6ES7221-1EF22-0XA0常备现货

1 项目简介

      西门子交流变频调速技术在工业界的广泛应用，为交流异步电动机驱动的石油钻机大范围、高质量地调速提供了全新的方案。它具有和直流调速系统相媲美的高性能调速指标，它可以采用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼异步电动机进行调速，并且变频调速系统的效率比传统的交流调速系统要高，其外围控制线路简单，维护工作量小，保护监测功能完善，运行可靠性较传统的交流调速系统有较大的提高。所以，西门子交流变频调速技术的应用是今后石油钻机交流调速技术发展的主流。

（1）50db钻机项目是辽河石油勘探局重点项目，用户是勘探局内的一家钻井公司，我公司为其生产整套钻机，包括底座、井架、泥浆罐、电控系统等设备，电控系统由我公司电控分厂完成，我公司以生产钻机为主，现场服务为辅的大型工程企业，年产值达5.5亿，生产能力十分强大，电控分厂年产电控达7部左右，发展是不可估量的。

（2）50db项目中主要的电控系统采用的西门子6se71系列变频调速柜，整机的控制系统采用的西门子s7-300plc，通讯采用profibus进行通讯，发电系统采用的是6ra70直流调速系统，整机制造符合现场要求，工艺控制严格，设计完全符合emc导则。

（3）项目当中使用的西门子自动化产品的型号、数量、类型、控制对象见下表。

表1 西门子自动化产品参数

（4）实际照片如图1所示。

图1 实物图

2 控制系统构成

（1）整个项目选型，根据现场的实际情况和使用工旷、实际经验，选择合适的产品，本着经济，实用、故障率低的原则选型。

（2）系统的硬件配置图，网络结构图。如图2所示。

 
图2 系统的硬件配置图

（3）应用中的监视画面，如图3所示。

图3 应用中的监视画面

3 控制系统完成的功能

      整个系统控制用触摸屏和两方向控制手柄一个，进行对井场的设备进行控制，其中悬停功能是整个系统重要组成部分，也是发挥西门子变频器与制动单元功能的重要部分，自动送钻部分采用了变频器中的pid调节器，进行速度控制，这些都是系统中的重点与难点。

项目中的难点

（1）绞车变频器和制动单元的选择

      我们考虑到工况的特殊性，钻机提升设备要经常提升和下放上百吨的重物，且速度在1m/s以上，这时对变频器的选择上提出了很高要求，在能满足工旷又能节省成本的前提下选出合适的型号。

      我们实际上使用的是两台720kw变频电机，根据电机电流选择变频器，加上电机的1.5倍的过载能力，得到变频器的电流值，选择变频器为1000kw变频器。

     变频器选择后，制动单元又成为系统选择的难点，因为西门子变频器要求制动单元的功率pdb不能大于0.6倍的变频器功率，而且要满足实际的制动工况，又能满足节省成本成为设计的难点。根据制动单元的选用回头效验变频器是否合适。

       我们根据钻井的工况做如下计算，绘制出曲线：（曲线只描述了，大负荷的情况）

●　阶段分析：（上提减速过程由大速度1秒减至零速）

△w（总）=△w（动能）-△w（势能）

△w（动能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2];

其中ω（0）=0rad/s；

△w（动能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2]= -0.5＊30＊1.5＊2842=-1814.76kj；

△w（势能）=m＊g＊h；

m＊g=1200t；大钩载225t，实际钩载假设120t；

h=v（平均）＊t（时间）=（1.4m/s-0m/s）/2＊3s=2.1m；

△w（势能）=m＊g＊h=1200t＊2.1m =2200kj；

△w（总）=w（动能）-w（势能）=-1814.760+2200=385.24kj。

p=△w/△t=385.24kj/3s=128.4kw

●　第二阶段分析：（带载下放过程大速度匀速下放）（pdb）

△w（总）=△w（动能）+△w（势能）

△w（动能）=1/2＊j＊ [ω（t）2-ω（t-1）2]；

假设大钩的速度大1.4米m/s匀速下放；

对应绞车电动机轴的角速度分别为：ω（t），ω（t-1）；

因为是匀速运动，则△w（动能）=0kj

△w（势能）=m＊g＊h；

m＊g=1200kn；大钩载225t，实际钩载假设120t；

h=v（平均）＊t（时间）=1.4m＊s=1.4m;

△w（势能）=m＊g＊h=1200t＊1.4m =-1680kj；

△w（总）=△w（动能）+△w（势能）=-1680kj

p=△w/△t=-1680kj/3s=560kw

●　第三阶段分析：（带载下放减速由大速度减到0速）（p3）

△w（总）=△w（动能）+△w（势能）

w（动能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2];

其中ω（0）=0rad/s；

△w（势能）=m＊g＊△h；

m＊g=1200kn；大钩载225t，实际钩载假设120t；

h=v（平均）＊t（时间）=（1.4m/s-0m/s）/2＊3s=2.1m；

△w（势能）=m＊g＊h=1200＊2.1=2200kj；

△w（总）=w（动能）+w（势能）=-1814.76kj -2200kj =-4014.76kj。

如定加速减速曲线时间为3s时。

p=△w/△t=4014.76kj/3s= 1338kw

如定加速减速曲线为1s时。

p=△w/△t=4014.76kj/1s= 4015kw

     通过上面论述结论p=4015kw是大，我们为了安全起见把pdb= 3200kw则在1s下p3=4800kw 完全满足工况，其它余量用于处理事故时用。

（2）变频的加速斜坡曲线和减速谐波曲线

      根据上面论述变频器的加速谐波和减速谐波曲线，能够实现变频器有效的控制加速时间和全速减至零速的时间，我们一般不考虑加速的时间，只考虑减速时间，因为减速时间体现了重物下放时的减速距离，也就是刹车距离，刹车距离被规定为1米以内，这时要算减速时间，如减速时间设置过长不能满足工况。通过上面的计算在大于1s时可行的，如小于1s可能就会对变频器的电容有很大冲击，甚至会把igbt、电容及制动单元一同烧掉。所以减速谐波曲线的设置是一个非常重要的参数。

4 项目运行

     系统的投入时间，运行情况，用户的评价。

     50db项目投入时间是2006年8月份，10月中旬出厂，现正在试运行，运行状况良好，并充分发挥了西门子变频器的优点，给用户提供了方便，西门子自动化产品在辽河钻井一公司的50db钻机上成功应用，得到了辽河石油勘探局的表彰，并且得到了一致的好评。

5 结束语

      在 50db项目中西门子自动化产品给大家带来了很大方便，并且把能想象的东西变成现实，其中包括安装、调试、运行、监控等方面发挥了巨大的作用，同时也感谢西门子沈阳办事处的同事给我们提供了巨大的技术支持。后我们得到一个结论，西门子产品“入手比较难，应用比较简单”。

cpu的程序分为操作系统和用户程序。操作系统用来处理的启动、刷新过程映像输入/输出区、调用用户程序、处理中断和错误、管理存储区和通信等任务。

用户程序由用户生成，用来实现用户要求的自动化任务。step 7将用户编写的程序和程序所需的数据放置在块中，功能块fb和功能fc是用户编写的子程序，系统功能块sfb和系统功能sfc是操作系统提供给用户使用的标准子程序，它们和组织块ob统称为逻辑块。

plc得电或由stop模式切换到run模式时，cpu执行启动操作，将没有断电保持功能的位存储器、定时器和计数器清零，清除中断堆栈和块堆栈的内容，复位保存的硬件中断等。此外还要执行一次用户生成的“系统启动”组织块ob100，完成用户指定的初始化操作。以后plc采用循环执行用户程序的方式，这种运行方式也称为扫描工作方式。

在plc的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为过程映像输入区和过程映像输出区。plc梯形图中的其他编程元件也有对应的存储区。

下面是循环处理的各个阶段的任务（见图）：

1)操作系统启动循环时间监控。

2) cpu将过程映像输出区的数据写到输出模块。

3) cpu读取输入模块的输入状态，并存入过程映像输入区。

4) cpu处理用户程序，执行用户程序中的指令。

5)在循环结束时，操作系统执行其他任务，例如下载和删除块，接收和发送全局数据等。

图扫描过程

6) cpl返回阶段，重新启动循环时间监控。

在启动完成后，每次循环都要调用一次组织块ob1。ob1是用户程序中的主程序，它可以调用别的逻辑块（fb、fc、sfb或sfc）。循环程序处理过程可以被某些事件中断。如果有中断事件出现，当前正在执行的块被暂停执行，并自动调用分配给该事件的组织块。该组织块被执行完后，被暂停执行的块将从被中断的地方开始继续执行。

在循环程序处理过程中，cpu并不直接访问i/o模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问cpu内部的过程映像区。

在读输入模块阶段，plc把所有外部输入电路的接通/断开状态读人过程映像输入区。

外部输入电路接通时，对应的过程映像输入位为1状态，梯形图中该输入位的常开触点接通，常闭触点断开。外部输入电路断开时，对应的过程映像输入位为0状态，梯形图中该输入位的常开触点断开，常闭触点接通。

某一编程元件对应的位为1状态时，称该编程元件的状态为on，该位为0状态时，称该编程元件的状态为off。在程序执行阶段，即使外部输入电路的状态发生了变化，过程映像输入位的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描循环周期的读取输入模块阶段被读入过程映像输入区。

plc的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中顺序排列。在没有跳转指令和块调用指令时，cpu从条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从过程映像输入区或别的存储区中将有关编程元件的0、1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的存储区中，因此，各编程元件的存储区的内容随着程序的执行而变化

矢量变频器是以磁场监控、智能控制等现代控制理论为基础直接控制力矩的，其内藏电流矢量控制功能可以实现高力矩控制、高精度速度性能。由于在变频器设计中采用了新的磁场监控、智能控制、抗干扰控制，使控制性能大幅度提高。变频矢量控制通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，可以以很高的控制精度进行宽范围的调速运行，并适用很多直流传动的场合，如造纸、冶金、纺织等。 

    本文介绍的是矢量变频器在冶金工业中的一个应用，即电池锌板生产线的变频控制系统。该生产线主要用于电池锌筒、锌饼的生产，是将熔融的锌液经过连续铸造，并通过轧机一次压制成成品，然后送后道工序冲裁成锌饼，后冲裁成锌筒。其主要规格按照成品锌板宽度来决定传动功率的配置，主要由铸造机、托辊、轧机、电控系统等组成。 

变频控制系统 

    由于目前矢量变频器低频或零频都具有满载启动功能，因此可以替代直流传动应用在需要卡死再启动的轧机上，或者是卷径变化大导致转速变化也大的中心收卷上以及低速高转矩的铸造机上。 

变频控制系统的构成 

    在电池锌板生产线中，从铸造机中出来的热锌板，经过轧制后，再进行收卷，其中收卷工位为2个， 以保证连续生产。在通常情况下，轧机的主速度是跟随铸造的速度信号而变化，且可以同时进行比例微调，收卷为1台矢量变频器控制2台不同工位但电机参数一致的异步变频电机（由于卷径变化大必须采用变频专用电机）。如图1所示，包括铸造机变频器VF1、轧机变频器VF2、中心收卷变频器VF3、可编程控制器PLC系统组成。由于VF3变频器涉及到2台异步电机的切换，不能采用带PG闭环方式，而采用无传感器矢量控制方式。在该系统中，PLC根据工艺需要来输出都是由所有的速度给定，并同时从各个变频器中读取速度、电流、转矩等信号，以做控制或显示用。PLC程序的主要任务是：处理起停连锁、故障报警、速度控制以及显示等。

矢量变频器在轧机上的应用 

    图2所示为3个变频传动的双闭环（速度环V-控制和电流环I-控制）原理，其中铸造机的速度为主机速度，从PLC设定V主机获得，并同时将反馈的实际速度V铸造作为轧机传动的一个跟随信号，然后结合在PLC系统设定的比例微调信号V速差作为轧机传动的速度给定。 

收卷变频及其控制 

    目前成熟的收卷主要以被动收卷或是以直流调速器控制的中心收卷，而交流变频器在中心收卷中的应用并没有普及，究其原因在于收卷的控制难度和复杂性。经典的收卷都是采用张力闭环，它是通过张力检测装置反馈张力信号与张力的设定值构成PID闭环，然后调整变频器的输出频率命令（速度模式）或输出转矩指令（转矩模式）。此方案可适用于高精度的张力收卷场合，但对于要求不严格、又要求的收卷来说，这里可以比较实用的矢量变频器限转矩方法，可以省去张力传感器、PID控制器，而只需要简单的变频器加PLC控制即可。在变频器的矢量控制中，频率指令和实际速度的比较值通过一个速度调节器ASR后再进行转矩限定，后来控制变频器的输出转矩，限转矩的作用就是用来限定速度调节器输出的转矩电流，将直接限制变频器的输出频率。对于收卷而言，随着卷径的逐渐增大，速度将慢慢减小而转矩值也随之增大，这时主要控制限转矩的值就可以基本上保证转矩的值的精度。在图2中，我们输出Rp信号就是限转矩的值。至于Rp的值可以由多种方式获得，包括卷径估算、经验值曲线法等。

变频控制的调试 

    电池锌版生产线的变频控制系统是一个较复杂的传动系统，必须分步进行调试，包括变频器调试、PLC调试、生产试运行三个步骤。 

变频器调试 

    变频器的调试主要是电机参数自辨识，重点检查变频器辨识出的电机的空载电流，如检测出的电机空载电流应在电机额定电流的30%～50%范围内，这对矢量控制的变频器尤其重要。由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流，因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。从图3的异步电动机的T型等效电路中可以看出，电机除了常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外，还有R1（定子电阻）、X11（定子漏感抗）、R2（转子电阻）、X21（转子漏感抗）、Xm（互感抗）和I0（空载电流）。关于参数辨识，分电机静止辨识和旋转辨识2种。静止辨识时，变频器能自动测量并计算定子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗，并同时将测量的参数写入；旋转辨识时，变频器自动测量电机的互感抗和空载电流。在参数辨识中，必须注意：①若旋转辨识时出现过流或过压故障，可适当改变加减速时间；②旋转辨识只能在空载中进行；③辨识前必须正确输入电机铭牌上的参数。当然，变频器的基本调试还包括其他应该设置的参数和初步带载试运行。在模拟量设定转矩限值时，需要注意模拟量输入端子的信号电平、增益和偏置。 

PLC程序调试 

    PLC程序主要负责：①铸造传动的速度给定，并读取该传动的速度、电流、转矩信号；②根据铸造速度来决定轧机传动的速度给定，并读取该传动的速度、电流、转矩信号；③处理收卷传动的切换，即从工位1到工位2之间互换时速度给定和转矩限幅的给定。 

生产试运行 

    在生产试运行中，必须控制好整个铸造的工艺流程，包括温度的控制（熔炼炉炉温控制在470～510℃、铸造温度为435～470℃）、速度的控制和转矩的限值等。在带载试生产中，须根据生产的实际情况修正各类系数，以确保铸造与轧机的速度协调、轧机的轧制效果和收卷过程的张力平稳，直至达到要求。在用户现场测试，将铸造锌板厚度D=13mm轧制到D=2.9～7.3mm时，轧机的控制相当平稳，且轧制的表面光洁、无气孔、无渣，收卷紧松适当、无散卷现象、张力恒定