西门子变频器主从控制在钢铁厂的应用

基于 U S S 协议的西门子变频器主从控制在钢铁厂K R中的应用

随着基于现场总线的低层控制网络的发展 ， 各大电气厂商纷纷推出了具有强大 数据 通信 能 力的 产 品 ， 其中以F F 、 P r O f j b U S 、 W O r l d F l P 、C 0ntr0 IN E T 、P -N E T 五大总 线为代表的现场总线控制系统(FC S )在各工业自动化领域得到了广泛的应用 。 在钢铁厂第三炼钢厂转炉、 连铸 自动化系统 中LO和L 1级控制体 系中， 根据各种总线的特点和系统的需要应用 了多种总线产品P ro fib u s 、C o ntro lN e t、 D e v ic e N E T 、C A N ，这 些总 线产品 给转炉 、 连铸系统提供了安全而可靠的解决方案， 但在炼钢厂 中小 型设备 (起重 机、 单体设备) 应用 领域 中 ， 昂贵的硬件配置增加钢铁厂集团第三炼钢厂

钢铁厂 第 三炼钢 厂 K R 法脱硫 工 艺 过程以及 控制 系统的构 成 ， 详细讨论了采用 基于 RS485 接口的 USS 通信协议对西门子变频器进行主从控制的方法和变频器参数设计 ，有效地减 少了系 统布 线 ， 提 高系统 的 抗干 扰能力 。

变频器 通用 串 行接口协 议 U SS 主从控制了工程的预算成本 ，领域 中的 广泛应用 。

FCs在这些 2 K R 工艺简介西门子数字矢量控制变频装置是属SIMOVERTMASTERDRIV．系列 ，是比较先进的工控产品 ， 不但拥有灵活的参数结构、 B lc0技术及高精度的矢量控制性能 ， 而且具有强大的通信能力 。 6SE70矢量控制变频器具有支持各种现场总线的可选模板 ， 其 中SCB2板是用 于USS (通用 串行接 口协议 ) 通信的RS485 接 口 ， 波特率可以 高达1152 kb d 。 在钢铁厂K R 控制 系统 中 ， 利用6s E 70变频器的U SS 通信能力 ， 构成一套低成本、 高性能的主从控制系统 ， 这种控制结构完全可以替代FC S 在中JJ＼型系统的应用 。

钢铁厂第三炼钢厂整个生产线装备水平较高 ， 是按照可以生产高级别管线钢进行装备的 ， 铁水预处理工序是该生产线极为关键的生产环节。 管线钢的生产中 ， S 1的控制是首要任务。 研 究和生产实践表明 ， 在铁水中脱硫相对转炉脱、最合理的工序。 因此 ， 铁水预处理脱硫在钢铁厂管线钢中 显得非常重要。

国 内 外应用 最 为广泛 的脱 硫方法主要有K R 机 械搅拌 法和 喷吹法 。 两者 比较 ， K R 脱硫率 高 、 脱硫 剂易 于制造 、 脱硫成本低 、 操作简单 ， 但投资较 高、 设备维修量大 ， 喷吹法一次投 资低 ， 设备维修量较小 ， 但操作不易控 制 ， 易产生喷溅 ， 同时脱硫率和

脱硫成本 相对K R 优势较 弱。 通过 比较 ， 钢铁厂 选择 K R 脱硫法 。 K R T 艺流程见图 1 所示 。

3 I(R 控 制系统

3 ．1 K R 控制系统的结构K R 自动控制系统采用 一台施耐德(S c h n e id e r ) 昆腾 (Q ua ntu m n )可 编程 控 制器 (P L C ) 和 两 台 研 华IP C 6 10 T 控机构成 ， 通过工业以太网和T C P／IP协议将下位机P LC 和上位工控 机连接起来。 两台 工控机上 同时运行M O N I．r_ 0 R P R O 7．2组态软件 ， 两个

图 1 K R 工 艺流程

图 2 K R 控制 系 统结构

图 3 KR 搅拌头 主从控 制系统

操 作站互为备用。两个脱硫站 P LC 间通 过交换机S W ITC H 和工业以太网 连接起来 ， 可 用 于两个脱硫站 之间交换数 据 ， 同时可作 为基础 自动化 系统与上位二级 计算机 预 留通 讯接 口 。 K R控 制系统结构见图 2所示 。

3 ．2 K R 控制系统组成

K R 控制系统包括备料系统 、 加料系统、 车辆系统、 扒渣系统、 搅拌系统等。备料系统包括的主要 自动化设备有锥形阀、 旋率 辞器、 料仓振打 电机 。

加料系统包括的主要设备有流化管切断阀和调节阀、 压送管切断阀和调节阀、底吹管切断阀和调节阀、 助吹管切断阀、电动升降溜槽以及压力 、 温度、 流量、露点、 称重检测仪表等。 车辆系统包括铁水罐车行走机构、 渣盘车行走机构、 铁水罐倾翻机构、 倾翻液压站等。

扒渣系统采用成套扒渣机 ， 只与脱硫本体系统保持一定的连锁关系。 搅拌系统包括的主要设备有搅拌头升降机构、 搅拌头旋转机构、 升降夹紧装置、 翻板轨道、 液压站、 活动烟罩、 除尘阀、氮封阀等。

3 ．3 搅拌头旋转控制系统

搅拌头旋转机构是K R 控制系统的核心设备， 主要用于脱硫的搅拌操作，设备有搅拌旋转变频电机、 搅拌旋转电机冷却风机、 搅拌旋转变频器各两台。

西门子160kw工程型变频器 (6S E 70 33 -2 E G 6O ) ，通过 S C B 2 (6 S E 7 0 8 7 —6 C X 8 4 一O B B D O )通讯板在变频装置之 间实现U S S 通讯 方式 ， 将主 电机 速度调节器的输出 作为 从 电机的转矩给定值 ， 由PLC 给定主电机的速度给定值 ， 控制系统见图3所示。 搅拌头旋转机构有机旁手动、 集中手动两种工作方式 ， 工作方式的切换在H M I画面上完成。

4 USS (通用串行接 口 ) 协议

4．1 U S S 协议的概念

U S S 协议是 由S ie m e ns A G 定 义的按照主-从通讯原理来确定访 问方法的串行数据通信协议 ， 从O S I／R M 7层模型来 讲 ， U S S 协 议属 于 数据链 路层 ， R S485 为其物理层。 运用 U S S 协议 ， 主站根据通讯报文(数据帧) 中的地址 字符来选择要传输数据的从站 ，在主站没有要求从站进行通 讯时 ， 从站 自己不 能首先发送数据 ， 各个从站之间也不 能直接进行信息的传输 。 每个数据报文都是标准的异步报文格 式(11位) ： 1 个起 始位 、 8个 数据 位、 1个偶检验位和 1 个停 止位 ， 最 高通 讯波特率可达 1 87 ．5 kb／s 。

4 ．2 US S 协议报文结构

U S S 协 议 报文 结 构 如 下 图 4 所示 ， 主要 有以 下部分组成 ：S T X ： 占 1 个 字节 ， 数据 恒 为

02 H e x ， 表示一条信 息的开始 ；

LG E ： 占1 个字 节 ， 表示这条信息中 后跟的字节长度 ；

A D R ： 占1 个字节 ， 表示从站结点 变频器的 地址号 ；

B C C ： 占1 个字 节 ， 表示从S T X开始的所有字节异或运算的结果 ；

净数据其结构 如 图4 所示 ： P K W参数识别码 区 ， 总 长4 个字 ； PZ D ：过程 数据 区域 。

4．3 6 S E 70 变频器 U S S 协议的应用 模式

(1 ) 6 S E 7 0 变 频器 净数 据 区。

对于6S E 70变频器装置净数据区被划

分成2 个数据 区 ， 见 图5所示 ， 它们以各 自的报文进行数据传送 ：

过程 数据 区 (P Z D ) ： 是 为 控 制

图 4 U SS 协 议报文结构

PK W

图 5 净数据结构

图 6 6 SE 70 变频器主从控制原理图

和监测变频器而设计 的 ， 其优先级高于P KW 的优先级 ： PZ D N - - 般使用控制字和设 定值 或状态字和实际值。 在6S E 70变频器应用 中 PZ D 区最 多可 以使 用 1 6个 字。

参数区(P K W ) ： 前两个字(P K E和IN D )是关于主站请求的任务或应答报文的 类型 ， P K W 的 B 0 ～B 1 0 位 (b ．P N U )是基本参数号值 ， B 12 ～B 15位

(A K )是 请求或应答任务 的标 记I D 。

IN D 的B 0 N B 7 位是参数 的下标值 ，B 12 ～B 15位是参数的P N U 扩展(P N U页号) ，所以一个完整的参数号可 由下式计算 ： 完整 的 P N U = 基本b．P N U +(P N U 页号 2000) ； 后两个字(Pw E 1和PW E2)是被访 问参数的数值 ， 对于6S E 70有 多种不同类型 的参数值 ， 整型(单字长 或双字长) 、 十进制 数、 数组 等。 实际应用 中P KW 区一般用于读写参数 ， 读出故 障信息 等。

(2 ) 6S E 70 变频器的U S S 协议参数。 6S E70 变频器有一组参数(P 700-P 7 0 8 ) 用 于定 义 U S S 协议 的 功 能 ，U S S 通信方式、 波特率、 发送 、 接受的PZ D 字均有 多种方式可选。 在K R 控制应用 中 ， 变频器之 间通信采用 点 对点方式 ， 选择 为 主站的变频器向 从变频器发送报文 ， 主变频器 向从变频器发送控 制字和力 矩给定两个字 ， 在 变频器U S S 协议中定义两个PZ D 字。

5 搅拌头旋转机构的主从控制

5 ．1 主从控制的应用

主从控 制 是一种 负载 分配应用 ，是 为多电机传动应用而设计的。 它用于 电气 传 动 系统 中运 行两 个 变频器(传 动控 制 设备 ) 并且 电机 轴通 过齿轮、导轨、链条或轴 等相 互连接 的应用 场合 。 主从应用控 制中 ， 外部控制信号只与主机变频器 连接 ， 主机经由通信控制从机变频器 。 主机通过主从总 线 将命 令 信 号和给 定值 传 送给 从机 ， 主机也从从机读取返回的状态信息 ， 以确 认从 机 变频器 运 行是 否 正常 。 主机传动是速度控 制 ， 从机 变频器根据机械传动不同连接形式跟 随主机 的转矩或速度给定 。 一 般情况 下 ，当 主传 动和 从 传动 的 电机 轴通过齿轮 、导轨、轴等刚性 连接时 ，从机传动使用 转矩控制：当主传动和从传动的 电机轴通过柔性连接时 ，从机传动使用 速度控制 。

5 ．2 6 S E 70 变频器主从控制的实现6S E 70 7-程型变频器的 许多优 良特点 ， 其中最具实用 性的是具有 区别

一般通 用 变频 器 的 自 由 功 能模 块 和B IC O 技术 ， 利 用丰富的自由功能模块和灵活的B IC O 技术 ， 可方便地实现各种不 同目的的组 态设 计 ， 完成复杂控制设计的要 求。 西 门子6S E 70 7-程型变频器主从方式的控 制是 ： 通过一个控制 字 (P 5 87 ) 和从 方式的力 矩给 定值 信号 (P 4 8 6 ) 的控制 来 实现 。 在K R 控 制系统 中 ， 利用 开关量输 入信号 (X 1 0 1 端 子5 ) 来 实现变 频器主 从方式的选择 ， 利 用U S S 协议完成从方式 的给 定 值 的控 制 。 在 K R 控制 系 统中 ， 因为 主传动 和从传动 的电机轴通过齿轮刚性 连接时 ， 从传动方式使用转矩控 制。主变频器 向从变频器发送的给定信号是 力矩给定信号 ， 6S E 70变频器的主从控制原理见图 6所示 。

5 ．3 搅拌头旋转机构的主从控制

正常情况下搅拌头旋转采 用 的是两 台变频电机 同 时工作 ， 一主一从的工作方式 ， 变频器均定义为无编码器矢量控 制模 式。 当两 台电机和变频器都没有故障时 ，在画面上选择一个主变频器 ， 没有被选择 的电机作 为从变频器。 选择为主 的变频器接 受是速度给定信号 ， 主电机工作 为转速 电流双闭环矢量控 制模 式 ： 从 变频器接 受主变频器发送的转矩信 号 ， 接受的是转矩给定信号 ， 从变频器 工作 为转矩单闭环 矢量控制模 式 。 K R 搅拌头主 从控制 系统结构见 图 3 所示 。 两台 电机同时启 停 ， 从而达到两台 电机同步工作的转矩平衡。 当一台电机或变频器发生故障时 ， 将没有故障的电机指定为 主电机 ， 必须切断发生故障的电机的动力电源 ， 也可实现单电机旋转。

5 ．4 U S S 协议的硬件实现

U S S 总 线 是基 于R S -48 5 的 物理接 口而 实现 的 ， 单一 的R S 48 5 链路最多 可连接30 台 变频器 ， 由于其采用差动电压传输信号，有着很高的抗噪声 能 力 ， 最 远 允 许 传 输 距 离 可 达1 0 00 m ， 但必须在总 线 末端的两个端子(P + 和 N -)之 间连接相应 的终 端电阻 ， 而且至少应在总 线的一端安装适当的上拉／下拉 电阻 。在K R 控制系统中 ，U S S 总 线是通过变频器所带附加通信板S C B 2 实现 ， U S S 协议的终端电阻是通过S C B 2 板 的 内 置终端电阻来 实 现 (拨码 开 关 ) 。

5 ．5 6 S E 70 变频器的参数定义

根据工艺设计要 求 ， 当 操作选择主变频器 ， 没有被选择的变频器 作为从变频器 。 主变频器工作为 转速电流双闭 环矢量控 制模 式 ，从变频器 工作为电流单闭环矢量控 制模式。 两台变频器同时启停 ，从而达到两台电机同步工作的转矩平衡 。 当一台电机或变频器发生故障时 ， 将没有故 障的变频器指定为变频器 ，必须切断发生故障的电机的动力 电源 ， 也可实现单电机旋转。 主从之间 的 切 换是通 过端子切换 ， 要实现互为 主从方式 ， 两台 变频器的控 制参数设置成一样 。 变频器的参数设置如下所示 ：

(1 ) 主从控制参 数定义 ： P 5 87 ．1- -00 14 X l01端子5作为主从控制方式的选择

(2 ) 电子~ S C B 2的识别 ： P060=4选择 电子板配置菜单 PM U 显示004 ，表示电子板配置状态 ； P696=3 SC Bt~为装置对装置点对点协议 P060= 1 返

回参数设置菜单

(3 ) S C B 2 通讯板 的参 数设 置 ：

P 701 ． 3=7S C B2 的波特率 1 9200bps： P 703 ． 3=2 发送接收的PZ D 字 的个数为 2 ； P704 ． 3=0 通讯失败后触发故障的时间m s ， 0表示通讯失败不触发故障 ； 在所有参数设置完成后将此参数设为 500 ， 当 两台 变频器的 S C B2板发 生通 讯故障 (如 一个C U V C 板的2 4 电源 断 电后 ) ， 会触发 F 0 7 9 故 障： P 705 ． 1=0 第1 个P Z D 字不被直接传送 ： P705 ． 2=0 第2 个PZ D 字不被直接传送 ： P 706 ． 1=0030 发送 的第一个 P Z D 字的内 容必须 为控 制字 ；P 706 ． 2=0 1 53 发送 的第 二个PZ D 字的内 容为 速 度调节器 的输 出 (力 矩信号) K 0 1 53 ； P 486 ． 1 =450 2 主转矩给定值为 接收的第2 个P Z D 字

6 使 用 中 需注意的问题单电机旋转 时 ， 将 需要 旋转的 电机设置为主电机 ， 将不旋转的电机的动力 回路的断路器和接触器 断电。 但一般不要停C U V C 板 的+24V 电源 ， 否则没有 停 电的变频器会报 F 0 7 9故 障(S C B 2 板 通 讯 故 障 ) 。 若 需要 停C U V C 板的+24V 电源 ， 应先修改两台变频 器的参数P 704．3=0 后再停C U V C板的 +24V 电。单电机旋转时的单 台电机电流大约是双 电机旋转时单台电机电流的两倍。

在旋转系统报故 障后 ， 需要 重新选择主 电机和从 电机 。

在搅拌头旋转过程中 ， 严 禁切换主从 电机 。

钢铁厂K R 控 制系统应 用 U S S 协议很好实现 了搅拌头6S E 70变频器的主从控 制，该系统自调试正常并已投入生产以来 ， 控制系统稳定 ， 搅拌头运行稳定，工艺控制各项 要求均达到或超过指标 。

蒸汽压力为过程值当高于设定值时打开高压旁路压力调节阀 ， 低于设定值时关闭调节阀。 高旁控制原理如图 2。

图 2 高压 旁路控 制原理

Y m ax -B P 阀 位最大值 设定B P ·高旁阀： P sactual-最终主汽压力设定值；dp-压力偏差设定 ；Y s -阀位指令 ； B P E-高旁喷水 阀； P steam

主汽压力 ； B D -高旁隔离阀 ； PT -比例 积分器 。

(2 ) 低压旁路系统 ： 低压旁路系统的作用就是在启 动或甩负荷时把再热汽旁路到凝汽器 ， 以达到保护预热器和 汽轮机的 目的， 低压旁路系统包括低 旁压 力控 制和低旁温度控制两套系 统 。低压旁路在初组启动阶段 ， 运行人员可以设定最小压力Pm in (外给定1 ×10sP a)来控制再热器出口压力， 以维持一定的蒸汽流量通过预热器。 当汽机冲转后 ， 压力设定值P s随汽机调速级压力 表汽机负荷) 变化而变化， 低旁滑压运行。 压力设定值 Ps=P R H +$P ， 以保证LB P 阀处于关闭状态。 为保护凝汽器 ， LB P 阀设有快关装置SS B ， 当以下任—情况出现时 ， 快关装置将会动作，L B P 阀在2 s 内关闭 ： 凝汽器压力 >-5 ．066 ×104Pa ： 凝汽器温度>80oC ； 喷水压力<5 ×10 P a ； 凝汽器水位高 。

对于低 旁温度控 制系统是其控制系统的被调量不是低旁 后温度 ， 而是低旁减温调节 阀的开度 ， 即低 旁温度

控制是一种随动调节 。 低旁减温调节阀的开度是 由再热汽压力 、 低旁减压阀的开度和再热汽温度共同决定的 ，其表达 式如下 ：

令 Ta= M A X (T 一250 ，0)

A = 1 + 0 ．0 0 4 3 T a × 0 ．1 4 f0 ．5P+ I)

B =f(P )×20+0 ．2

C = 1．1 8f(L)L

．~I JK = K P+A ． B ·C

其 中T 为再 热汽温度 ； P 为 再热汽压 力 ； L 为 低旁减压阀开度 ； K P 为 低旁减 温水调节 阀最小开度 ： K 为低 旁减温水调节 阀开度 。

3 ．4 旁路的安全控制及保护

(1 ) 以 下任 一条 件 满 足 时 ， 高旁减压 阀强 关 ：

· 汽机超速110％(旁路投入) ：

· 高 旁后 温度 高于 3 9 0 ℃ (延迟1 0s) ；

· 高旁喷水压力低 ：

· D E H 要求切除旁路。

(2 ) 无高 旁 强 关 信 号 ， 同 时机前压力 大于6 M P a 时 ， 以下任一条件发生时 ， 高旁减压阀强开 ：

· 汽机跳 闸 ：

· 发 电机跳 闸 ；

· 机前压力 升压过快 。

(3 ) 低 旁 压 力 保 护 。 以 下任 一条件 满足时 ， 低旁减压阀强关 ：

· 凝 黻 空低于(三取~ )eSkP a ；

· 低旁喷水压 力低 ：

· 低 旁后 温度 高于 190 oC ；

· 凝 汽器水位高 ， D EH 要求切 除

旁路( 低旁进 口压力低于0．1 1 M P a)当无低旁强 关信号 ， 同时低旁一级喷水阀 大于 1 0 ％ ， 在 以 下任一 条件 满足时， 低旁减压 阀强开 ： 高旁强开 ： 汽机超速 1 1 0％ 。

机组运行 结果表明 ： B P C 系统在锅炉点火至汽轮机挂 闸前的过程 中起到 了提升蒸汽温度 、 压 力的作用 ， 对提高机组的启动性能 、 缩短启动时间发挥了作用控制系统组态软件透明 、 画面丰富 。 电动旁路系统与液动旁路系统相比， 具有易维护 、易操作的优点。 保证了电厂可靠、 安全 、 稳定运行，对于发展循环经济、 争取最佳效益、 创清洁工厂起着重大作 用 。