西门子PLC的工程应用

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西门子PLC的工程应用

第5讲 西门子PLC与富士高压变频器在风机控制中的应用

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

大功率风机采用高压变频调速能达到比传统采用调节风门挡板控制风量的方法更为显著的节电效果，同时在实际运行中采用PPO4的通讯协议还可以使得高压变频器与上位机的拓扑结构简单方便。本文主要阐述了西门子PLC与富士高压变频器在风机控制中的应用。

西门子PLC；大功率风机；高压变频器

1　概述

大功率风机是工矿企业的主要动力设备，在过去设备选型时往往都留有一定的冗余量，有些选型甚至很保守，冗余量很大。加之风机单一运行，运行效率低下，严重浪费能源，因此，做好大功率风机节电尤为重要。变负荷运行的大功率风机采用高压变频调速装置运行后，其节能率一般都在20%以上，节电的潜力很大。

现有某企业#1炉引风机是两台双侧布置，变频改造前引风机的风量调节由人工调节挡板来实现，引风机及其电动机参数如表1所示。

表1　引风机及其电动机参数

根据#1炉目前的实际运行情况，考虑实际负荷情况，经对改造前引风机电机档板调节情况试验，确定变频器额定电流按110~115A左右来选择。现采用富士高压变频器型号为MV4600FM5，其额定电流115A。

为了充分保证系统的可靠性，变频器同时加装工频旁路装置，变频器异常时，停止运行，电机可以直接手动切换到工频下运行。工频旁路由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3组成（如图1所示，其中QF为甲方原有高压开关)。要求QS2不能与QS3同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1和QS2闭合，QS3断开；工频运行时，QS3闭合，QS1和QS2断开。

图1　工、变频旁路装置

为了实现变频器故障的保护，变频器对6kV开关QF进行联锁，一旦变频器故障，变频器跳开QF开关。工频旁路时，变频器应允许QF开关合闸，撤消对QF开关的跳闸信号，使电机能正常通过QF开关合闸工频启动。

变频调速系统配置上位机，上位机安装在控制室，通过上位机可以对变频器进行启动、停机、调速等控制，并可在上位机上显示变频器的运行数据和当前状态。为了保障调速系统的可靠性，在操作台配置对变频器的控制按钮，也可以对变频器实施启动、停机、加速和减速控制，同时通过S7 PLC来远程控制富士高压变频器。

2　S7 PLC与富士变频器的通讯协议PPO4

PPO是Parameter Process-data Object的简称，即参数过程数据对象。它规定了PLC与变频器等驱动装置通讯时报文中有效数据的结构，符合PROFIBUS补充协议“variable-speed drives profile”。

图2所示为PPO通讯类型示意，PKW为参数标识符值，STW为控制字，PZD为过程数据，ZSW为状态字，PKE为参数标识符，HSW为主设定值，IND为索引，HIW为主实际值，PWE为参数值。

图2 PPO通讯类型

图3所示为PPO4协议的示意，6PZD+0PKW，这种方式对于变频器参数没有太多要求，比较适合多传动控制系统或者不同品牌或不同型号变频器之间的数据交换。同时还可以对PZD区的返回报文进行组态，从而方便对设备运行时的电流及电压等参数进行监控。

图3　PPO4协议

正是由于PPO4协议并不对变频器的参数进行读写等操作，使得PROFIBUS-DP协议在很多不同品牌、不同变频器之间应用变得广泛起来，比如本案例中的高压风机富士变频器MV4600FM5，它支持PPO4协议，即“无PKW领域、PZD领域6Word”。

3　S7 PLC到富士变频器的通讯

表2所示为S7 PLC到变频器的通讯数据，其中STW2控制字默认为0，STW1（控制字Word1）的格式与其他变频器略有所区别，具体如图4所示。

表2　PLC到富士变频器的通讯数据

图4　MV4600FM5的STW1含义

4　富士变频器到S7 PLC的通讯

表3所示为S7 PLC到富士变频器的通讯数据，其中ZSW1和ZSW2的含义如图5、图6所示。

表3　PLC到富士变频器的通讯数据

图5　ZSW1的含义

图6　ZSW2的含义

5　结束语

为了检验高压风机的变频器运行效果，分别于变频器投运前和引风机投变频后对#1炉引风机电机功率及电源侧功率因数进行测试，测试在相同运行方式及相同工况下进行。由实际测量结果可以得出结论：变频器运行时，引风机电机功率因数平均提高约0.24，节电率为28.9%。

[1] 周柏青, 李方园. PLC控制系统设计与应用[M]. 北京：中国电力出版社, 2015.

[2] 李方园, 杨帆. 西门子S7 PLC应用简明教程[M]. 北京：机械工业出版社, 2013.

[3] 李方园. 图解西门子S7 - 1200 PLC入门到实践[M]. 北京：机械工业出版社, 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

李方园（1973-），男，浙江舟山人，高级工程师，毕业于浙江工业大学信息学院工程硕士专业，长期从事于变频器等现代工控产品的应用与研究工作，现就职于浙江工商职业技术学院。