西门子S120变频调速系统在包钢450t铸造起重机上的应用*,该文是关于变频调速类本科论文范文和变频调速和450t和包钢相关论文写作技巧范文.
变频调速论文参考文献：
摘 要：针对西门子S120变频调速系统在包钢450 t铸造起重机上的设计思路及应用,介绍了铸造起重机及其调速系统的组成,分析了S120变频调速系统的优点,从ALM整流回馈单元设计、变频调速设计、CU320-2DP设计、主从参数配置、PLC系统与安全监控系统设计等方面,详细阐述了整车系统设计思路.根据设备运行情况,指出铸造起重机S120变频调速系统运行4年来以极低的故障率得到了用户的好评,系统的稳定性、安全性及特殊冗余配置的设计方案也得到了很好的验证,为S120系列调速系统在大型起重机上的推广应用打下了基础.
关键词：起重机；铸造起重机；调速系统；变频调速系统；整车系统设计
中图分类号：TH218；TG231.1；TM921.51 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2018.06.084
1 铸造起重机及其调速系统简介
包头钢铁（集团）有限责任公司（简称包钢）新体系炼钢区在用5台450 t/80 t铸造起重机均由太原重工股份有限公司设计生产制造,每台起重机分别设置450 t主起升机构、80 t副起升机构、副小车运行机构、主小车运行机构及大车运行机构5个运行机构.起重机调速系统采用西门子新一代S120整流回馈+逆变方式,逻辑控制部分采用西门子S7-400PLC系统.起重机电气设备分别放置在起重机两根主梁内.该系列起重机具备设备先进、可靠性高、运行稳定的优点.起重机主要参数见表1.
2 起重机调速系统
2.1 调速系统组成
调速系统分为3个主要部分：供电系统、控制单元以及变频调速系统.
1）供电系统.整车动力供电采用三相加PE线交流3 000 V供电,经安装在起重机上的中压
变压器降压为三相交流690 V主动力电源和交流
400 V辅助电源.
2）控制单元.采用S7-400PLC系统进行逻辑运算,远程数据通信采用ET200远程站实现,ALM整流回馈以及各机构的逆变器通过CU320-DP与S7-400PLC系统通信,整车共设置5套CU320-2DP控制单元.
3）变频调速系统.调速系统采用整流回馈单元+公共母线+逆变器形式.整流回馈单元采用两台西门子交流690 V 1 400 kW ALM单元,为各机构逆变器提供直流电源,450 t起升机构、80 t起升机构、副小车运行机构均采用一台逆变器拖动一台电机,主小车运行机构及大车运行机构分别采用2台逆变器拖动4台电机,各调速系统之间在设计时应考虑到事故情况下的冗余配置.电机及驱动器调速系统参数见表2.
2.2 S120变频调速系统优点
西门子S120系列变频调速产品与原西门子70系列变频调速产品相比,不仅涉及到产品自身的更新换代,而且由于S120系列产品功率部分和控制部分采用分体式设计,在模块化、集成化设计方面优势更加明显,除简化了调试步骤、缩短了调试周期外,还具有如下3个方面的特点.
1）采用ALM整流回馈单元,在起升机构下降以及运行机构刹车时,能量通过ALM整流回馈单元回馈到电网,节约能源成本,ALM整流回馈单元谐波分量在1%以内不会在能量回馈到电网时对电网产生污染.
2）采用变频调速系统,各机构调速精度高、调速范围广,起升机构采用增量编码器作为速度反馈,速度波动小,低速时转矩大.
3）S120全变频调速系统采用CU320控制单元来控制各逆变器,PLC只与CU320进行DP通信,减少DP通信节点,方便查看故障以及数据采集.
3 整车系统设计思路
包钢450 t/80 t铸造起重机是吊装钢水包的特种设备,在设计时充分考虑了系统的安全性、稳定性与可靠性,在调速装置配置及控制系统方式方面均采用了特殊冗余设计.
1）调速装置配置方面.两套ALM整流回馈单元互为备用,逆变器之间也做了互为备用,其中大车逆变器为80 t起升机构备用,主小车逆变器为副小车机构备用,确保任一个机构逆变器发生故障时吊运的钢水包均能安全稳定地放置到预定位置.
2）控制系统方式方面.因采用了PLC逻辑控制系统,当PLC系统出现故障时为确保起重机能将钢水包安全吊装在预定位置,故在控制方式方面采用了PLC逻辑通信控制与独立于PLC系统的纯硬线控制回路.在PLC发生故障时,纯硬线控制回路可以继续控制整车的正常运行.
3.1 ALM整流回馈单元设计
两套ALM整流回馈单元正常情况下各拖动一条直流母线下的逆变器单元,1号ALM整流回馈单元直流母线下拖动1号450 t起升逆变器、80 t起升逆变器、1号主小车起升逆变器、1号大车逆变器；2号ALM整流回馈单元直流母线下拖动2号450 t起升逆变器、副小车逆变器、2号主小车起升逆变器、2号大车逆变器.
当任一ALM整流回馈单元发生故障时,可以通过直流母线切换开关来切换到用单独一套ALM整流回馈单元拖动起重机所有逆变器工作的模式.为防止母线切换开关切换错误导致两ALM整流回馈单元输出侧短路的情况出现,直流母线开关信号联锁进入PLC系统,如果直流母线开关切换错误,ALM整流回馈单元不会启动,有效保护了ALM整流回馈单元.
3.2 变频调速设计
变频驱动系统中采用相互冗余的设计思路,包括以下4个方面.
1）两套ALM整流回馈单元的设计,确保在一套整流回馈单元在发生故障时,另一套ALM整流回馈单元能拖动整台车的所有机构运行,这种情况下起升机构的运行速度降为额定速度的一半.
2）450 t主起升采用两套CU320-2DP+逆变器拖动2台电机,2台电机通过大减速机驱动卷筒,为了确保2台电机出力均衡,2台逆变器之间采用力矩主从方式.
3）大车采用2台逆变器拖动4台电机的驱动方式,每台逆变器拖动2台电机运行.当1台逆变器发生故障时,大车以半速运行；当80 t起升机构逆变器发生故障时,大车1台逆变器可以为80 t起升机构备用,80 t起升机构可以全速运行,大车以半速运行.
4）主小车采用2台逆变器拖动4台电机的驱动方式,每台逆变器拖动2台电机运行.当1台逆变器发生故障时,主小车以半速运行；当副小车机构逆变器发生故障时,主小车1台逆变器可以为副小车机构备用,副小车机构可以全速运行,主小车以半速运行.
3.3 CU320-2DP设计
整车调速设备由4个CU320-2DP控制单元进行控制,1号、2号CU320-2DP同时设置在一个电气梁,3号、2号CU320-2DP同时设置在另一个电气梁.其中,1号CU320-2DP控制1号ALM整流回馈单元、1号450 t起升逆变器单元、1号主小车逆变器单元；2号CU320-2DP控制80 t起升逆变器单元、1号主小车逆变器单元、1号大车逆变器单元；3号CU320-2DP控制2号450 t起升逆变器单元、2号大车逆变器单元；4号CU320-2DP控制副小车逆变器单元、2号主小车逆变器单元.
3.4 主从参数配置
3.4.1 CU320-2DP参数配置
1号和3号CU320-2DP分别安装了一块CBE20通信板,实现了2台450 t起升车逆变器单元数据传输,进而实现力矩主从控制.CBE20通信板参数配置见表3.
通过在CU320-2DP控制单元上配置参数,建立起2个CU320-2DP之间的通信.下面在2个450 t起升逆变器单元设定传输的数据以及接收的数据.
3.4.2 起升逆变器单元参数配置
2个450 t起升逆变器单元之间采用力矩主从的方式,以保证两起升电机出力的平衡.起升逆变器单元参数配置见表4.
通过在2个450 t起升逆变器单元的参数配置,实现了2台450 t起升机构之间的力矩主从运行,达到了稳定运行的要求.
3.5 PLC系统与安全监控系统设计
3.5.1 PLC系统设计
在正常运行情况下,整车的控制由PLC系统完成.当PLC系统出现故障时,纯硬线控制回路可以继续控制整车运行.图1为PLC系统硬件配置图.
由图1可知,PLC系统逻辑控制器采用西门子400系列CPU,各运行机构及司机室操作信号经ET200M远程站采集后,通过PROFIBUS网络与西门子400系列CPU进行数据通信.
起重机上共设置6个ET200M远程站,分别为：配电及总控ET200M远程站AOO,地址为7；450 t起升机构ET200M远程站A11,地址为6；大车及80 t起升机构ET200M远程站A43,地址为4；主/副小车ET200M远程站A53,地址为5；PLC系统公共信号ET200M远程站A71,地址为3；司机室ET200M远程站A72,地址为9.
PLC系统设置两条DP网络,一条DP网络用于ET200M远程站以及位置编码器通信,另一条DP网络用于4个CU320-2DP通信.在两条DP网络中,一条使用CPU自带DP接口,另一条使用CP443-5模块的DP接口.设置两条DP网络的目的是将驱动单元与远程数据通信信号、I/O信号分开,不会相互影响.
3.5.2 安全监控系统设计
起重机设计了安全监控系统,上位机采用西门子PC677系列一体式工业计算机,上位机通过以太网口与控制CPU进行数据通信,并采用西门子WINCC软件对接收到的信号进行处理,实现对整台起重机运行数据的记录、存储和归档.
整台起重机设计了视频监控,共设置了4个摄像头,司机室设置了视频控制云台、视频主机以及显示器,视频主机采用2TG工业硬盘,可以对视频进行存储.
整车安全监控系统设计满足GB/T 28264—2017 起重机械 安全监控管理系统[1]的技术要求.
4 设备运行情况
包钢新体系5台450 t铸造起重机于2014年
3月20号正式设入使用,运行4年来以极低的故障率得到了用户的好评.同时西门子S120变频调速系统的稳定性、安全性及特殊冗余配置的设计方案也得到了很好的验证,为太原重工股份有限公司在大型铸造起重机领域的地位再添辉煌,同时也为西门子S120系列变频调速系统在大型起重机上的推广应用打下了基础.
参考文献：
[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家
标准化管理委员会.起重机械 安全监控管理系统:GB/T
28264—2017[S].北京:中国标准出版社,2017.
（责任编辑 邸开宇）
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