退火窑传动机构控制系统的设计及实现

李海波++贾海军++付俊峰

摘 要：本文介绍了主传动在浮法玻璃退火窑的作用，并通过退火窑主传动系统设计方案对硬件、软件的选型、参数设置、程序编制进行了说明。

关键词：退火窑；主传动；变频器；同步电机；主从切换；触摸屏；PLC；MM440；PROFIBUS；DP通讯

主传动是退火窑的核心，其在整条浮法生产线中的作用也是至关紧要的：一旦主传动停止运行，整条浮法线的生产将中断。因此，在退火窑主传动设计时要充分考虑它的可靠性和连续性。

系统设计方案：

为保证主传动的安全运行，在设计上采用了两套独立的变速传动系统。它们由一套PLC和触摸屏组成的自动控制系统进行综合管理。正常运行情况下，由PLC进行控制：主传动站以操作人员设定的线速度带动辊子运转，从传动站以设定速度的95%运转。在主传动站发生故障时，PLC将設定的速度传给从传动站，使其以原主传动站的速度继续拖动棍子旋转，同时发出警报提示，等待维修人员处理。在PLC控制系统故障时，可以转入手动控制：在需要对传动站进行切换时，操作人员在变频器操作键盘上将从传动站速度升高至设定速度，然后降低原主传动站的速度即可。

1、硬件选型：

1.1产品选型

从系统可靠性、调速的精确性以及成本等多方面考虑，我们选择了西门子TP177A触摸屏+S7 313C-2DP的PLC+2台MM440变频器+2台三相永磁同步电动机来实现系统功能。

在WINCC flexible环境下编制完程序并调试无误后，经下载、重新上电启动，TP177A触摸屏连带程序就可长时间稳定运行。S7 313C-2DP PLC含有两个通讯端口和集成的I/O端子，即可满足系统要求，又降低了系统的成本。我们选用了2台37KW的MM440变频器：其具有高性能的矢量控制技术、低速高转矩输出、良好的动态特性、超强的过载能力、创新的BiCo功能以及无可比拟的灵活性。同步电机的特点是：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间有不变的关系n=ns=60f/p，ns成为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数，而与负载的大小无关。当变频器拖动同步电机时，同步电机将则以变频器输出的频率稳定运行，不存在转差频率，提高了系统调速的精确性。

1.2组件连接

在S7 313C-2DP PLC的 CPU模块上集成有MPI/DP和DP接口，MPI/DP接口安装的DP头为双端口的DP接头，可在系统工作的同时上载、下传PLC程序和触摸屏程序，方便了系统调试和以后的维护。DP接口通过DP头和两个变频器的DP通讯卡进行连接，实现PLC和变频器之间使用PROFIBUS-DP协议的通讯。MM440有六个数字量输入点，这里只用了两个：一个用于自动/手动切换，一个用于启动/停止切换。MM440变频器有两个数字量输出点，用于变频器运行、故障信号的反馈。每个输出点通过中间继电器扩展为两个常开输出点，一个和控制柜上的信号灯串联连接，用于指示传动站和变频器的实时状态；另一个和PLC输入点连接，用做主从切换判断的依据。

2、软件编制及实现

在软件编制上，主要包括触摸屏程序编制、PLC程序编制、变频器参数设置三大块。其中PLC程序的编制在三者中是核心。

2.1 PLC程序编制

根据系统的设计，PLC将完成以下三个功能：线速度到变频器给定频率转化、变频器和PLC的通讯、主从切换。

变频器与PLC的通讯采用周期性通讯的PPO1报文格式，这种报文格式由4个字的PKW（参数数值区）和2个字的PZD（过程数值区）。参数数值区用于修改和读取变频器的参数，过程数据区第一个PZD字用于启动、停止、复位变频器，第二个字用于修改和读取变频器的输出频率。在编程时，建立一个共享的数据块DB1，然后在数据块内插入参数PZD1_W、PZD1_R、PZD2_W、PZD2_R四个字分别用于主从变频器输出频率的修改和读取。在编程时，使用SFC14（读取参数）和SFC15（修改参数）。

当主变频器运行停止时，从变频器要能够立即切换到100%设定频率输出。为了实现上述功能，这里需要将每个变频器故障信号（常开）、运行信号（常开）取反后进行或逻辑运算作为停止标志位。如果主变频器停止标志位为1，则将设定速度直接输送从变频器，让从变频器带动棍子以原速度旋转。原主变频器发出停车报警信号等待处理。如果从变频器故障，主变频器仍以设定频率输出。

2.2变频器设置

变频器的启动/停止、自动/手动切换由变频柜上的两个切换开关来实现。这样不仅可以简化PLC编程，还可实现故障复位后捕捉再启动。为了防止因干扰等原因引起的误报警导致变频器停机，设置变频器故障后自动复位一次，如果故障依然存在，则停机；如果故障消除则执行自动捕捉再启动。

PLC和变频器之间的通讯采用周期性报文通讯格式PPO1，当意外原因导致通信中断后，因变频器没有得到输出频率的具体参数，将不输出电压、电流，最终导致电机停止运行。这种情况是我们不愿意见到的。为了防止这种情况的发生，在P2000[0]内输入70（通讯中断报警号），P20001[0]输入0（对于通讯中断不采取任何措施，变频器将继续以通讯中断前的状态进行工作）。因系统涉及到自动和手动转化，将用到西门子变频器特有的BICO技术。将一个切换旋钮和一个输入端子I1进行硬件连接，此端子作为自动手动切换使用（端子功能码99）。端子状态送入P821进行参数命令组切换。当I1断开时，表示手动，采用手动的参数组，输出频率由键盘给定；当I1接通时，表示自动，频率给定由PLC给定。

2.3触摸屏画面设置

新建变量：首先在WINCC flexible内新建若干外部变量；这些变量包括1#、2#变频器主从状态、1#、2#变频器运行状态、主电机线速度给定、主从变频器给定频率、主从变频器输出频率等，并将这些变量和PLC内变量存储地址对应起来。

创建画面：在新打开的画面内双击对象选项板上的“IO域”，随后在画面内出现一个IO域，并立即打开IO域组态对话框。在对话框内单击变量标签选择“主电机线速度给定”建立IO域和这个变量的连接。随后将主从变频器给定频率、主从变频器输出频率等变量和IO域进行连接。

激活系统：将画面创建完后，下载到触摸屏并重新上电，项目将自动激活运行。

结语：设备投入正常使用后，实现了1#和2#主传动同时运行、一主一从跟踪运行。能够根据实际的设备情况主从互相切换，安全可靠。

参考文献

[1]《MM440变频器通过PROFIBUS—DP总线与PLC通讯的实现》.

[2] MM440使用说明书.