摘 要：介紹一種基于羅賓康高壓變頻器的調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理。在分析了ModBus通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并完成了基于VB的調(diào)速系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的開發(fā)。工程應(yīng)用效果良好，實(shí)現(xiàn)了某鋼廠沖渣工藝的節(jié)能自動(dòng)控制。該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案對(duì)同類型系統(tǒng)設(shè)計(jì)有參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 變頻調(diào)速；ModBus通信協(xié)議；遠(yuǎn)程監(jiān)控
Application Research on HV Frequency Converter in Slag—W ashingSpeed Regulation System

She Jiawei，Liu Qing，Huang Zhen
（School of Automation，Wuhan University of Technology，Wuhan430063，China）
Abstract：A monitoring system for speed regulation based on medium voltage AC drives is presented．In view of ModBus communication protocol，the development of hardware modules used in remote monitoring software based on VisualBasic6．0 has been configured with describing the structure of monitoring system and principle in detail．This system proveswell in practice，and the function of automatic control and energy conservation can be achieved in steel mills．The design ofhardwarean d softwarealsohas reference valueforthe similar system．
Key words：variable frequency speed regulation；ModBus Protocol；remote monitoring
0 引言
　　隨著電價(jià)的不斷上漲和節(jié)能環(huán)保需要，鋼鐵制造行業(yè)改善工藝、節(jié)能降耗勢(shì)在必行。尤其是己經(jīng)運(yùn)行了十幾年的老電動(dòng)機(jī)，如何進(jìn)行設(shè)備改造、提高設(shè)備的自動(dòng)化水平和運(yùn)行效率、降低用電損耗是鋼鐵企業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。目前，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)輔機(jī)能耗高，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)效益的提高。特別是在鋼鐵行業(yè)廣泛應(yīng)用的泵類負(fù)載，占整個(gè)用電設(shè)備能耗的4O％左右。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和自動(dòng)化水平的提升，智能化程度的提高，采用高壓變頻器對(duì)泵類負(fù)載進(jìn)行速度控制。對(duì)改進(jìn)_T藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量有好處，滿足節(jié)能和設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，是可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)泵類負(fù)載進(jìn)行調(diào)速控制的好處很多。從應(yīng)用實(shí)例看，大多已取得了較好的效果，有的節(jié)能高達(dá)30％～40％。大幅度降低了生產(chǎn)成本，提高了自動(dòng)化程度，且有利于泵機(jī)和管網(wǎng)的降壓運(yùn)行，減少了滲漏、爆管，可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。
　　本文以某鋼鐵廠為例，闡述了該鋼鐵廠對(duì)高爐沖渣水泵利用變頻調(diào)速技術(shù)，對(duì)原來始終在工頻運(yùn)行的工況進(jìn)行改造，同時(shí)分析了工藝設(shè)計(jì)人對(duì)整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)在該鋼鐵廠實(shí)際生產(chǎn)中，具有良好的節(jié)能效果和可靠穩(wěn)定的控制方式，本文的應(yīng)用研究對(duì)今后類似系統(tǒng)的改造具有借鑒作用。
1 變頻調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1．1 需求分析
　　高爐冶煉鐵水過程中產(chǎn)生大量的熔渣，通常是用大流量的中壓水將其降溫并沖散，同時(shí)輸送到水渣池回收，作為煉鐵生產(chǎn)的副產(chǎn)品? 目前沖渣電機(jī)運(yùn)行方式為工頻運(yùn)行，只能通過閘板閥門的開和關(guān)來調(diào)節(jié)水的流量和壓力，以滿足出渣工藝要求。由于電機(jī)頻繁啟動(dòng)與停機(jī)，機(jī)組閥門都必須隨之頻繁地關(guān)閉與開啟，從而使沖渣泵閥門的使用壽命及運(yùn)行可靠性大幅度降低，若保持機(jī)組不停機(jī)器原__I=況運(yùn)行，就浪費(fèi)了大量的電能，因此對(duì)沖渣泵系統(tǒng)實(shí)行節(jié)能改造勢(shì)在必行[1]。
　　由此該鋼鐵廠決定對(duì)2臺(tái)鼠籠式異步電機(jī)從工頻運(yùn)行方式改造為變頻調(diào)速運(yùn)行方式，2臺(tái)電機(jī)參數(shù)見表1。由于高爐生產(chǎn)是不間斷的，一般情況下每天出鐵12-l5次，在高爐出鐵前、后各放1次渣，2次出渣時(shí)間間隔約為30min。在此時(shí)問內(nèi)要求沖渣系統(tǒng)的沖渣泵滿負(fù)荷工作，其余時(shí)間沖渣泵只需保持約30％ 水流量防止管道堵塞即可。這就要求在出渣時(shí)，變頻器能將頻率變?yōu)?0Hz，以保證沖渣泵滿負(fù)荷丁作；在出渣間隔期，變頻器將頻率調(diào)整為25Hz左右，以維持所需的水流量。

　　由于直接操作變頻器過于專業(yè)化，且存在操作不方便，直觀性差，無法滿足塒所需要的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，所以整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)要求采用人機(jī)界面友好的上位軟件，對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視操作，能監(jiān)視到當(dāng)前運(yùn)行電壓、電流、頻率和功率；并且能實(shí)現(xiàn)基本啟停操作以及對(duì)當(dāng)前運(yùn)行頻率進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)整個(gè)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)必須滿足以下幾點(diǎn)要求：
　　1）滿足沖渣泵電機(jī)的額定電壓，具有高可靠性，長(zhǎng)期運(yùn)行無故障；
　　2）調(diào)速范圍大，效率高；
　　3）具有邏輯控制能力，可以根據(jù)出渣信號(hào)自動(dòng)升降速；
　　4）具有遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控功能；
　　5）具有旁路功能，一旦出現(xiàn)故障．可在較短時(shí)間內(nèi)切換到工頻運(yùn)行。
　　由于羅賓康完美無諧波高壓變頻器完全可以滿足以上要求，所以選擇其用于沖渣泵變頻調(diào)速系統(tǒng)，上位機(jī)采用由VB6．0編寫的沖渣泵變頻調(diào)速監(jiān)控軟件進(jìn)行監(jiān)控。
1．2 羅賓康無諧波高壓變頻器
　　羅賓康高壓變頻器具有對(duì)電網(wǎng)諧波干擾小，輸出波形好，輸出不存在諧波從而減少電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱以及噪聲，輸入功率因素高等特點(diǎn)，義被稱為完美無諧波變頻器。其實(shí)質(zhì)為多個(gè)串聯(lián)的PWM電壓源型變頻器，將若干個(gè)獨(dú)立的低壓變頻器串聯(lián)起來，從而實(shí)現(xiàn)高壓輸出。電網(wǎng)電壓通過隔離降壓后給每個(gè)作為功率單元的低壓變頻器供電。每個(gè)低壓變頻器為交一直一交PWM電壓源型逆變器，輸出電源為三相電壓630V，功率為丁頻50Hz，每個(gè)低壓變頻器串聯(lián)起來，就形成了星形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變頻高壓直接輸出，給高壓電動(dòng)機(jī)供電。3kV輸出電壓等級(jí)的變頻器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的1組二次繞組供電，9個(gè)功率單元通過光纖聯(lián)到中央控制系統(tǒng)，按照一定的相位差進(jìn)行迭加達(dá)到所需要的高壓。單個(gè)功率單元組成如圖2所示。



為了減少輸入諧波，在完美無諧波變頻器中每個(gè)功率單元電源之間以及變壓器之間相互絕緣，在變壓器繞制時(shí)產(chǎn)生一定相位差，以消除每個(gè)功率單元引起的諧波電流。以3kV變頻器為例，9個(gè)二次繞組采用延邊三角形，分為3個(gè)不同的相位組，互差20°，形成了18脈沖整流的二極管整流電路結(jié)構(gòu)，將失真減少到4％～5％．使初級(jí)電流波形近似為正弦波，滿足高壓電動(dòng)機(jī)對(duì)電壓和電流失真的要求[2]。
　　羅賓康無諧波變頻器具有很高的功率因數(shù)。由于變頻器輸入功率因數(shù)主要與變頻器中間直流環(huán)節(jié)（電壓源型或電流源型）有關(guān)。電壓源型直流環(huán)節(jié)為電容，電機(jī)需要的無功電流由電容提供，而不需要和電網(wǎng)交換，變頻器輸入功率因數(shù)高，在整個(gè)速度范圍段內(nèi)基本保持不變.電流源型直流環(huán)節(jié)為大電感，電機(jī)需要的無功電流還需與電網(wǎng)交換，功率因數(shù)較低，且隨著電機(jī)負(fù)載的降低而降低[3]。羅賓康高壓變頻器采用的是電壓源型逆變器，在低負(fù)載的情況下比普通電流源變頻器具有優(yōu)秀的功率因數(shù)，輸入總功率因數(shù)可達(dá)到0．95以上。
1．3 沖渣泵高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　　整個(gè)系統(tǒng)由3部分組成（如圖3所示）：上位控制計(jì)算機(jī)、2臺(tái)羅賓康高壓變頻器和調(diào)速對(duì)象，其中把變頻器和調(diào)速對(duì)象看成是一個(gè)整體，處于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，上位監(jiān)控的工控機(jī)處于監(jiān)控室中。由于RS-485通信方式最遠(yuǎn)支持1200M，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，所以采用RS一485總線通信方式?2臺(tái)羅賓康高壓變頻器都有支持ModBus協(xié)議的RS-485接口，而上位計(jì)算機(jī)只具備有支持RS-232電平的串行數(shù)據(jù)接口，所以數(shù)據(jù)幀由上位機(jī)串口出來后，要通過RS-232／RS-485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為能被兩臺(tái)高壓變頻器識(shí)別的RS-485電平。

　　從圖3可以看出，系統(tǒng)可分為3級(jí)，第1級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)，主要是2臺(tái)帶動(dòng)沖渣水泵的鼠籠式電機(jī)，2臺(tái)沖渣泵在出鐵時(shí)要保證50 Hz全速運(yùn)行，其它時(shí)間段運(yùn)行頻率為25 Hz．保證管道中有一定水壓，避免冷卻水回流；第2級(jí)為控制處理級(jí)，為2臺(tái)控制2臺(tái)電機(jī)調(diào)速的羅賓康高壓變頻器；第3級(jí)為監(jiān)控管理級(jí)，由1臺(tái)工控機(jī)構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)與變頻器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行集中監(jiān)視、控制、報(bào)警、趨勢(shì)等功能。第3級(jí)和第2級(jí)之間采用ModBus傳輸協(xié)議，電平經(jīng)過RS一232／RS一485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為各自可以識(shí)別的電平，當(dāng)上位機(jī)出現(xiàn)故障后，可以馬上切換為由變頻器面板操作；當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障后，可以立即切換為沖渣泵工頻運(yùn)行，具有良好的安全性。
2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
　　Microsoft公司的Visual Basic6．0是一種可視化的通用編程語言，具有易學(xué)易用，調(diào)試方便，功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。所以在本工況下，選用Microsoft公司的VisualBasic6．0來開發(fā)控制軟件具有明顯的優(yōu)勢(shì)[4]。
　　整個(gè)上位機(jī)監(jiān)控軟件的核心是通信模塊，在實(shí)現(xiàn)通信模塊的功能基礎(chǔ)上，可以對(duì)變頻器進(jìn)行監(jiān)視和控制功能。完美無諧波變頻器與外部的通信接VI采用的是西門子一直以來推薦的ModBus RS-485接口，完全符合標(biāo)準(zhǔn)的ModBus協(xié)議。所以整個(gè)上位監(jiān)控軟件與變頻器的通信方式采用基于RS一485總線的ModBus通信方式。
2．1 ModBus通信協(xié)議概述
　　ModBus協(xié)議最初由Modicon公司開發(fā)出來，現(xiàn)在ModBUS已經(jīng)是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議，支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。在網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，ModBUS協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成應(yīng)答并使用ModBus協(xié)議發(fā)送給詢問方。數(shù)據(jù)通訊采用Master／Slave方式，Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息，slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應(yīng)請(qǐng)求；Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向讀寫。
　　ModBus協(xié)議需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，串行協(xié)議中除有奇偶校驗(yàn)外，通常使用的RTU模式采用16位CRC校驗(yàn)。RTU模式下通信數(shù)據(jù)幀格式如表2所示，每個(gè)字節(jié)包含2個(gè)4Bit的16進(jìn)制數(shù)字。

　　地址碼是標(biāo)識(shí)接在同一RS-485總線上不同從機(jī)的編號(hào)，只有符合地址碼的從機(jī)才能響應(yīng)并根據(jù)命令回送信息。功能碼Maser／Slave之間實(shí)現(xiàn)何種行動(dòng)的代碼，為可定義的功能碼為1到127，常用的幾個(gè)功能碼如表3。在整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，2臺(tái)變頻器的地址碼分別定義為1和2，使用到的功能碼主要為03和16功能碼[5]。

2．2ModBus通信模塊的實(shí)現(xiàn)
　　用VisualBasic6．0實(shí)現(xiàn)ModBus通信協(xié)議，可以使用自帶的MSCOMM通信控件，將比特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶效驗(yàn)分別設(shè)置為19200、8、1、EVEN。通過VB6．0自帶的時(shí)間控件TIMER給處于下位機(jī)的2臺(tái)變頻器發(fā)送03指令，來讀取變頻器當(dāng)前狀態(tài)。由于在RS一485總線上通信必須采用半雙工方式，也就是說不能同時(shí)對(duì)2如下位機(jī)進(jìn)行訪問，所以程序采用分時(shí)復(fù)用方式訪問2臺(tái)變頻器，從時(shí)序上錯(cuò)開訪問指令。讀取1#變頻器監(jiān)視信息的程序段如下：
　　bisend（0）=”&h”+Hex（1） ’地址碼
　　bisend（1）=”&h”+Hex（3）’功能碼，讀寄存器
　　bisend（2）=”&h”+Hex（0）’起始地址高位
　　bisend（3）=”&h”+Flex（0）’起始地址低位
　　bisend（4）=”&h” +Hex（0）’寄存器個(gè)數(shù)高位
　　bisend（5）=”&h”+Hex（10）’寄存器個(gè)數(shù)低位
　　CRC=CRCl6（bisend，6，btLoCRC，btHiCRC）
　　bisend（6）=”&h”+Hex（btLoCRC）’CRC高位
　　bisend（7）=”&lh”+Hex（btHiCRC）’CRC低位
　　FrmM ain．NXGComm ．Output=bisend
　　對(duì)變頻器進(jìn)行基本啟停操作和頻率調(diào)整時(shí)，同樣要求數(shù)據(jù)在RS-485總線上遵從傳輸規(guī)則，將用與讀取變頻器信息的程序段中斷，調(diào)用寫指令，當(dāng)變頻器回應(yīng)后再恢復(fù)中斷。
2．3 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
　　表4為ModBus通信所需要操作的變頻器中寄存器地址和功能。整個(gè)程序設(shè)計(jì)思路是：程序一啟動(dòng)就進(jìn)入主界面，同時(shí)監(jiān)測(cè)變頻器和上位機(jī)是否已建立通信，然后讀取變頻器40 001單元2個(gè)4Bit的十六進(jìn)制數(shù)字，將這2個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制字符串，來判斷變頻器運(yùn)行的基本狀態(tài)，例如啟動(dòng)、停止、就緒、故障等。當(dāng)變頻器處于就緒狀態(tài)時(shí)，可以通過修改400 065單元中的1個(gè)二進(jìn)制位來啟動(dòng)或者停止變頻器；上位機(jī)即時(shí)讀取變頻器40002—40005單元數(shù)值，這4個(gè)寄存器中數(shù)值為變頻器的輸出頻率、電壓、電流、功率數(shù)值；當(dāng)要對(duì)沖渣泵速度進(jìn)行調(diào)整時(shí)，可以隨時(shí)修改40 066單元中數(shù)值來達(dá)到調(diào)速目的。

　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況要求，監(jiān)控程序要能識(shí)別1個(gè)開關(guān)量信號(hào)，并根據(jù)此信號(hào)自動(dòng)修改2臺(tái)變頻器頻率，同時(shí)在當(dāng)前信號(hào)下，能對(duì)此設(shè)定頻率進(jìn)行微調(diào)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，把前1s開關(guān)量信號(hào)寫入INI文件中并即時(shí)比較，當(dāng)信號(hào)改變時(shí)，從INI文件中分別讀取不同的頻率設(shè)定值，同時(shí)在人機(jī)界面上還可以修改此INI文件中2臺(tái)變頻器的不同頻率設(shè)置值。
3 結(jié)語
　　目前整個(gè)沖渣泵變頻調(diào)速系統(tǒng)已在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)行，400kW電機(jī)工頻運(yùn)行耗電量為396kW．h，變頻后的耗電量為179．9kW．h。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，完美無諧波變頻器在該鋼鐵廠沖渣泵上的應(yīng)用，大大節(jié)省了電能，大量降低了能耗，取得明顯的節(jié)能效果。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)大大的簡(jiǎn)化了操作人員的使用難度，同時(shí)能實(shí)時(shí)監(jiān)控變頻器和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，提聲生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
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