西門子PLC的工程應(yīng)用

Column專欄

西門子PLC的工程應(yīng)用

第5講 西門子PLC與富士高壓變頻器在風(fēng)機(jī)控制中的應(yīng)用

Application of Siemens PLC and Fujitsu HV-inverter in the Fan Control

大功率風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速能達(dá)到比傳統(tǒng)采用調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板控制風(fēng)量的方法更為顯著的節(jié)電效果，同時在實際運行中采用PPO4的通訊協(xié)議還可以使得高壓變頻器與上位機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單方便。本文主要闡述了西門子PLC與富士高壓變頻器在風(fēng)機(jī)控制中的應(yīng)用。

西門子PLC；大功率風(fēng)機(jī)；高壓變頻器

1　概述

大功率風(fēng)機(jī)是工礦企業(yè)的主要動力設(shè)備，在過去設(shè)備選型時往往都留有一定的冗余量，有些選型甚至很保守，冗余量很大。加之風(fēng)機(jī)單一運行，運行效率低下，嚴(yán)重浪費能源，因此，做好大功率風(fēng)機(jī)節(jié)電尤為重要。變負(fù)荷運行的大功率風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速裝置運行后，其節(jié)能率一般都在20%以上，節(jié)電的潛力很大。

現(xiàn)有某企業(yè)#1爐引風(fēng)機(jī)是兩臺雙側(cè)布置，變頻改造前引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)由人工調(diào)節(jié)擋板來實現(xiàn)，引風(fēng)機(jī)及其電動機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1　引風(fēng)機(jī)及其電動機(jī)參數(shù)

根據(jù)#1爐目前的實際運行情況，考慮實際負(fù)荷情況，經(jīng)對改造前引風(fēng)機(jī)電機(jī)檔板調(diào)節(jié)情況試驗，確定變頻器額定電流按110~115A左右來選擇。現(xiàn)采用富士高壓變頻器型號為MV4600FM5，其額定電流115A。

為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器同時加裝工頻旁路裝置，變頻器異常時，停止運行，電機(jī)可以直接手動切換到工頻下運行。工頻旁路由3個高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成（如圖1所示，其中QF為甲方原有高壓開關(guān))。要求QS2不能與QS3同時閉合，在機(jī)械上實現(xiàn)互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。

圖1　工、變頻旁路裝置

為了實現(xiàn)變頻器故障的保護(hù)，變頻器對6kV開關(guān)QF進(jìn)行聯(lián)鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開QF開關(guān)。工頻旁路時，變頻器應(yīng)允許QF開關(guān)合閘，撤消對QF開關(guān)的跳閘信號，使電機(jī)能正常通過QF開關(guān)合閘工頻啟動。

變頻調(diào)速系統(tǒng)配置上位機(jī)，上位機(jī)安裝在控制室，通過上位機(jī)可以對變頻器進(jìn)行啟動、停機(jī)、調(diào)速等控制，并可在上位機(jī)上顯示變頻器的運行數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)。為了保障調(diào)速系統(tǒng)的可靠性，在操作臺配置對變頻器的控制按鈕，也可以對變頻器實施啟動、停機(jī)、加速和減速控制，同時通過S7 PLC來遠(yuǎn)程控制富士高壓變頻器。

2　S7 PLC與富士變頻器的通訊協(xié)議PPO4

PPO是Parameter Process-data Object的簡稱，即參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象。它規(guī)定了PLC與變頻器等驅(qū)動裝置通訊時報文中有效數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，符合PROFIBUS補充協(xié)議“variable-speed drives profile”。

圖2所示為PPO通訊類型示意，PKW為參數(shù)標(biāo)識符值，STW為控制字，PZD為過程數(shù)據(jù)，ZSW為狀態(tài)字，PKE為參數(shù)標(biāo)識符，HSW為主設(shè)定值，IND為索引，HIW為主實際值，PWE為參數(shù)值。

圖2 PPO通訊類型

圖3所示為PPO4協(xié)議的示意，6PZD+0PKW，這種方式對于變頻器參數(shù)沒有太多要求，比較適合多傳動控制系統(tǒng)或者不同品牌或不同型號變頻器之間的數(shù)據(jù)交換。同時還可以對PZD區(qū)的返回報文進(jìn)行組態(tài)，從而方便對設(shè)備運行時的電流及電壓等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

圖3　PPO4協(xié)議

正是由于PPO4協(xié)議并不對變頻器的參數(shù)進(jìn)行讀寫等操作，使得PROFIBUS-DP協(xié)議在很多不同品牌、不同變頻器之間應(yīng)用變得廣泛起來，比如本案例中的高壓風(fēng)機(jī)富士變頻器MV4600FM5，它支持PPO4協(xié)議，即“無PKW領(lǐng)域、PZD領(lǐng)域6Word”。

3　S7 PLC到富士變頻器的通訊

表2所示為S7 PLC到變頻器的通訊數(shù)據(jù)，其中STW2控制字默認(rèn)為0，STW1（控制字Word1）的格式與其他變頻器略有所區(qū)別，具體如圖4所示。

表2　PLC到富士變頻器的通訊數(shù)據(jù)

圖4　MV4600FM5的STW1含義

4　富士變頻器到S7 PLC的通訊

表3所示為S7 PLC到富士變頻器的通訊數(shù)據(jù)，其中ZSW1和ZSW2的含義如圖5、圖6所示。

表3　PLC到富士變頻器的通訊數(shù)據(jù)

圖5　ZSW1的含義

圖6　ZSW2的含義

5　結(jié)束語

為了檢驗高壓風(fēng)機(jī)的變頻器運行效果，分別于變頻器投運前和引風(fēng)機(jī)投變頻后對#1爐引風(fēng)機(jī)電機(jī)功率及電源側(cè)功率因數(shù)進(jìn)行測試，測試在相同運行方式及相同工況下進(jìn)行。由實際測量結(jié)果可以得出結(jié)論：變頻器運行時，引風(fēng)機(jī)電機(jī)功率因數(shù)平均提高約0.24，節(jié)電率為28.9%。

[1] 周柏青, 李方園. PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M]. 北京：中國電力出版社, 2015.

[2] 李方園, 楊帆. 西門子S7 PLC應(yīng)用簡明教程[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2013.

[3] 李方園. 圖解西門子S7 - 1200 PLC入門到實踐[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

The high-power fan with HV-inverter control can achieve the more significant energy-saving effect than the traditional air-volume-damper. At the same time using PPO4 communication protocol in the actual operation also enables the simple and convenient topology between the HV-inverter and the host PLC. This paper describes the application of Siemens PLC and Fujitsu HV inverter in the fan control.

Siemens PLC; High power fan; HV-inverter

李方園（1973-），男，浙江舟山人，高級工程師，畢業(yè)于浙江工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院工程碩士專業(yè)，長期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應(yīng)用與研究工作，現(xiàn)就職于浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院。