西门子6ES7235-0KD22-0XA8物优价廉

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1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。

2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；

图1

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liuliang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，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

　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.

该系统运用SIEMENS的S7—300 PLC通过PROFIBUS—DP总线实现变频器网络控制．从而实现了中厚板精整系统的a动化生产。系统调试，维护方便，运行可靠。

近几年，随着生产自动化和过程自动化中分散化结构的迅速增长，现场总线系统的应用日益普遍。其原因之一是现场总线系统实现了数字和模拟输入／输出模块、智能信号装置、过程调节装置、可编程序控制器（PLC）和 PC之间的数据传输，把I／O通道分散到实际需要的现场设备附近，使安装和布线的费用开销减少到小，从而使成本费用大大节省。原因之二是标准化的现场总线具有“开放”的通信接I：1，允许用户选用不同制造商生产的分散I／O装置和现场设备，同时也可以方便地实现二级及三级网络的连接。济钢中厚板三期工程精整区域由于设备数量较多，同时又分散在较大的范围内，因此特别适合采用现场总线方式实现生产过程的自动化控制。

系统简介
中厚板精整区域的主要设备有：冷床输入辊道、输入tisheng链、滚盘、输出tisheng链及输出辊道、润滑站及冷床冷却风机，另外还有火焰切割系统、运输辊道、翻板机、电磁起重机等。中厚板厂的原有自动化设备，绝大多数采用SIEMENS公司的产品。为了便于维护和网络连接，精整区域的自动化控制设备也以SIEMENS的产品为主，PLC选用s7—300，其中CPU型号为315—2DP。传动系统全部为SIMOVERT MASTERDRIVERS矢量控制型变频器。

其中，l#冷床及精整区域PROFIBUS—DP系统中，2#站s7—300为主站，本站的模块均为冷床系统输入输出点。

3样站，17样站为远程ET一200，其中3样站ET一200是精整系统的远程I／O，17样站ET一200则作为冷床操作台远程I／O。4～8#站是输入输出系统传动变频器，9～16#站是1#冷床系统传动变频器，18～2l样站则是2样冷床系统传动变频器。

总线连接
PROFIBUS—DP系统是一个两端有源终端器的线性总线结构，亦称为RS485总线段，在一个总线段上多可连接32个站。使用9针D型连接器用于总线站与总线的相互连接。

D型连接器的插座与总线站相连接，而D型连接器的插头与总线电缆相连接。

与总线连接的每一个站，无论是主站还是从站，都表现为一个RS485电流负载。有源总线终端接有终端电阻，在数据传输时防止反射，并且当总线上无站活动时，它确保在数据线上有一个确定的空闲状态电位。本系统中，在一个总线段上共有20个站，2样站和l样站作为总线的2个终端接有终端电阻，终端电阻可以由位于中线插头的开关来实现连接和断开之间的转换。

PROHBUS—DP协议是为自动化制造工厂中分散I／O和现场设备所需的高速数据通信而设计的。典型的DP配置是单主站结构，DP主站与DP从站间的通信基于主一从原理，也就是说，只有当主站请求时，总线上的DP从站才可能活动。

DP从站被DP主站按轮询表依次访问。DP主站与DP从站间的用户数据连续地交换，而并不考虑用户数据的内容。中厚板1#冷床及精整区域就是采用这种典型结构，如图1所示。

变频器的设置
（1）变频器与主站S7—300的通信是通过在SIMOVERT MASTERDRIVERS上安装CBP通信板来实现的
装机装柜型变频器有6个槽可用来安装可选板，cBP通信板可以安装在任何一个槽位。通信板安装完毕后就可以起动进行配置，首先要确定站地址，这是通过变频器参数设置完成的。其过程如图2所示。CBP通信板有3个指示灯显示通信状态。这3个指示灯分别是：红色为运行灯；黄色为与变频器进行数据交换灯；绿色为与PROFIBUS DP进行数据传输灯。只有当这3个指示灯同时闪烁时，系统通信才正常。

（2）PROFIBUS—DP的数据通过报文的形式交换

每个报文传输的数据可分为两组，需要用STEP7进行硬件配置时设定。这两组数据分别是参数PKW 和过程数据PZD。PKW数据段是读写变频器参数值以及读参数的全部特性。PZD数据段传输的是变频器的控制信息，也就是变频器的控制参数，由主站的S7—300向变频器发出控制字和设定点，变频器则返回状态字和实际值。PKW和PZD的数据长度可根据需要设定，同时可设定数据传输的速率。本系统中，PKW和PZD分别设定为4个字和2个字，通信数据传输波特率为1．5 Mbit／s。

（3）变频器通信控制参数的设置
变频器参数设置的基本过程如下：变频器送电后，首先将参数恢复为工厂设置，然后进行CBP板的配置，选择P060=5进行系统设置，后进行控制字和状态字的连接设置，将矢量控制开关量和矢量控制连接量与PLC中定义的参数值和控制字连接。本系统的主要连接参数如附表所示。

（4）由于翻板机、辊道等设备需要比较准确的定位，并且生产节奏较快，因此每台传动变频器都有外置的制动单元和制动电阻
制动单元通过中间回路连接到变频器上，当中间回路电压达到预定值时，制动单元自动接通，阻止中间电压继续升高。与制动有关的参数：P462为从静止加速到参考频率的时间；P463为加速时间的单位；P464为从参考频率减速到静置的时间；P465为减速时间的单位。根据工艺要求的不同，每台变频器设置不同的加减速时间。

PROFIBUS—DP的电磁干扰问题
安装PROFIBUS—DP的标准方法是：有接地基准电位，即必须把所有模块机架和负载电流回路与公共的基准电位（地）相连接，从而确保由于不合理的PROFIBUS—DP电缆敷设或设备安装不当而产生的干扰电流能被尽快分流掉。采用这种安装方法时，将各个部件的接地（S7—300、ET200、SIMOVERT MASTERDRIVERS）连接到控制柜的公共接地点。在这种方式下，总线插头连接器将PR0F1BUS—DP电缆的屏蔽与网络中所有的总线站相连接，干扰电流通过连接的地线分流掉，从而防止了由干扰引起的故障。

由于传动系统需要较大的电功率，因此动力电缆常常输送高电压和电流。如果这种电缆长距离与PROFIBUS—DP电缆并行敷设，则会在PROFIBUS—DP电缆上产生电容性和电感性干扰，从而扰动网络中的数据通信。为避免这种干扰，在敷设PROFIBUS—DP电缆时，要确保PROFIBUS—DP电缆与其他电线电缆之间的距离。在施工中，尽可能地把电力电缆和PROFIBUS电缆分别敷设在相互隔离的电缆桥架上。

该系统投入使用后，取得了较好的效果：
1）系统运行稳定可靠，维护检修工作量较少。
2）变频传动系统响应速度快，定位准确可靠。
3）可方便地与二级系统联网，为全线自动化奠定基础。
4）保证了产品质量，取得了较好的经济效益。

1 引言

传统的升降机普遍采用交流绕线式异步电动机转子串电阻调速方式，电阻的投切用继电器—接触器控制，这种控制方式的缺陷明显，不但制动和调速换档时机械冲击大，调速性能差，外接电阻能耗大，而且接线复杂，经常出现故障，安全性差。

采用结构简单、价格低廉的鼠笼式电动机，并利用PLC及变频器对升降机的控制系统进行改造，可实现升降机电动机的软起动和软制动，即起动时缓慢升速，制动时缓慢停车，还可实现多档速度的程序控制，让中间的升降过程加快，货物上下传输快速、平稳、安全。

2 小型货物升降机的基本结构

升降机的升降过程是利用电动机正反转卷绕钢丝绳带动吊笼上下运动来实现。小型货物升降机一般由电动机、滑轮、钢丝绳、吊笼以及各种主令电器等组成，其基本结构如图1所示。SQ1~ SQ4 可以是行程开关，也可以是接近开关，用于位置检测，起限位作用。

图1 升降机结构图
1. 吊笼 2. 滑轮 3. 卷筒 4.电动机
5.SQ1~ SQ4 限位开关

3 PLC和变频器控制的调速系统

3.1 多档速度控制

根据吊笼在升降过程中，要求有一个由慢到快然后再由快到慢的过程，即起动时缓慢升速，达到一定速度后快速运行，当接近终点时，先减速再缓慢停车，为此将图1中的升降过程划分为三个行程区间，各区间段的升降速度如图2所示。按下tisheng起动按钮SB2（或下降按钮SB3），吊笼以较低的一速速度平稳起动，运行到预定位置时，以二速速度快速运行，等再到达预定位置时，以一速实现平稳停车。

图2 升降机升降速度图

3.2 系统的硬件构成

升降机自动控制系统主要由三菱FX2N—32MR可编程控制器、三垦SAMCO—i 变频器、三相鼠笼式异步电动机组成。系统的硬件接线如图3所示。

图3 系统的硬件接线

PLC控制一方面代替继电线路，另一方面，对于系统所要求的tisheng和下降、以及由限位开关获取吊笼运行的位置信息，通过PLC内部程序的处理后，在Y0~Y2 端输出相应的“0”、“1”信号来控制变频器输入端子2DF、FR、RR的状态，使变频器及时按图2所示输出相应的频率，从而控制升降机的运行特性。速度档由2DF选择，每档速度的大小则通过对变频器进行功能预置设定，再通过PLC的程序来控制频率切换。当PLC输出端Y0Y1Y2的状态为“010”时，变频器输出一速频率，升降机以10HZ对应的转速上升，当为“110”状态时，变频器输出二速频率，升降机以30HZ对应的转速上升；相应的，当Y0Y1Y2的状态为“001”、“101”时，升降机分别以10HZ、30HZ对应的转速下降。

图中QF为断路器，具有隔离、过电流、欠电压等保护作用。急停按钮SB1、上升按钮SB2、下降按钮SB3根据操作方便可安装在底部和顶部，或者两地都安装，操作时，只需按下SB2或SB3，系统就可自动实现程序控制。

3.3 SAMCO—i 变频器主要功能指令设定

Cd000=1 ； 选择变频器监视器显示频率（HZ）
Cd001=1 ； 选择外部端子信号作为变频器运转指令
Cd002=1 ； 选择由操作面板设定变频器1速频率
Cd007=30 ；变频器上限频率为30HZ
Cd029=10 ；变频器一速频率为10HZ
Cd030=30 ；变频器二速频率为30HZ
Cd049=5 ； 使用制动电阻
Cd050=1 ； 电机可以正反转

3.4 PLC梯形图

当吊笼在底部位置，且SQ1常开触点闭合时，按下SB2 ， 电动机以一速缓慢上升，到达SQ2 、SQ3位置时，依此以快速、慢速上升。下降时与此类似，当遇到紧急情况时，按下SB1 ，升降机会停在任意位置。

4 结束语

以PLC和变频器控制的调速方式取代原来的转子串电阻调速方式，具有加、减速平稳，运行可靠，大大tigao了系统的自动化程度。该系统可广泛应用于建筑施工、仓库、酒楼餐饮业等货物的上下传输系统中。