电的制动电阻，电动机内部也有20%的铜损被转换为制动转矩[2]。
（2）动态响应快：有些PID调节系统往往有超调现象，过渡过程时间较长，例如电涡流制动器调速系统，稳定周期有时长达数分钟。变频调速系统转矩响应时间仅150-200ms[3],动态特性明显改善。
（3）容易处理突发事件造成的转鼓内物料的堆积：副电机反转时运行于第Ⅰ象限（电动机状态），这时差速很大：Δn=(n1+n)/i，（n1-转鼓转速r/min;i-差速器速比），由于变频器具有2倍额定力矩的静态启动转矩[3],使堆积在转鼓内的物料容易排出。
（4）有利于实现恒转矩控制：某些物料，例如城市污水，含有60%-70%的有机物质，沉泥具有可压缩性，含固率时时刻刻在变化，使螺旋推料力矩随着进料流量和含固率的波动而变化，要求电气系统根据力矩变化及时控制进料量或差转速，否则，很容易堵料。
恒力矩控制的关键是实时连续测量螺旋推料力矩,必须合理选择力矩传感元件。在液力马达调速系统中，使用液油压力变送器；在电涡流制动器调速系统中，使用电阻应变式力矩传感器；在本文介绍的变频器调速系统中，则可直接利用变频器输出的力矩电流模拟量,不必单独安装传感器。
例如，艾默生TD3000变频器具有转矩控制和转速控制两种工作方式：当选择转矩控制方式时，变频器输出频率将根据输出力矩信号自动调节，当螺旋推料力矩变大时，降低输出频率，增加差速，将沉泥快速推出转鼓；反之，增加输出频率，减小差速，使力矩增加。终使螺旋推料力矩稳定在设定值附近。
3调速系统的设计
（1）变频器选型：对主变频器没有特别要求，副变频器要求能屏蔽输入缺相保护。如果离心机需要恒力矩控制，应选用矢量控制变频器。
（2）主、副变频器功率匹配：不是任意功率的变频器都可以如图1连接，选取主变频器功率时必须考虑到当副电机处于电动机状态时，副变频器从主变频器吸取功率的能力。
（3）副电机选型：副电机额定输出力矩应能满足螺旋推料力矩的需求。由于差速器小轴传递力矩M是螺旋推料力矩M2的i分之一，因此副电机的额定力矩应大于M2/i；具体计算时，应考虑差转速调节范围；电机连接方式等因素。选用普通三相异步电机，转速控制精度为0.5%-0.1%,选用带编码器的变频电机,变频器运行在带PG矢量控制方式下，转速控制精度可达到0.1%-0.05%.
设计实例：表1是海申机电总厂在φ350到φ720的4个系列十几个品种城市污水处理离心机中主、副变频器的功率匹配和副电机选型表，主变频器选用艾默生TD2000,副变频器选用艾默生TD3000，副电机均选4极变频电机，安装OMRON E6C2-CWZ6C型600线光电编码器。
表1
以LW430W离心机为例，运行转速n1=2200r/min;差速器额定输出力矩4000-5000N.m,速比i=91;差速调节范围Δn=2-20r/min（正常运行10-12r/min）;副电机和差速器小轴直接连接（如图1），差速按Δn=（n1-n）/i计算，得表2数据，完全可以满足工艺要求。
表2中：差转速低于7.7r/min输出力矩变小，是由于变频电机50Hz以下为恒转矩调速；50Hz以上为恒功率调速，但差转速低的情况仅当进料浓度特别低或离心机进料初期才出现，这时的推料力矩也较小。
4 应用实例
图2是应用于大豆蛋白漕液分离的LW520型高速离心机电气控制简图,主变频器U1用于驱动离心机，使离心机转速0-3500r/min无级可调，变频器的输出频率由端子X1和X2设定。S1是离心机工作状态选择开关，把S1打到X1位置，离心机以分离频率运行，S1打到X2位置，以冲洗频率运行。分离频率出厂时设置为45Hz(转鼓转速3150r/min),冲洗频率出厂时设置为5Hz(转鼓转速350r/min),如果需要改变运行频率，可以对变频器参数F58,F59进行设定。
U2是副变频器，用于调节离心机转鼓和螺旋速度之差，即差转速，改变差转速的大小可以改变离心机的推泥速度，也会影响离心机每小时污泥处理量。本机主副变频器直流母线直接并连，具有优良的节能效果。
PR是转速显示仪表，用于显示离心机转鼓转速和差转速。转速表内部有一个开关,用于选择同步报警点，可选择：1r/min,5r/min,10r/min三种，当差速小于报警点时，安装在转速表内部的继电器常开触点先闭合,然后,继电器K1动作，副电机停车。通过继电器K1外接触点，用户可外接声音报警系统，或报警时切断进料阀，或和远程控制系统通信。
时间继电器KT是解决离心机启动阶段差转速低于报警点的问题.
本设计的特点除了电路简单操作方便以外,更主要的是差转速调节快速而准确,稳定性可达到±0.1r/min.
4 结束语
共直流母线交流变频调速系统较好地解决了卧螺离心机背驱动电机再生能量的回收问题，它给用户带来了很大的实惠。以上海龙华水质净化厂为例，该厂目前年处理城市污水10万吨，使用2台LW430W型离心机。设运行差速10r/min,小轴力矩15N.m[4], 初步测算一台离心机节能1.5KW,以每天运行10小时，每年运行300天计算，年节电4500度，以每度电费0.631元计算，年节省电费2839.5元。2台离心机共节省电费5679元。
这种调速系统具有强大的生命力，值得推广应用。
烧结矿作为高炉冶炼的主要原料，其质量直接影响高炉生产。安钢360m2烧结机于2005年6月投产以来，运行一直很平稳，该系统主要向安钢2200m3高炉提供优质烧结矿。该系统自动化控制系统采用先进的网络结构和PLC软硬件设备，并应用先进的烧结工艺优化控制软件技术，实现烧结生产过程自动控制、监控及管理，为安钢烧结生产走向大型化迈出了一大步。
2 自动控制系统构成
自动控制系统实现对整个烧结机生产设备的联锁控制，实时数据的采集与分析，过程与设备状态的监控与报警，过程趋势数据的采集与处理，报表打印，画面显示。完成了生产设备的基础自动化及过程计算机控制。各个PLC站、上位监控机、工程师站之间采用双环路光纤配置的TCP/IP工业以太网连接，构成了烧结生产的综合监控网络。
根据烧结工艺对自动化系统的要求，360m2烧结机计算机自动控制系统采用施耐德Quantum 140 系列PLC（CPU模板：140 CPU 53414A；通讯模板：140 CRP 93200，140 CRA 93200，140 NOE77101；输入模板：140 DAI75300，140 ATI03000，140 ARI03010，140 ACI03000；输出模板：140 DRA84000，140 ACO02000）可实现配混系统、烧冷系统、成品整粒系统、主抽风系统、主粉尘系统及电除尘卸灰系统的逻辑顺序控制，对主抽风机、点火炉等生产工艺的数据采集处理及回路控制。系统网络配置简图如图1。
系统由5台PLC、3个工程师站和10个监控站组成。基础控制层采用Quantum 140 系列PLC，PLC主站与分站之间采用远程I/O方式扩展。各PLC站通过网络通讯模板、交换机、TCP/IP工业以太网与工程师站或监控站可进行通讯，传输速率为100M pbs，传送介质为超五类屏蔽双绞线。系统具强大的数字量、模拟量及回路处理功能，具备模板化、体系结构可扩展的特点，包括CPU、I/O模板、I/O接口、通讯模板、电源和底板等。监控系统（HMI）采用Inbbblution公司的iFIX3.5监控软件，实现生产过程工艺流程及各参数的采集显示、报警、回路控制画面，历史数据存储及趋势图，报表等监控功能。操作系统为bbbbbbs 2000，编程软件采用Concept2.6，它支持5种IEC标准语言，系统提供了派生功能块（DFB），并可在Concept2.6应用程序中反复调用，如果一些特定的算法或逻辑控制需要改变，只需修改DFB功能块即可。
3 系统功能
3．1电气控制
根据工艺要求和现场实际情况，系统从整体上分为机旁操作和计算机联锁运行。机旁操作是指操作人员在现场操作箱上进行设备的启动、停止及设备运转速度设定。当一台设备于机旁操作状态时，不再参与系统的其它联锁。计算机联锁运行是指处于自动运行的所有设备每一时刻都参入各自联锁条件，如运行安全联锁、工艺参数联锁、启动或停止顺序联锁等，有效地防止因下游设备故障而引起上游皮带堆料。以配混系统为例，阐述控制原理。如简图2。
图2
在圆盘配料系统中，给料量主要由圆盘的转速决定，并且与圆盘的转速成线性比例关系。处于机旁手动操作方式时，操作工可手动调节操作箱上电位器来控制变频器频率，从而控制圆盘给料机的转速。处于自动运行方式时，中控室操作工可从上位监控机设定流量给PLC，同时电子皮带秤测出一个实际流量信号反馈回PLC参加PID运算，后，得到一控制量，通过MB+网控制变频器，从而控制圆盘给料机的转速。达到控制物料流量的目的。配1、配2、混1等皮带机自动控制程序上做了严格的连锁控制，避免了下游设备故障停机引起上游皮带堆料问题。
3．2仪表控制
（1） 信号的采集与处理
利用Concept 2.6软件特有功能，针对不同的模拟量输入信号和不同参数需要，分别编制了工程量转换、偏差、上下限报警等各种信号处理的DFB，在控制程序中可直接调用这些功能块。实现了混合料矿槽料位测量及上下限料位报警，煤气流量、空气流量的累计及瞬时显示，煤气与空气压力测量，低压煤气切断，负压测量与显示，烧结料层厚度检测。实现了主抽风机入口流量检测，进口废气负压、温度测量，高压电动机的轴承、定子温度测量及风机轴承、温度、振动的测量及超限报警和停车等。
（2） 点火炉温度控制
点火炉燃烧控制是烧结工艺的重要环节，该系统可分为点火流量控制和点火温度控制两种方式。流量控制为操作员在上位监控机设定量值，给PID调节器的SP端，反馈信号给PID调节器的PV端，然后经PID运算后输出一开度信号来确定调节阀的开度。点火温度控制为操作员在上位监控机设定一温度值，经PID调节程序输出一煤气流量值，终达到调整煤气流量的目的。
4 系统特点
（1） 故障报警及自动生成报表。当出现故障时，监控画面将以警示色提醒用户，以便操作工及时处理。系统能实时地将历史数据记录在上位机中，对数据的查询、统计和打印很方便。
（2） PLC电源模板冗余，并采用UPS供电，保证了系统的安全性和稳定性，有效地减少故障停机时间。
（3） 上位机进行系统的监控和管理，并提供良好的人机界面，实现分布处理与集中管理一体化，而且系统故障率低，可靠性高，操作简便，控制功能和精度满足生产工艺要求。
GE Fanuc公司使用标准的PLC系统，面向紧急停车系统ESD和火灾气体保护系统F&G开发了一套三重化的冗余控制系统解决方案，被称为Genius模块式冗余容错系统（GMR）。它有90-70系列CPU和Genius输入输出模块及其他系列的部分模块构成。其配置方案可根据系统规模，进行灵活的扩展，它允许用户根据希望得到的流程风险降低的程度来改变系统的冗余级别。TUV根据DIN19250/DINVVDE0801标准，给予了GMR系统三取二系统，二选一系统，六级认证。所以海洋石油钻井平台选择了GMR系统作为整个平台的紧急停车系统和火灾气体保护系统。
1． Fanuc Genius模块式冗余容错系统（GMR）
GMR系统的灵活性体现在，它可以提供从输入模块通过两个或三个CPU处理器到输出模块的各种冗余组合。这种灵活性意味着当单重化系统或双重化系统操作时，可以配置使用较少的输入和输出信号但同时保证系统的三重化配置特性。
以GMR系统的三重化配置TMR为例（见图1）。它包含了三个独立的PLC以及运行在每个单独系统中的诊断程序。
在TMR配置中，三个CPU 中的每一个CPU通过三重化的Genius总线将逻辑状态送至输出子系统，Genius输出模块对三重化的输出数据进行表决。开关输出电路集成提供输出和负载状态诊断的电流、电压传感器信号，并做出综合分析。
目前90-70系列支持表决机制的CPU有789、790。他们才能用于GMR系统中，且支持高达2000个表决点。Genius网络具有如下的特点：
三个CPU之间有三条总线并行互连，保持通讯的安全。
有三组不同的输入，可接到不同的现场设备上，或接到一个现场设备上。
三组输入数据都传到同一个CPU上，有系统的表决机制。
GMR系统中采用标准的“H”型输出系统。
四个输出模块中，两个采用正逻辑输出，另外两个采用负逻辑输出模块。
每个输出模块均接受来自三个PLC的输出数据，在输出子系统中进行三取二表决。
GMR系统通过TUV认证，Class6，可以满足真正的无单点故障的系统。
2． GMR系统扩展与I/O模块连接
对于GMR系统而言，BTM/BRM模块可提供本地扩展方式，它能够提供机架之间的高速数据通讯，大通讯速率500KBPS。而通过基于Genius网络的总线控制器GBC，可以进行远程机架扩展，在这个Genius网络上可以带多至30个远程机架，大速率为153.6KBPS，大距离2286米。远程机架可以直接挂Genius的I/O 模块，或者通过远程扫描模板与VersaMax I/O模块或FieldControl系列I/O模块相连。在钻井平台的井头控制柜中，都采用了远程+本地机架混合方式进行扩展，因为平台控制装置非常分散，采用GMR的灵活扩展方式可以在保证足够安全的同时，降低集成成本。
下面来介绍I/O的具体连接方式，
（1）数字量输出子系统：
Genius的数字量输出模块DO直接可以挂在Genius网络上，即直接和总线控制器模块GBC相连，DO模块提供了一类特有的输出组方式，其典型的一种为“H”型接法，连接方式如下，
A、B、C三条Genius网络，如果在C网因故障断掉后，其他的Genius网络正常仍能保证指令的有效输出1，系统自动诊断故障并记录下来，提供故障解决的依据。上图的H型接法，每路输出需要四个输出模块，分别是两块正逻辑输出模块（Source模块，输出+12V），两块负逻辑输出模块（Sink模块，输出-12V）。从节省成本的角度出发，系统输出还提供另外两种简化的输出方式，分别是：（1）I型接法，需要一块正逻辑输出模块，一块负逻辑输出模块。（2）T型接法，需要两个正逻辑模块，一个负逻辑输出模块。根据系统设备的重要性可选择相应的输出方式，在平台输出模块中，这几种连接方式混合采用，且都能满足TUV的认证。
（2）数字量输入子系统：
和其它的连锁系统一样，采用三路Genius DI模块接入，通过Genius网络将每路采集信号传送到每个CPU，然后由CPU进行表决，按照3-2-0原则决定系统输入，即在三路信号均有效情况下，至少需保证两路输入信号一致，输出按其一致输出。若一路信号故障或者仅有两路输入时，系统将引入一路Duplex状态信号，然后再对这三种信号进行三取二表决。如果仅一路信号有效，则系统取默认状态输入。
其三取二的表决机制示意图：
（3）模拟量输入子系统：
GMR系统的模拟量输入模块，可以采用多种Fanuc公司旗下的产品系列，如Genius的AI模块、VersaMax AI模块、FieldControl AI模块。三个系列的产品根据一系列与PES技术相关标准，如：ANSI/ISA，IEC61508，DIN V19520，DIN/VDE 801，均能满足SIL3和DIN5/6级认证。充分体现了GMR系统的配置是相当灵活的，在这里我们采用了VersaMax的AI模块提供模拟输入信号。
VersaMax AI通过一块远程扫描模块（Genius Interface Unit）接入Genius总线网络，表决机制与DI模块相似，在三路Genius信号正常情况下，直接进行三选二表决，如果其中一路发生故障，则引入Duplex状态信号参与三选二表决，Duplex信号可以设为保持、大或小值。
每个CPU 模块执行同样的应用程序，并送出输出数据到Genius总线网上，从而控制现场设备。下图是GMR 系统CPU处理机制示意图，
在GMR系统中，PLC之间借助于Genius网络，可以直接通过全局数据交换（bbbbbb dada Messages）方式传输64个字长的数据，在系统逻辑需要时，采用此种方式可以实现跨石油平台的相关数据交换。因为在石油平台之间的距离往往是个问题，Genius 专用OZD模块实现Genius信号与光纤信号的转换，从而利用光通讯扩大Genius信号传输的距离。
3． GMR系统监控实现
3.1 与DeltaV系统通讯
如图5所示，90-70系列CPU可外挂CMM 模块，CMM提供两个485的接口，其支持四种串行串行协议，分别是SNP、SNP-X、CCM和RTU。RTU是一种支持Modbus的远程终端单元协议，GMR方仅能作为从方。DeltaV系统作为主方，通过一对冗余的串卡和GMR系统相连。
DeltaV系统通过两台控制站，分别是工程师站和应用站对GMR系统传输过来的数据进行监视和控制。
3.2 HMI人机界面
通过扩展以太网通讯模块，将GMR系统与CIMPLICITY HMI人机接面相连。HMI提供了对GMR系统的全面监控。CIMPLICITY HMI支持双重化和三重化配置，可以处理来自所有PLC的数据，并且仿真实际的PLC执行的表决过程。
4． 总结
GMR系统为海上石油平台提供了紧急停车系统（ESD）和火灾气体保护系统（F&G）。ESD系统需要常使能信号，而F&G系统，通常是常闭合信号。
以F&G系统为例，GMR系统持续监控包括热度，烟尘以及突变气体警报在内的环境变量还包括UV/IR火警探测器和易燃及有毒气体探测器，可以提供失效安全或容错技术来采集报警信息，并通过表决机制来处理它。在任意一个可变的值输出报警时，输出子系统会自动关断操作阀门和风门，切断电源，释放处理气体并激活灭火释放系统。
GMR I/O模块的电压和电流传感器不断的提供输出和负载诊断，GMR能自动地识别系统故障，并自动的进行补偿。允许在不停车的情况下对其实施维修和更换。故障由软件报警器输出，可以提供系统故障报告，并记录于故障表中，提交到HMI界面显示。
GMR完善的表决机制和灵活的系统扩展功能为石油平台的ESD系统和F&G系统提供了完善的解决方案，保证了石油平台的安全高效运
