利用变频器实现恒压控制的研究

陈文武

江阴兴澄特种钢铁有限公司花山分厂三轧钢 江苏无锡 214432

我厂轧钢线主要生产Ø30-Ø60 棒材，使用180＊180＊6000 钢坯经过步进式加热炉，高压水除磷，粗轧6 架平立轧机架，热剪机切头，中轧8 架平立机架，2# 飞剪剪尾，精轧2 架平立机架，摩根减定径机3 架平立平机架，3# 飞剪剪倍尺，冷床矫直，冷剪机剪定尺等生产工艺后，最终生产出一系列热轧钢材。在摩根减定机组上线改造前，厂家在线上安装2 套穿水箱冷却装置，分别安装在摩根减定径机前后，通过2 台75KW 工频管道式离心泵，同时给2 套穿水装置供水，利用穿水装置前阀门进行水量调节，实现对轧材表面温度的开环控制。但是实际生产过程中温度控制不稳定，通过我厂技术人员分析，最终改造2 台工频75KW 管道式离心泵为1台变频132KW 中开泵，取消水量调节阀控制，改成PLC 程序控制、变频器输出、电机运行，通过安装管道上压力传感器进行闭环控制，改进后穿水装置运行压力稳定，满足生产工艺要求[1]。

1 理论分析

1.1 SIMATIC S7-300 简介

SIMATIC S7-300 是一种通用型的PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。采用模块化和无风扇的结构，易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点，使得S7-300 在生产制造工程、通用机械制造、专用机械制造等工业领域实施各种控制任务时，成为一种既经济又切合实际的解决方案。

1.2 ABB 变频器简介

ABB 工业传动专为工业应用而设计，特别适合于工业过程控制领域，例如纸浆与造纸，金属，采矿，水泥，电力，化工，石油与天然气等。ABB 工业传动不仅可以作为完整的交流传动，也可以作为模块，从而满足用户、OEM 和系统集成的需求。ABB 工业传动是具有高度灵活性的交流传动，经过一定的配置，能满足工业领域的各种精确控制。因此按单定制服务是供货中不可分割的组成部分。ABB 工业传动覆盖的功率与电压的范围宽，最大电压为690V。ABB 工业传动配有多种内置可选项。传动的一个关键特性是可编程性，因此能轻松自如的适应不同的应用领域[2]。

2 实施方案

2.1 电气原理图设计

控冷控轧穿水箱水泵电机选用功率132KW 节能型电机（型号：YX3-315M-2），因为水泵压力控制精度要求较高且属于重载设备，水泵控制变频器选用大于电机功率的变频器，本案例中选用ABB 公司生产的ACS880-04-505A-3+D150+N5050 变频器，主回路变频器供电选用315A 塑料外壳式断路器（型号DZ20Y-400/33702）。

PLC 的数字输出控制变频器的使能端子XDI DI1（PLC 控制中间继电器），当变频器接到命令时开始启动；同时PLC 模拟输出速度给定信号XAI（AI2+，AI2-），控制变频器转速输出。PLC通过输出这2 个信号控制ABB 变频器，使水泵电机转速可以线性调整，从而间接控制穿水箱压力，达到工艺生产对水压的要求。

2.2 硬件组态设计

本案例中使用西门子CPU315-2PN/DP（型号：6ES7315-2EG10-0AB0）系列PLC 进行控制；使用模拟量输入模块（型号：6ES7-331-7KF02-0AB0）对变频器进行电机转速、电机电流的信号采集；使用模拟量输入出模块（型号6ES7-332-5HD01-0AB0）对变频器给定进行控制；使用数字量输出模块（型号：6ES7322-1HH01-0aAA0）对变频器使能进行控制；通过PLC 各模块的功能控制变频器的运行及监控变频器运行状态。

2.3 PLC 程序编写

本案例在OB1 中调用FC 功能，所有程序都编写在FC 块中。恒压控制主要用到了PID 控制，因此在程序控制过程中，需要调用FB41 功能块并设置相应参数，配合ABB 变频器参数完成调试安装。

（1）设定点浮点格式SP_INT 输入给定变频器控制信号，该案例中设定信号SP_INT：=MD72，来自WINCC6．0 设置参数。

（2）实际过程变量的模拟量PV_IN 反馈现场水压信号，该案例中设定信号PV_IN：=MD102，来自现场安装的穿水箱压力传感器。

（3）设定点和实际过程变量之间的死区，该案例中设定DEADB_W =0．1

（4）设定PID 算法作为位置算法控制，该案例中设定TI：=T#20S

（5）设置手动模式和自动模式之间切换。在手动模式下，被控量被修改成手动选定的数值，该案例中设定MAN_ON：=L0．1，逻辑控制在程序中编写。

2.4 恒压系统设计

生产过程中为了能够得到恒压力控制，首先在WINCC6．0 画面中设置压力参数press_set，然后通过工控机把该参数传输给PLC，在CPU 的程序块中经过换算得到参数MD72，在此需要使用FB41 对水压力进行PID 运算，因此需要在穿水箱出口处安装模拟量压力检测开关，通过检测穿水箱水压力传到PLC 模拟量输入模块，同时需要在FB41 的模块中设置调整参数，最终输出参数LMN_PER 传输到模拟量输出模块，通过模拟量屏蔽电缆把信号传输给变频器给定端子，变频器接收到给定信号和使能信号后，输出变频器的变频电压控制电机的转速，电机通过弹性联轴器驱动水泵转动，最终得到工艺生产要求的水压[3]。

3 效果评估

西门子PLC 和ABB 变频器相互配合使用功能强大，但在实施过程中也遇到了许多问题，主要是FB41 参数设置不合理，导致水压控制高低变化大，不能满足工艺生产要求，通过不断优化调整，最终通过变频器输出转速趋势图优化了参数，逐步改善实际使用效果，最终满足穿水工艺生产要求。通过我们近半年的攻关，该系统已经能够可靠使用，为我厂减少产量质量缺陷提供了可靠保障。