SIMADYN-D控制系统在制氧机变频软起动中的应用

1、SIMADYN-D控制系统在制氧机变频软起动中的应用 1 引言济钢总公司在新建2#2万m3制氧机工程中，制氧机的空压机采用瑞士苏尔寿压缩机，电机采用德国西门子无刷励磁同步电机，功率9500kw，电压10kv, 功率因数0.9(超前), 转速1500r/min, 采用西门子公司的simoverts 变频软起动装置对电机进行软起动控制，由s7-300 cpu315-2dp和et200s、op17、simotras hd、simeas p等组成的工作站完成各种保护、监控及内外部信号连接，起动过程的联锁及顺序逻辑控制，由西门子公司的7ve512自动同步单元完成同步并网过程。2 制氧机工程的系

2、统组成及工作原理制氧机工程系统采用了高-低-高式交-直-交电流型变频器供电和交流无换向器电机控制，整个软起动的控制由西门子公司的simadyn-d系统完成，其中一个pg16处理器+se48.1接口模块完成电网侧的整流器控制，一个ps16处理器+ts12触发模块+se21.2接口模块完成电机侧的逆变器控制，一个pm5处理器完成软起动过程中的顺序逻辑控制、速度给定和调节。由于采用了旋转励磁机实现无刷励磁，专门由一个pm5处理器实现电机电压闭环完成软起动过程中励磁电流的给定值计算，以保证软起动过程中电机的气隙磁通基本保持不变，实现了对起动过程中定子电流电枢反应的补偿，从而即保证了晶闸管的换向裕量不变

3、，又保证了最大的电机的过载能力，基本克服了采用电流型逆变器供电的自控同步电动机过载能力差的缺陷。针对电机转速小于10%额定转速时，由于电机的反电势太低，无法安全实现负载换向的情况，系统采用了断续电流换向的方法，即当电机侧逆变器需要换向时，系统向电网侧整流器发出推逆变信号，将lci的电流强制拉到零，然后再触发电机侧逆变器待开通的另一对晶闸管，由于采用了特殊的整流侧脉冲组合逻辑，使得即使不用在直流平波电抗器并联释能晶闸管，也能够保证将lci电流快速拉到零，从而大大简化了电路结构和控制线路，为了进一步提高系统的可靠性，系统采用了由impag4+sav21组成的整流器触发和晶闸管监控单元，实现了高低压

4、回路的光耦隔离，对误触发的有效监控保证了晶闸管触发的可靠性，避免了因晶闸管损坏或触发脉冲丢失等原因所造成的功率单元灾难。由于采用了成熟的矢量运算技术，通过ps16模块的电压模型计算出同步电动机自控所需要的电机磁通、转子转速和位置角等信号，实现了无测速机控制，只有电机需要经常在低速范围做调速运行或电机的惯性较大，需要较大的起动转矩的场合才需要安装测速机。矢量控制模型所需要的电机侧的电压电流信号均取自升压变压器的输入侧，为了避免升压变压器的剩磁影响到同步电动机转子初始位置定向的准确性，每次软起动结束后，都由一台变压变频装置simovert mastdriver vc完成升压变压器的去磁工作。由cp

5、u315-2dp、simotras hd励磁装置、simeas测量显示单元、op17操作面板，et200s远程i/o和simoverts组成的s7-300工作站完成信号的输入、输出，各种监控及保护、控制联锁及并网运行后电机运行参数显示、电机的保护、励磁电流的控制及功率因数的调节。电机励磁电流的控制由simotras hd全数字交流调压装置完成，降压变压器的起动及电机同步运行后的保护分别由7sj6005和siprotec 7um6215可编程集成保护单元完成，电机的并网同步由西门子公司的7ve5120可编程自动同步单元完成，因此整个系统的组成实现了数字化、模块化，方便了调试与维护，提高了系统工作

6、的可靠性。电机励磁电流的控制由simotras hd全数字交流调压装置完成，降压变压器的起动及电机同步运行后的保护分别由7sj6005和siprotec 7um6215可编程集成保护单元完成，电机的并网同步由西门子公司的7ve5120可编程自动同步单元完成，因此整个系统的组成实现了数字化、模块化，方便了调试与维护，提高了系统工作的可靠性。图1 3#2万制氧机9500kw主电机软起动主回路原理图系统主回路原理图如图1所示，电机变频软起动系统的控制原理图如图2所示。图2 济钢2万m3制氧机9500kw空压机电机变频软起动系统控制原理图3 软起动系统配置及各部分的功能simoverts系统的sima

7、dyn-d配置如图3所示。图3 simovert s软起动系统硬件配置图simadyn-d系统是一种多处理器分布式控制系统，采用l+c并行背板总线结构，包括20位地址，16位数据及控制信号、电源，其中c总线主要负责最多8个处理器之间的通讯，总线采用硬件菊花链方式，最大总线周期小于1s，处理器的典型循环扫描时间为10ms，适合完成快速和复杂的控制任务如液压agc系统、svc系统等，编程采用了struck g图形化的功能块图方式，并由ibs g、drivemonitor等在线监控和修改软件。本系统采用的主要处理器及所完成的功能说明如下:3.1 a100机架24槽主要完成变频器本体的电流控制、脉冲形

8、成与监控及与op17操作员面板的接口，包括:(1) d01-p1:pm5 通用的开环和闭环控制处理器，一般与it41、it42扩展模块共同完成工艺控制任务，32位risc处理器，主频32m，包括以下功能包:· fp-ast完成与传动有关的顺序控制，如控制器的使能、运行模式的切换等。·fp-erw以电压闭环方式完成励磁电流设定值的计算。·fp-uhr用于起动系统时钟同步。(2) d05-p2:pg16完成传动的转矩控制, 采用80c186-16 16位单片机。· fp-mn1完成电网侧变流器的电流控制，包括实际值的处理、闭环电流控制，逻辑无环流自动反转逻辑

9、及门极脉冲发生。(3) d09-p4:ps16完成矢量运算和se21.2接口模块、ts12硬件脉冲触发单元一起完成电机侧变流器的控制。·fp-sms矢量控制功能包，包括电压模型(fb-ums)、实际值处理(fb-ist)、反电势补偿计算(fb-ofc)、触发角计算(fb-alb)等功能块，完成在无测速机方式下的电机侧变流器控制。3.2 a200机架12槽主要完成电机的速度闭环控制及与s7-300 工作站的通讯，包括:d01-p1:pm5·fp-nrg完成软起动过程中的速度给定和闭环调节。·fp-wrg电网电压前馈补偿。·fp-anf实现励磁装置的起动及励

10、磁电流给定值的下传、与自动同步单元交换控制信号，完成并网过程。·fp-dia报告simovert软起动系统的状态，实现软起动系统的故障诊断。4 系统的典型动态响应及结论 变频软起动器在起动过程中动态响应曲线图如图4所示。图4 起动过程动态响应曲线图 从图4中可见，在整个软起动过程中，由于与速度有关的电流限幅的作用，变频器的电流是逐渐增加的，从而减轻了对机械设备的冲击，另外从图4中可以明显地看出电机的励磁电流是跟随电机的定子电流同步变化的，反映了电机电枢反应的补偿过程，保证了负载换向的可靠性和电机的过载能力，从电机的并网同步过程可以看出整个起动和同步并网过程只有1分35秒，且并网时对电

11、网和设备的冲击都很小，实现了软起动的双重保护作用。5 结束语本软起动器经过调试期间和一个多月来多次运行的考验，整个软起动和并网过程可靠稳定，比采用同样控制原理的原苏联的模拟控制系统可靠性和一致性都大大提高了，因此我公司1#、2#2万制氧机都采用了西门子公司的simoverts变频软起动装置。参考文献 1 陈伯时,陈敏逊. 交流调速系统m. 北京:机械工业出版社,1998.2 simoverts用户手册z. siemens公司.SIMADYND全数字控制系统在中板液压AGC中的开发与应用作者：1、霍启军，2、刁建华   周 涛  

12、60;陈锦标通讯地址：（1 山东大学电气工程学院 山东 济南  250014；2 济南钢铁集团总公司中板厂 山东 济南 250101）文章从系统硬件组态和软件设计方面介绍了全数字控制系统SIMADYN D在中板液压AGC中的开发与应用。1 前言济钢中板厂四辊轧机于1987年建成投产，最初上过一套液压AGC系统，由于多种原因没有成功应用，所以一直采用电动压下。为了更好的控制板形，提高钢板质量，总公司决定投资为中板厂新上一套液压AGC系统。在2003年12月至2004年1月利用中板厂几次计

13、划检修时间进行了设备安装与调试。改造后的液压AGC控制系统采用德国SIEMENS公司的SIMADYN D数字控制系统，系统改造非常成功，投运至今没有任何故障。2 系统特点由于中板生产的特殊性，要想获得理想的产品质量，液压AGC技术是必不可少的，而AGC要取得理想的效果，首先要求控制系统必须快速、可靠。随着对国内市场的不断开发，作为世界闻名的自动化公司，SIEMENS公司的产品在国内工厂中的占有率已经名列前矛，SIMADYN D是一种实时多任务的分布式数字控制系统，具有运行速度快、可靠性高、功能强大且容易组态等特点，是实现液压AGC功能的一种理想的控制系统。特点如下

14、：2.1 算速度快SIMADYN D控制系统的主流CPU是PM5和PM6（PM4已经很少再用），其中PM5是32位的CPU，其主频为32MHz，有DRAM 4Mbytes，SRAM 64Kbytes，最小运行周期可达0.1ms，应用程序的控制回路的运行周期可到0.6ms左右；PM6是32/64位的CPU，其主频为64/128MHz，有DRAM 8Mbytes，SRAM 256Kbytes，最小运行周期可达0.1ms, 应用程序的控制回路的运行周期可到0.5ms左右。2.2 功能强SIMADYN D控制系统

15、是一种多处理器、多任务实时控制系统，一个机架中最多可以配置8个CPU，每个CPU中又可以并行处理67个任务，每个任务中最多可以包含10000个功能模块，而且可以根据需要，对每个功能模块配置时钟周期（T1T5）。 2.3 编程灵活SIMADYN D的开发软件使用的是基于UNIX操作系统面向图形的配置语言STRUC G和面向List的语言STRUC L，同时也支持基于Windows操作系统面向图形的配置语言CFC。用户可以根据自己的需要灵活选用不同的编程语言对系统进行配置。2.4 产品种类齐全、可扩展性强SIMADYN D控制系

16、统拥有丰富的硬件模块。机架有6槽、12槽、24槽三种，同时还有各种各样的I/O模块和接口模块，用户可以根据自己的实际情况任意选用不同的机架、电源、处理器、I/O模块和接口模块，从而构成满足各种要求的控制系统。同时该系统还可以通过DP网、工业以太网与SIEMENS 的PLC和其他自动化公司的产品联用。3 系统硬件构成与目前国际上通用的轧机AGC控制系统结构模式一样济钢中板厂的四辊轧机液压AGC控制系统分为两级：过程控制级和基础自动化级。3.1 过程控制级过程控制级包括一台ALPHA机和一台过程服务器：其中ALPHA机通过以太网接收基础自动化级送来的来料信息钢种、来料

17、厚度、目标厚度、来料温度等（由操作工在WinCC监控站上输入），以及基础自动化级实时传送过来的各种过程参数（辊缝、压力、温度、电压、电流、转速、力矩等），在线计算出一个实用的轧制规程，并实时传送到 基础自动化级，控制相应的执行机构动作，并存贮轧制过程数据；过程服务器通过以太网接收、存贮轧制过程数据（包括来料信息钢种、来料厚度、目标厚度、来料温度等，以及各种过程参数辊缝、压力、温度、电压、电流、转速、力矩等），并可以通过数据库在线查看实时轧制数据，或在线、离线分析历史数据。3.2基础自动化级基础自动化级 包括1个SIMADYN D机架、一台WinCC监控站和两个ET

18、200站的。 3.2.1 SIMADYN D机架液压AGC控制器采用SIEMENS公司的SIMADYN D(简称SD)系统,SIMADYN D是整个控制系统的核心，它以一个24槽机架作为框架，带有LBUS和CBUS及电源。其中包括三个CPU 模块（PM5：其中第一个CPU中运行HGC（液压APC）软件，第二个CPU中运行AGC软件，第三个CPU中运行AGC逻辑控制软件。）、一个存贮器模块（MM4）、两个I/O模块（一个IT41、一个IT42：IT是与PM5直接通讯的快速I/O板，有AI、AO、DI、DO及脉冲输入等接口，主要用于采集电动码盘（脉

19、冲计数器），辊缝（16位模入），压力（16位模入），及四辊主传动控制系统电压、电流、转速、力矩（12位模入）等信息；控制执行机构（压下电机、伺服阀：16位模出）、一个通讯母板（CS7：其中SS4用于SIMADYN D与编程站的通讯，SS52用于SIMADYN D与ET200的通讯）和一个H1网卡（CSH11：用于SIMADYN D与WinCC监控站的通讯），见下图（图二）：3.2.2 WinCC监控站WinCC监控站经过内插的CP1613通过SIEMENS 的工业以太网（H1网）与SIMADYN D进行通讯。WinCC监控站运行的监控

20、软件为SIEMENS公司的WINCC,选用256点WINCC完全版。开发的人机界面软件HMI显示的内容有图形、数据等，还有软开关供操作工操作。WinCC监控站接收SIMADYN D的实时数据辊缝、压力、温度、工作状态及主传动电压、电流、转速、力矩等，再经以太网（TC/PIP协议）将这些数据传送到过程控制级，同时接收上位机计算出来的轧制规程，并下载到SIMADYN D中执行。WinCC监控站还用于显示相应的轧制过程数据及工作状态，供操作工监控。另外，人工规程和来料信息钢种、来料厚度、目标厚度、来料温度等也要操作工在此输入。3.2.3 ET200站ET200站包括两组

21、ET200远程I/O接口，包括模入、模出、开入、开出等。 其中3#站作为SIMADYN D的远程I/O，通过一根通讯电缆将轧钢操作台上的按钮、指示灯、显示仪表等与SIMADYN D连接起来，大大减小了电缆数量；4#站则用于连接一些现场信号（温度、热检、液压站等信号）。3.2.4 检测系统：压下控制系统的检测系统包括电动码盘、电动位移传感器、液压位移传感器、压力传感器、测温仪、热检器、测宽仪、测厚仪等。3.2.5 执行机构压下控制系统的执行机构由电动压下和液压压下两部分组成。电动压下的执行机构是压下电机，由SIMADYN D系统计算出压

22、下速度设定值并输出相应的电压信号，控制压下电机驱动电动压下螺丝上下移动；液压压下的执行机构是伺服阀，其控制信号也由SIMADYN D系统通过模拟量给出，控制伺服阀的开口方向和开口度，驱动游缸上下移动。4系统软件功能济钢中板厂的四辊轧机现主要用于精轧机，压下控制系统采取“液压全程”方式，油缸最大行程为80mm，正常工作行程为060mm。同时，控制系统中还预留、设计了单机架轧钢的功能，一旦需要，很快就可以调试投用。利用SIMADYN D编程软件STRUC G开发的用户程序,建立了各种控制的数学模型，具有APC（位置自动控制）、AGC（厚度自动控制）、自动辊缝清零(或叫

23、自动压靠)、保护（过压、过压差、液柱过高或过低等）等自动功能，以及辊缝微调、镰刀弯调节等人工干预功能。下图是STRUC G开发的用户程序示例： 4.1 APC（位置自动控制）在实际轧钢过程中，控制系统根据过程控制机下达的设定位置，通过调节伺服阀控制油缸的移动，使轧辊到达目标位置（定位精度为±0.01mm）。（在单机架生产时，则首先通过压下电机，控制压下螺丝动作使轧辊到达某一范围即停下来，再通过调节伺服阀控制油缸的移动，来补偿电动定位误差，使APC的最终定位精度达到±0.01mm。）4.2 AGC（厚度自动控制）包括绝对值和相对值两种。在过程控制级投用时，采取绝对值AGC方式，由过程控制机向SIMADYN D发送每一道次的压力设定值和辊缝设定值，SIMADYN D则根据实测压力计算出AGC调节量；在过程控制级未投用时，采取相对值AGC方式，过程控制机不参与控制，SIMADYN D