[关键词]复合式同步变频 工程师操作站 现场总线技术 智能控制
摘要：我厂纺丝生产线原设计模拟量控制型变频器性能差，故障率高，与继电器逻辑电路构成的控制系统远远不能满足生产工艺对变频调速系统的要求。本文介绍了我厂采用西门子直流母线+逆变器技术和PLC系统控制器+现场总线技术构成的腈纶纺丝线变频控制系统的技术方案、及其使用效果。生产实践证明，新控制系统不仅解决了长期困扰纺丝生产的速度干扰问题和调速精度问题，并且为今后的新产品开发提供了技术支持。
1 引言
大庆腈纶厂5万吨腈纶装置是我国第一套30万吨乙烯的主体项目和"七五"重点工程，5条万吨级湿法高速纺丝生产线由美国ACC公司全套引进，于1988年建成投产。但是由于国外对关键技术的垄断，加上企业对工艺及装备消化吸收不足等原因，投产后生产长期不稳，系统故障率高、运行稳定性差、调速精度低、调节范围小、关键工艺控制点动态失控等；采用的模拟型变频器，在参数调整、运行平稳性、可靠性、热稳定性以及速度控制精度等方面都存在一些无法克服的缺陷，随着使用年限的增加, 元器件参数漂移, 性能老化，软故障增多，使维修难度越来越大; 逆变器的六阶梯方波输出电压波形使电动机受谐波分量的干扰较大, 铁损高, 机身普遍较热, 电动机故障率一直比较高。这不仅严重制约了纺丝线的正常平稳生产，而且导致腈纶产量和质量水平的严重下降。针对这些具体问题, 经过多次反复调查论证,我厂与哈尔滨工业大学合作对纺丝生产线电气控制系统进行了国产化改造，完成了我国第一条万吨级腈纶高速纺丝生产线电气控制系统，经过一年多生产实践运行证明, 新系统实现的各项指标完全满足生产工艺要求, 变频器运行平稳可靠, 抗干扰和过载能力强, 生产过程平稳，产品质量有了显著提高。
2 纺丝拖动系统特点
二步湿法腈纶纺丝生产线按驱动功能划分，共有20个工位, 简称为F1～F20。该生产线拖动系统具有以下特点:
（1）成组控制，计量泵(F1)和转向拉出辊(F2)采取成组群控驱动, 即一台变频器同时控制多台电动机, 其中F1有30台电机，F2有6台电机。该驱动方式下电动机需在变频电源下直接起动, 因此在选择变频器容量时要考虑电动机起动电流的影响。由于工艺要求计量泵和拉出辊的运行速度精度误差不大于±0.01HZ, 为了确保运行精度, 计量泵和拉出辊36台电机均采用交流永磁式同步电动机。
（2）纺丝生产线工艺连续性强，自动化程度高，各驱动工位通过丝束联系，具有多分部传动特点，对运行可靠性、速度协调性与稳定性等都有比较高要求，在加减速过程中，要求动态同步性能要好。
（3）具有恒牵伸和恒张力控制要求，整个生产线按工艺要求有许多环节要保证对丝束的牵伸控制和张力控制。
（4）除计量泵之外, 其它负载均具有恒转矩特性。
（5）生产线环境恶劣且速度控制精度要求高，因此宜采用交流同步电机+变频器的速度开环控制结构。
（6）属高速纺生产线（最高纺速可达258米/分）， 设备运转惯性较大。
（7）有高低速切换要求，在低速开车升头(引丝)完成后，各工位能按比例和固定的斜率升到高速生产，生产过程中如发生一些诸如轻微缠辊或小的设备故障时，能按比例降到低速运转, 以便减少停车次数和降低废丝率。
3 改造方案
针对腈纶纺丝生产线的控制特点，我们确定了直流母线+逆变器技术的主传动方案，PLC系统控制器+现场总线技术的控制方案，"傻瓜式工艺调节操作系统"的系统调速方案。
3.1 传动与控制方案
传动系统采用新型直流母线+逆变器构成，按照工艺划分，将直流母线分为二段，如图1所示。
图1 系统主传动方案
由1#整流器提供Ⅰ段(前纺F2~F15)直流母线拖动，2#整流器提供Ⅱ段(后纺F16~F20)直流母线拖动，其特点是：
⑴ 良好的动态特性，纺丝生产线要求系统具有良好的动态性能和较高的控制精度，改造后的系统采用直流母线技术，实现了能量回馈，在完成动态调速的过程中，有效地抑制了过流和过压故障的发生。
⑵ 取消了各个变频器的整流器部分和附加制动电阻，实现了逆变器的标准配置，改善了电机的动态特性，能耗大幅度降低。
具有成组传动特点的F1、F2采用了复合式同步变频总体方案，利用动态霍尔检测技术，抑制了原系统中存在的由于F1、F2单台电机腐蚀严重、绝缘性能差造成漏电流或接地而导致系统跳闸的难点问题。
控制系统采用先进的ProfiBus现场总线技术，实现了系统控制器、PC机、逆变器单元之间的通讯，通过总线完成系统参数设定、运行控制、速度给定和故障检测保护等综合功能。
3.2 系统调速方案
总体设计思想是采用"傻瓜式工艺调节操作系统"作基本速度给定，通过实时数据采集与处理，在线监视各工位的运行状态，并通过现场总线将给定线速度值由工程师操作站传输到系统控制器、再到各逆变器，实现生产线运行的实时控制和状态与速度监视。另外，现场调速作为辅助调速手段，可在小范围内作速度微调。
基本运行速度分高速和低速两档，以F13为基准，高速为220m/min，低速为55m/min，在此基础上，各工位可作单独微调，前纺的微调整定范围为±2.5%。
各设备微调范围见表1。
表1
工位 最大调整范围（%） 实际整定范围（%）
F1、F2、F4、F5-F12F13、F14、F15F16F17、F18、F19F20 ±15
±5
±3
±10
±25
±2.5±2.3±1.1±10±20
系统工作速度可调范围见表2。
表2
工位 可工作速度 可调范围（%）
F1-F12F16-F20 低速=1/4高速=55m/min 50-150
高速
F13-F15 引丝速度=40%高速=88m/min 75-125
高速
2 系统最高线速度：300m/min（以F13计）
2 系统最低线速度：55m/min（以F13计）
2 系统速度稳定精度：额定工作速度的0.02%
3.3 计算机控制系统设计方案
腈纶纺丝生产线生产连续性强，要求全线20个工位的53台电机实现高精度的同步运转；而且既有起、停、联锁保护、故障报警等逻辑和顺序控制，又有系统调速、拉丝点、松弛环路、调节辊等过程控制。为此，计算机控制系统就需要兼备同步控制的高精度和将逻辑控制与过程控制集成在一个系统中的混合控制功能，系统控制器及其扩展的本地I/O单元构成了系统的核心，它通过现场总线与F1~F20各逆变器进行通讯，通过两个MODBUS通讯网络分别与"傻瓜式工艺调节操作系统"和DCS进行通讯，通过RS232C串行接口连接手提电脑，各类数字量和模拟量信号(共1000多点)均由本机及I/O单元进行处理。
系统控制器是专门以混合控制为目标而开发的一体化混合控制系统，它兼备了PLC和DCS的功能，可同时结合顺序控制、快速逻辑、PID控制等多种类型的功能；针对拉丝点的智能控制需要，还可以开发智能控制功能。系统控制器上具有与"傻瓜式工艺调节操作系统"和DCS进行通讯的接口，纺丝工艺技术人员借助"傻瓜式工艺调节操作系统"，可进行生产线各工位线速度的设定、修改和实时监视等操作，过去更改品种时，设定速度需要在现场逐个调节，现在只需要在操作系统上一次输入并确认即可。另外，通过总线通讯传递给DCS进行监控的参数达到了240多个，提高了生产的自动化程度。
在本计算机控制系统中，采用速度高(1Mbps)、精度高(16位)、抗干扰能力强的现场总线技术，将全线所有逆变器联成网络，系统控制器作为主站，通过ModBUS通讯接收工艺操作系统给定的线速度值，经与现场微调值求和计算后同步传递给各个逆变器从站，这样，使整个系统的工作精度仅与给定值的数字量分辨率(16位)和逆变器自身的精度有关，实际运行的速度控制精度达到0.02%，完全满足了工艺的要求。另外，通过现场总线还可以实现由系统控制器修改逆变器参数的功能，在更换逆变器或升级系统功能时，仅需在系统控制器程序中作适当修改即可，而不必逐个逆变器进行设定，这为整个系统的调试自动化和柔性化控制提供了保障。
4 傻瓜式工艺调节操作系统
该系统是由纺丝工艺技术人员操作的在线更改生产线各工位线速度的计算机控制系统，与各生产线的系统控制器按照MODBUS协议联成网络，工程师操作站作为主站，各生产线系统控制器作为从站，其构成原理如图4所示。在操作系统中，可以选择任一生产线进行纺速监视和调节。
该系统具有以下特点：
（1） 调速精度高
给定信号采用高精度数字控制技术，由操作系统到系统控制器、再由系统控制器到生产线各台逆变器，全部采用现场总线通讯，实时传输、无任何信号失真，使整个系统的速度控制精度达到0.02%。
（2） 在线调速
原电气控制系统只能通过现场开关手动调速，既慢精度又低，无法准确实现指令单要求的速度关系，如果是不停车在线调速，极容易因速度不匹配造成缠辊停车。而采用该傻瓜式工艺调节操作系统，可在工程师站上按照指令单输入各工位的给定线速度，确认后，各工位纺速同步变化，而且速度匹配准确，能够实现在生产线不停车的情况下改变速度、更换品种，提高了工作效率和生产稳定性。
[1] [2] 下一页
本文关键字：技术 变频器 行业 计算机 电工文摘，电工技术 - 电工文摘
