[工控]三峡永久船闸现地子站电气控制系统原理
brake 发表于 2005/8/22 17:31:21
三峡双线五级连续船闸，在每线船闸两侧各布置1条输水廊道，
各闸首阀门竖井内设置反向弧形工作阀门；在每线船闸的每个闸
首两侧各设1个液压启闭机房，每个液压启闭机房设1个液压站，
用于相应的人字工作闸门和输水廊道工作阀门的启闭操作。在每
个液压站设1套现地电气控制站（简称子站），每线船闸设12
套子站。两线共设24套子站，主要工作为控制操作本闸首的液
压泵站、人字门工作闸门、输水工作阀门、防撞装置和通航信号
指挥等设备。
1 现地子站控制系统原理框图
三峡永久船闸现地电气控制系统是一个较大型的工业控制
系统，从安装的角度看，现地子站电气控制部分只是由4块盘柜
组成，外形美观，操作简便，硬件模块、软件配置均能达到即插
即用，但实际上其内部所包含的运行工艺却比较复杂。原理框图
（略）反应的是单个子站的运行原理，由于永船的所有子站均采
用相同的PLC控制系统及机电设备，所以该图也全面具体地反映
了三峡永久船闸整个现地子站系统的运行原理，主要包括以下几
个方面的内容：
（1）电源配置；
（2）现地控制系统核心PLC；
（3）紧急关阀原理。
2 电源配置及动力设备
子站电控系统的总进线电源为双路400 V电源输入，1路投
入为整个系统提供电源，另1路为备用电源，备用电源可在主电
源中断时自行切换投入。二次回路的电源均采用安全、稳定的
UPS供电方式，UPS的输入电源从三相电中抽出一相获得。UPS
的电源输出主要是为现地系统提供AC220 V的控制回路电源以及
为直流整流装置提供电源。其中直流整流装置为系统弱电回路及
PLC模块提供DC24 V工作电压。
动力设备包括：两台比例泵电机M1、M2，功率均为90 kW；
1台恒压泵电机M3，功率为75 kW。
3 现地控制系统核心PLC
PLC即可编程控制器(Programmable Logic Controller)作
为三峡永久船闸现地系统的控制核心，它最大的特点是：结构简
单，编程方便，可靠性高。
3.1 组成及原理
PLC由输入部分、逻辑部分、输出部分组成，其中逻辑部分
由大规模集成电路构成的微处理器和存储器来组成。通过编程器
来进行编制控制程序，将其内部的各种逻辑部件按照控制工艺进
行组合后达到所要求的逻辑功能，最后按控制要求输出，这就是
PLC的基本控制原理。由于它应用了计算机技术，实质上就是一
种专用的计算机。PLC的主控单元是以CPU为核心，配上系统ROM
以及RAM，再加上输入输出接口就构成了一个计算机系统，而其
扩展单元仅仅是输入输出点数的扩大，它通过IM153-2模块与主
机单元相连接。
3.2 现地系统的PLC构架及特点
PLC主控单元构架：永船现地控制系统PLC采用的是德国
SIMENS S7 417H系统，模块化程序设计，将各项控制功能及任
务进行模块化划分，理清各个模块的输入和输出参数，以及各个
模块之间的调用关系，这是保证系统安全可靠运行及提高控制指
令响应速度的关键。
互为热备冗余、容错的两个PLC站通过两条光缆实现同步，
分别安装在一个闸首的两侧。当互为热备的两个PLC站中的一个
站作为主站工作时，该站可同时控制同闸首的两个子站工作，在
光联同步模块同步作用下，从站的CPU的所有数据和工作状态均
与主站CPU完全相同，但从站的输出被禁止。也就是说运行时只
有一个子站的PLC控制信号输出，控制和操作该闸首两侧的人字
门和输水阀门，而另一个子站的输出信号被禁止。当主站不能正
常工作时，由系统无条件地将从站自动切换为主站，切换时间
≤30 ms。在此切换时间内，采用事件同步的机理，实现主从站
的完全无扰动切换。
PLC的输入输出单元： PLC I/O输入输出采取有选择冗余配
置的方法，对双检测元件采用双输入点，其余采用单点输入；重
要控制输出采用双输出点，其余输出采用单点输出。PLC的I/O
输入输出信号各有两种，如下所示：
输入信号： 数字量DI 模拟量AI
输出信号： 数字量DO 模拟量AO
其中数字量输入信号DI即是对一些操作开关、行程开关或
继电器的触点进行采集的开关量；模拟量信号AI则是对一些小
电流量的采集，如电流变送器的电流信号、水位信号、油温油压
传感器输出信号。
3.3 PLC通讯单元
3.3.1 子站与外界的通讯
现地子站系统与集控计算机系统以及现地各子站之间均通
过冗余光纤网络实现通讯，网络采用工业以太网双CP的拓朴方
式，即每个CPU机架有两个CP板，并分别接入两个光纤维100 MB
环网，做到了通讯介质、通讯网及链接全冗余，通讯模块配置方
式均由系统自动识别，编程人员只须进行简单的参数设置，即可
高效地实现PLC之间以及与上位监控系统的通讯。
3.3.2 PLC输入输出单元的通讯
位于两个CPU上的分布式处理DP接口分别与1条Profibus
现场总线相连，实现CPU与现场I/O的冗余通讯。两条
Profibus-DP网线同时与ET-200M站上冗余配置的IM153-2模块
相连，这样输入输出信号通过冗余的IM153-2及Profibus-DP
网线同时与两个互为热备的CPU通讯；当与主CPU通讯的
IM153-2模块出现故障时，系统并不实行CPU或Profibus-DP网
之间的切换，而是自动通过另一条DP网将数据送到相应的CPU
上，并通过光纤热备线将数据由从CPU传送给主CPU。从而最大
程度减少了CPU的切换（CPU切换时会产生CPU同步时间差），
提高了CPU的运行效率。IM153-2模板可在线更换，Profibus-bus
网也可以在线更换，易于修复系统。现地子站通讯网络图如图2
（略）所示。
3.4 PLC的工作流程
现地PLC系统处理指令的工作流程可分为三步，即接收指令
→处理指令→输出指令。以关闸门为例：操作2#柜上的开关2
SA1发关闸令→该指令作为PLC的输入信号DI进入PLC逻辑
单元→经PLC逻辑处理→PLC输出关闸令信号DO→DO信号使输
出继电器2K1动作，并转换为电机的接触器动作→电机动作
并按设定的比例电压将比例泵打开一定开度→油压建立后，开始
关闸→闸门的运行开度值同时反馈回PLC。
以上由PLC控制的人字门在运行的同时，人字门在运行中的
反馈信号同时又决定了PLC采取相应的控制来与之相适应，从而
形成一个严密的控制环网，如下所示：
3.5 比例放大板对比例泵的控制原理
比例放大板的作用就是控制比例泵的流量，也是PLC与比例
泵开度二者之间的转换桥梁。其工作原理主要如下：
比例放大板：工作电源为24 VDC，控制电压为0～10 VDC
（PLC给定）。通过对输入信号包括比例阀反馈、斜盘摆角反馈
等信号的内部比较运算，控制输出到比例电磁铁的控制电流，最
终实现对比例泵流量的控制。
比例泵：控制方式为FEID型，主泵基型为A4VSO250型，为
内控式比例泵。采用泵上部活塞控制泵内部斜盘摆角，以保证泵
输出流量为所需流量。通过对泵前部设置比例阀的开口度控制摆
角。只需控制比例阀电压在0～10 VDC内变化，即可控制比例泵
的输出流量在0到全排量内变化。比例泵上部装有斜盘位置反馈
传感器等装置。
4 紧急关阀
紧急关阀在现地系统中的作用主要是针对在突发的异常运行情
况下，为保护本闸首的人字门设备而采取的一种紧急保护措施。
4.1 优先级与可靠性
在现地子站操作中，紧急关阀令的优先级最高，发令后，其
他所有命令均被中止而执行紧急关阀令。紧急关阀令最终是使电
磁阀DT15动作（DT15为阀门关门回油控制电磁阀），从而实施
紧急关阀。在运行中只要UPS（内含提供逆变电源的蓄电池）电
源存在，即使系统电源停电，仍可通过阀门自重达到紧急关阀的
目的，故具有很高的可靠性。
4.2 紧急关阀
自动：本闸首的闸、阀门在运行过程中，如果PLC采集到相
邻闸首闸、阀门关终位闭锁信号丢失，则PLC会根据采集到的这
一信号变化自动进行逻辑处理，输出紧急关阀指令至相关电磁
阀。
手动：本闸首的闸、阀门在运行过程中如果出现不正常情况，
可手动紧急关阀。如图3（略）所示，按下紧急关阀按钮SB18
即可，4-K102的引出接点作用是控制M3电机动作以及DT15电
磁阀动作。4-X1∶129与4-X1∶130两跳线端子是否接通决定了
阀门经过下滑位时是否减速运行至关终位，如果连通则减速，不
连通则不减速。实际运行中为连通状态：阀门下行至下滑位的瞬
时，2-K43、2-K44下滑位开关接点接通使4-K110带电并保持，
4-K110再使相关的阀组带电，使阀门开始减速运行至关终位。
（注：阀门从上至下的4个位置开关分别为：检修位、开终位、
下滑位、关终位）
以上手动紧急关阀电路中，SB18是紧急关阀按纽（SB18′
为对侧），SB20是停止按钮（SB20′为对侧），4-K109是集控
紧急关阀指令转换中继，2-K43、2-K44接点是阀门关终位开关
转换中继接点，4-K65、4-K66为阀门下滑位中继接点。
5 现地闸、阀门的完整运行流程
在现地子站，完成本闸首闸、阀门的一个周期运行过程，只
需要先后发出两个指令即可：即开阀联动和关闸联动。这两个联
动过程相结合构成单闸首的完整运行过程，同时它也构成了整个
船闸的联动。具体动作内容如下。
5.1 开阀联动
条件：相邻闸首闸、阀门关终；本闸首闸、阀门关终，锁锭
解锁。
流程：开阀联动指令确认→双侧阀门开启→检测上、下游闸
门合拢→继续开阀至阀门开终→（判断是否需要关阀，进行部分
关阀运行）→本闸首水平后，双侧闸门同步开启运行→闸门开终
后，锁定闸门→继续关阀门运行至关终。
5.2 关闸联动
条件：相邻闸首闸、阀门关终；本闸首闸门开终、阀门关终、
锁锭装置锁定。
流程：关闸联动指令确认→双侧闸门解锁→双侧闸门同步关
闸运行→(等待位等待)→闸门关终。
6 现地系统在船闸运行中的意义
现地系统在永船体系中的重要地位主要体现在：（1）在通
讯网络中断的情况下，船闸的运行必须靠现地来操作完成；（2）
在现地与集控的控制权上，现地具有控制优先权，这就保证了在
紧急情况下现地处理故障的强制性；（3）从现地系统自身而言，
其工作性能的好坏，将直接影响到船闸整个控制系统能否安全、
[工控]常见变频器故障原因分析 brake 发表于 2005/8/8 8:49:15
过电流跳闸的原因分析
（1）重新起动时，一升速就跳闸。这是过电流十分严重的表现。 主要原因有：
1）负载侧短路
2）工作机械卡住
3）逆变管损坏
4）电动机的起动转矩过小，拖动系统转不起来
（2）重新起动时并不立即跳闸，而是在运行过程中跳闸
可能的原因有：
1）升速时间设定太短
2）降速时间设定太短
3）转矩补偿设定较大，引起低速时空载电流过大
4）电子热继电器整定不当，动作电流设定得太小，引起误动作
电压跳闸的原因分析
（1）过电压跳闸，主要原因有：
1）电源电压过高
2）降速时间设定太短
3）降速过程中，再生制动的放电单元工作不理想 a.来不及放电，应增加外接制动电阻和制动单元
b.放电支路发生故障,实际并不放电
(2) 欠电压跳闸,可能的原因有:
1) 电源电压过低
2) 电源断相
3) 整流桥故障
电动机不转的原因分析
(1)功能预置不当
1)上限频率与最高频率或基本频率和最高频率设定矛盾
2)使用外接给定时,未对"键盘给定/外接给定"的选择进行预置
3)其他的不合理预置
(2)在使用外接给定时,无"起动"信号
(3)其它原因：
1)机械有卡住现象
2)电动机的起动转矩不够
3)变频器的电路故障
于台达变频器的造纸机电气控制系统设计
2010-2-21 15:17:00 来源：中达电通股份有限公司
摘要：文章就应用台达变频器的造纸机电气传动控制系统中的负荷分配、速度链、系统网络组态及通讯等内容进行了较为详细地描述。这种基于S7-300PLC的三级控制的全数字控制系统适用高速纸机的高速度、高可靠性控制性能的需要。
关键词：造纸机；变频器；系统设计
引言 本文所设计的纸传动控制系统为应用台达变频器和西门子PLC所组成的控制网络来完成造纸机电气控制系统设计的；其电气传动控制系统是基于S7-300PLC三级控制的交流变频调速控制系统。纸机的主要参数如下：
生产品种：薄页纸；净纸宽度：2400mm；工作车速：250-300 m/min；设计车速：350m/min；纸张定量：17-40g/m2；爬行速度：15-25m/min；
纸机主传动点参数（30个传动点，总传动功率为538.5KW）见表1：
表1 造纸机得主传动点参数
1 纸机对电气传动控制系统的要求
该造纸机的系统结构总图如图1所示。
该纸机正常运行对电气传动控制系统的要求基本有以下几点。
1.1纸机传动系统要有一定的稳速精度和快速动态响应。其中稳态精度±0.02-- 0.01%，动态精度0.1%-- 0.05%;
1.2工作速度要有较宽、均匀的调节范围，适应生产不同品种、定量的需要。调节范围为I=1：10之间；
1.3各传动分部间速比稳定、可调。为了使纸机可以生产良好的纸页和提高纸机正常工作时间，纸机各分部的速度必须是稳定、可调的。各分部的调速范围为±8～10%；
1.4 爬行速度。为方便检查、清洗聚酯网、压榨毛毯、以及检查各分部的运行情况，各分部应具有15～30米/分可调的爬行速度。但这样低速运转时间不宜过长，以减少无效的运行和机械磨损；
1.5 具有刚性或柔性连接的传动分部间，在维持速度链关系基础上，还须具有负荷动态调整的功能，以免造成由于负荷动态转移而引起有的分部因过载而过流，有的分部因轻载而过压；
1.6 各分部具有微升、微降功能，必要的显示功能，如线速度、电流、运行、故障信号等。相关联的分部具有单动、联动功能；
1.7 纸机传动控制系统，应具有良好接口能力，可与QCS控制、蒸汽控制等子系统上联上位工控机及工厂管理级计算机；
2 纸机控制系统结构
我们的选型原则是：优化设计，程序通用化，界面美观化，使整个控制系统稳定性好、可靠性高、鲁棒性强。
纸机控制系统结构图如图2所示。该控制系统采用交流变频分部传动控制，三级控制方式。第一级为驱动级，变频器采用台达公司VFD-B系列高功能，向量型交流变频器，由闭环控制编码器反馈板，组成闭环控制系统。第二级为PLC控制系统，采用西门子S7-300 PLC，S7-300与变频器组成RS485总线控制网络，通讯速率最高可达19.2Kbit/s，并完成自动卷取及辅助部分的机电一体化功能;第三级为上位控制系统，采用DELL公司工控机,用于纸机传动系统状态监控，实现整个纸机自动控制。并可通过工业以太网与QCS系统、DCS系统、厂级管理级等联网，可实现纸机控制系统优化控制。
3 纸机电气传动控制系统的设计
3.1 系统硬件选型
硬件选择依据系统的控制精度、通讯速度、响应时间、高性价比、高可靠性的原则，选用SIEMENS S7 314PLC、CP340通信处理器，作为系统主控单元，控制整个系统。上位机选用采用DELL工控机,配置为“PIV2.0G/21”，用于纸机传动系统状态监控。
变频器选用台达公司的VFD-B系列高功能，向量型变频器，台达B系列新一代高功能无感测向量控制型变频器,具有功能齐全、调速精度高、稳定性好及可应用范围广等特点。可广泛应用于产业机械、工厂过程控制自动化、建筑、石化、冶金、钢铁、能源、电力、楼宇、环保等国民经济各行各业。其主要特点有：/F控制,无感测向量控制模式；内置PID功能及PID disable功能；PG速度闭环精确速度控制；自动侦测(autotunning)功能；摆频功能；飞速启动,速度追踪功能；主,辅频率及比例加法运算选择功能；15段速及自动程序运转；内置DC Reactor；计数器，马达累计运行时间；散热风扇动作模式设定；简易定位控制；风机/泵控制等；节能运转；RS485通讯接口,支持Modbus协议等。
总之，台达系列高性能变频器的精巧设计可较理想地满足该机的高传动性能的需要。该纸机由30个传动点构成，变频器所实现的调速功能由PLC通过通讯指令控制，所以每台变频器从自身来讲功能基本相同，我们以该纸机的一个传动点电气控制原理图如图3所示为例来说明它在造纸机中如何让应用。
图3中，起停运行右外部按钮通过继电器触点完成，造纸机运行只有正转，恒速选择在这里我们用作爬行功能，继电干触点输出接电源信号后作为停止指示，运行指示通过启动继电器触点带指示灯完成，因为造纸现场控制柜操作台分别在现场和控制室，所以所有的指示都有两套，如起停指示灯H042、H043、H044，电流表PA041、PA042等。为提高控制精度，采用编码器反馈构成闭环控制。其他控制功能的实现均通过PLC软件与变频器通讯完成，下边将详述。
3.2 系统的软件设计与功能实现
程序模块化结构设计，各种功能以子程序结构适时调用实现；程序采用循环扫描方式对速度链上的传动点进行处理，提高程序执行效率；程序设计通用性强，并具有必要的保护功能和一定的智能性。主程序的流程如图4示。
3.2.1速度链设计
(1) 速度链结构设计。速度链结构采
用二叉树数据结构算法，先对各传动点进行数学抽象，确定速度链中各传动点编号，此 图4 主程序流程图
编号应与变频器设定的地址一致。即任一传动点由3个数据（“父子兄”或“父子弟”）确定其在速度链中的位置，填入位置寄存器相应的数值。由此可构成满足该机正常工作需要的速度链结构。
(2) 算法设计。速度链的设计采用了调节变比的控制方法实现速度链功能,把压榨作为速度链中的主节点，该点速度即纸机的工作车速，调节其速度即调节整机车速。其它各分部点的速度由该点车速乘以相应的变比得到。由PLC检测其它分部车速调节信号，通过操作该部增、减按纽的操作改变其速比，则改变相应分部的车速。
3.2.2 负荷分配设计
该纸机传动结构上有柔性联结的传动点，烘缸部和压榨部。它们之间不仅要求速度同步还需要负载率均衡，否则会造成一个传动点由于过载而过流，而另一传动点则由于被带动而过压，影响正常抄纸，甚至可能撕坏毛布，损坏变频器、机械设备。因此这两个传动部分的传动点之间需要负荷分配自动控制。
负荷分配工作原理：假设P1e、P2e为两台电机额定功率，Pe为额定总负载功率，Pe= P1e+P2e 。P为实际总负载功率，P1、P2为电机实际负载功率，则P= P1+ P2。系统工作要求 P1=P*P1e/Pe ，P2=P*P2e/Pe，两个值相差≤3%。
由于电机功率是一间控制接量。实际控制以电机定子转矩代替电机功率进行计算。
PLC采样各分部电机的转矩，计算每一组的总负荷转矩，根据总负荷转矩计算负载平衡时的期望转矩值。计算平均负荷转矩方法如下公式所示。
M=
其中： ML1 、ML2 是压榨、烘缸电机实际输出转矩；
Pe1 、Pe2 是压榨、烘缸台电机额定功率；
M 为负荷平均期望转矩
PLC通过Modbus总线得到电机转矩，利用上述原理再施以PID算法，调节变频器的输出，使两电机转矩百分比一致。即完成负荷自动分配的目标。
设置最大限幅值，如果负荷偏差超过该设定值，要停机处理，以防机械、电气损害发生。负荷分配控制实现的前提是合理的速度链结构，使负荷分配的传动点组处于子链结构上，该部负荷调整时，不影响其它的传动点，因此速度链结构是采用主链与子链相结合的形式。
3.3 系统网络组态与通讯
本系统通过STEP7软件实现网络组态，用STEP7创建一个项目，先选择PLC的类型，并添加MPI总线、操作屏、工控机、并为变频器分配网络地址。
在该系统中上位机、PLC属于第一类主站（DPM1），主要完成总线通信控制和管理。操作屏属于第二类主站，主要完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。操作屏用SIEMENS的ProTool软件设计上位机采用SIEMENS的WINCC软件设计，实现上位机对整机系统的实时监控。
上位机与PLC之间通用MPI电缆通讯。网络采用RS485传输技术，使用专用屏蔽双绞线。PLC与操作屏间是通过数据影像实现实时通讯。主站与从站间采用循环查询方式，完成对变频器的读写操作。
3.4辅助控制的机、电、液一体化设计
辅助部分的机、电、液一体化、连锁及保护、卷纸机自动换卷控制、稀油站润滑系统等辅助电气系统协调工作，以保证系统正常运行和设备安全。
[工控]三峡永久船闸现地子站电气控制系统原理
brake 发表于 2005/8/22 17:31:21
三峡双线五级连续船闸，在每线船闸两侧各布置1条输水廊道，
各闸首阀门竖井内设置反向弧形工作阀门；在每线船闸的每个闸
首两侧各设1个液压启闭机房，每个液压启闭机房设1个液压站，
用于相应的人字工作闸门和输水廊道工作阀门的启闭操作。在每
个液压站设1套现地电气控制站（简称子站），每线船闸设12
套子站。两线共设24套子站，主要工作为控制操作本闸首的液
压泵站、人字门工作闸门、输水工作阀门、防撞装置和通航信号
指挥等设备。
1 现地子站控制系统原理框图
三峡永久船闸现地电气控制系统是一个较大型的工业控制
系统，从安装的角度看，现地子站电气控制部分只是由4块盘柜
组成，外形美观，操作简便，硬件模块、软件配置均能达到即插
即用，但实际上其内部所包含的运行工艺却比较复杂。原理框图
（略）反应的是单个子站的运行原理，由于永船的所有子站均采
用相同的PLC控制系统及机电设备，所以该图也全面具体地反映
了三峡永久船闸整个现地子站系统的运行原理，主要包括以下几
个方面的内容：
（1）电源配置；
（2）现地控制系统核心PLC；
（3）紧急关阀原理。
2 电源配置及动力设备
子站电控系统的总进线电源为双路400 V电源输入，1路投
入为整个系统提供电源，另1路为备用电源，备用电源可在主电
源中断时自行切换投入。二次回路的电源均采用安全、稳定的
UPS供电方式，UPS的输入电源从三相电中抽出一相获得。UPS
的电源输出主要是为现地系统提供AC220 V的控制回路电源以及
为直流整流装置提供电源。其中直流整流装置为系统弱电回路及
PLC模块提供DC24 V工作电压。
动力设备包括：两台比例泵电机M1、M2，功率均为90 kW；
1台恒压泵电机M3，功率为75 kW。
3 现地控制系统核心PLC
PLC即可编程控制器(Programmable Logic Controller)作
为三峡永久船闸现地系统的控制核心，它最大的特点是：结构简
单，编程方便，可靠性高。
3.1 组成及原理
PLC由输入部分、逻辑部分、输出部分组成，其中逻辑部分
由大规模集成电路构成的微处理器和存储器来组成。通过编程器
来进行编制控制程序，将其内部的各种逻辑部件按照控制工艺进
行组合后达到所要求的逻辑功能，最后按控制要求输出，这就是
PLC的基本控制原理。由于它应用了计算机技术，实质上就是一
种专用的计算机。PLC的主控单元是以CPU为核心，配上系统ROM
以及RAM，再加上输入输出接口就构成了一个计算机系统，而其
扩展单元仅仅是输入输出点数的扩大，它通过IM153-2模块与主
机单元相连接。
3.2 现地系统的PLC构架及特点
PLC主控单元构架：永船现地控制系统PLC采用的是德国
SIMENS S7 417H系统，模块化程序设计，将各项控制功能及任
务进行模块化划分，理清各个模块的输入和输出参数，以及各个
模块之间的调用关系，这是保证系统安全可靠运行及提高控制指
令响应速度的关键。
互为热备冗余、容错的两个PLC站通过两条光缆实现同步，
分别安装在一个闸首的两侧。当互为热备的两个PLC站中的一个
站作为主站工作时，该站可同时控制同闸首的两个子站工作，在
光联同步模块同步作用下，从站的CPU的所有数据和工作状态均
与主站CPU完全相同，但从站的输出被禁止。也就是说运行时只
有一个子站的PLC控制信号输出，控制和操作该闸首两侧的人字
门和输水阀门，而另一个子站的输出信号被禁止。当主站不能正
常工作时，由系统无条件地将从站自动切换为主站，切换时间
≤30 ms。在此切换时间内，采用事件同步的机理，实现主从站
的完全无扰动切换。
PLC的输入输出单元： PLC I/O输入输出采取有选择冗余配
置的方法，对双检测元件采用双输入点，其余采用单点输入；重
要控制输出采用双输出点，其余输出采用单点输出。PLC的I/O
输入输出信号各有两种，如下所示：
输入信号： 数字量DI 模拟量AI
输出信号： 数字量DO 模拟量AO
其中数字量输入信号DI即是对一些操作开关、行程开关或
继电器的触点进行采集的开关量；模拟量信号AI则是对一些小
电流量的采集，如电流变送器的电流信号、水位信号、油温油压
传感器输出信号。
3.3 PLC通讯单元
3.3.1 子站与外界的通讯
现地子站系统与集控计算机系统以及现地各子站之间均通
过冗余光纤网络实现通讯，网络采用工业以太网双CP的拓朴方
式，即每个CPU机架有两个CP板，并分别接入两个光纤维100 MB
环网，做到了通讯介质、通讯网及链接全冗余，通讯模块配置方
式均由系统自动识别，编程人员只须进行简单的参数设置，即可
高效地实现PLC之间以及与上位监控系统的通讯。
3.3.2 PLC输入输出单元的通讯
位于两个CPU上的分布式处理DP接口分别与1条Profibus
现场总线相连，实现CPU与现场I/O的冗余通讯。两条
Profibus-DP网线同时与ET-200M站上冗余配置的IM153-2模块
相连，这样输入输出信号通过冗余的IM153-2及Profibus-DP
网线同时与两个互为热备的CPU通讯；当与主CPU通讯的
IM153-2模块出现故障时，系统并不实行CPU或Profibus-DP网
之间的切换，而是自动通过另一条DP网将数据送到相应的CPU
上，并通过光纤热备线将数据由从CPU传送给主CPU。从而最大
程度减少了CPU的切换（CPU切换时会产生CPU同步时间差），
提高了CPU的运行效率。IM153-2模板可在线更换，Profibus-bus
网也可以在线更换，易于修复系统。现地子站通讯网络图如图2
（略）所示。
3.4 PLC的工作流程
现地PLC系统处理指令的工作流程可分为三步，即接收指令
→处理指令→输出指令。以关闸门为例：操作2#柜上的开关2
SA1发关闸令→该指令作为PLC的输入信号DI进入PLC逻辑
单元→经PLC逻辑处理→PLC输出关闸令信号DO→DO信号使输
出继电器2K1动作，并转换为电机的接触器动作→电机动作
并按设定的比例电压将比例泵打开一定开度→油压建立后，开始
关闸→闸门的运行开度值同时反馈回PLC。
以上由PLC控制的人字门在运行的同时，人字门在运行中的
反馈信号同时又决定了PLC采取相应的控制来与之相适应，从而
形成一个严密的控制环网，如下所示：
3.5 比例放大板对比例泵的控制原理
比例放大板的作用就是控制比例泵的流量，也是PLC与比例
泵开度二者之间的转换桥梁。其工作原理主要如下：
比例放大板：工作电源为24 VDC，控制电压为0～10 VDC
（PLC给定）。通过对输入信号包括比例阀反馈、斜盘摆角反馈
等信号的内部比较运算，控制输出到比例电磁铁的控制电流，最
终实现对比例泵流量的控制。
比例泵：控制方式为FEID型，主泵基型为A4VSO250型，为
内控式比例泵。采用泵上部活塞控制泵内部斜盘摆角，以保证泵
输出流量为所需流量。通过对泵前部设置比例阀的开口度控制摆
角。只需控制比例阀电压在0～10 VDC内变化，即可控制比例泵
的输出流量在0到全排量内变化。比例泵上部装有斜盘位置反馈
传感器等装置。
4 紧急关阀
紧急关阀在现地系统中的作用主要是针对在突发的异常运行情
况下，为保护本闸首的人字门设备而采取的一种紧急保护措施。
4.1 优先级与可靠性
在现地子站操作中，紧急关阀令的优先级最高，发令后，其
他所有命令均被中止而执行紧急关阀令。紧急关阀令最终是使电
磁阀DT15动作（DT15为阀门关门回油控制电磁阀），从而实施
紧急关阀。在运行中只要UPS（内含提供逆变电源的蓄电池）电
源存在，即使系统电源停电，仍可通过阀门自重达到紧急关阀的
目的，故具有很高的可靠性。
4.2 紧急关阀
自动：本闸首的闸、阀门在运行过程中，如果PLC采集到相
邻闸首闸、阀门关终位闭锁信号丢失，则PLC会根据采集到的这
一信号变化自动进行逻辑处理，输出紧急关阀指令至相关电磁
阀。
手动：本闸首的闸、阀门在运行过程中如果出现不正常情况，
可手动紧急关阀。如图3（略）所示，按下紧急关阀按钮SB18
即可，4-K102的引出接点作用是控制M3电机动作以及DT15电
磁阀动作。4-X1∶129与4-X1∶130两跳线端子是否接通决定了
阀门经过下滑位时是否减速运行至关终位，如果连通则减速，不
连通则不减速。实际运行中为连通状态：阀门下行至下滑位的瞬
时，2-K43、2-K44下滑位开关接点接通使4-K110带电并保持，
4-K110再使相关的阀组带电，使阀门开始减速运行至关终位。
（注：阀门从上至下的4个位置开关分别为：检修位、开终位、
下滑位、关终位）
以上手动紧急关阀电路中，SB18是紧急关阀按纽（SB18′
为对侧），SB20是停止按钮（SB20′为对侧），4-K109是集控
紧急关阀指令转换中继，2-K43、2-K44接点是阀门关终位开关
转换中继接点，4-K65、4-K66为阀门下滑位中继接点。
5 现地闸、阀门的完整运行流程
在现地子站，完成本闸首闸、阀门的一个周期运行过程，只
需要先后发出两个指令即可：即开阀联动和关闸联动。这两个联
动过程相结合构成单闸首的完整运行过程，同时它也构成了整个
船闸的联动。具体动作内容如下。
5.1 开阀联动
条件：相邻闸首闸、阀门关终；本闸首闸、阀门关终，锁锭
解锁。
流程：开阀联动指令确认→双侧阀门开启→检测上、下游闸
门合拢→继续开阀至阀门开终→（判断是否需要关阀，进行部分
关阀运行）→本闸首水平后，双侧闸门同步开启运行→闸门开终
后，锁定闸门→继续关阀门运行至关终。
5.2 关闸联动
条件：相邻闸首闸、阀门关终；本闸首闸门开终、阀门关终、
锁锭装置锁定。
流程：关闸联动指令确认→双侧闸门解锁→双侧闸门同步关
闸运行→(等待位等待)→闸门关终。
6 现地系统在船闸运行中的意义
现地系统在永船体系中的重要地位主要体现在：（1）在通
讯网络中断的情况下，船闸的运行必须靠现地来操作完成；（2）
在现地与集控的控制权上，现地具有控制优先权，这就保证了在
紧急情况下现地处理故障的强制性；（3）从现地系统自身而言，
其工作性能的好坏，将直接影响到船闸整个控制系统能否安全、
[工控]常见变频器故障原因分析 brake 发表于 2005/8/8 8:49:15
过电流跳闸的原因分析
（1）重新起动时，一升速就跳闸。这是过电流十分严重的表现。 主要原因有：
1）负载侧短路
2）工作机械卡住
3）逆变管损坏
4）电动机的起动转矩过小，拖动系统转不起来
（2）重新起动时并不立即跳闸，而是在运行过程中跳闸
可能的原因有：
1）升速时间设定太短
2）降速时间设定太短
3）转矩补偿设定较大，引起低速时空载电流过大
4）电子热继电器整定不当，动作电流设定得太小，引起误动作
电压跳闸的原因分析
（1）过电压跳闸，主要原因有：
1）电源电压过高
2）降速时间设定太短
3）降速过程中，再生制动的放电单元工作不理想 a.来不及放电，应增加外接制动电阻和制动单元
b.放电支路发生故障,实际并不放电
(2) 欠电压跳闸,可能的原因有:
1) 电源电压过低
2) 电源断相
3) 整流桥故障
电动机不转的原因分析
(1)功能预置不当
1)上限频率与最高频率或基本频率和最高频率设定矛盾
2)使用外接给定时,未对"键盘给定/外接给定"的选择进行预置
3)其他的不合理预置
(2)在使用外接给定时,无"起动"信号
(3)其它原因：
1)机械有卡住现象
2)电动机的起动转矩不够
3)变频器的电路故障
于台达变频器的造纸机电气控制系统设计
2010-2-21 15:17:00 来源：中达电通股份有限公司
摘要：文章就应用台达变频器的造纸机电气传动控制系统中的负荷分配、速度链、系统网络组态及通讯等内容进行了较为详细地描述。这种基于S7-300PLC的三级控制的全数字控制系统适用高速纸机的高速度、高可靠性控制性能的需要。
关键词：造纸机；变频器；系统设计
引言 本文所设计的纸传动控制系统为应用台达变频器和西门子PLC所组成的控制网络来完成造纸机电气控制系统设计的；其电气传动控制系统是基于S7-300PLC三级控制的交流变频调速控制系统。纸机的主要参数如下：
生产品种：薄页纸；净纸宽度：2400mm；工作车速：250-300 m/min；设计车速：350m/min；纸张定量：17-40g/m2；爬行速度：15-25m/min；
纸机主传动点参数（30个传动点，总传动功率为538.5KW）见表1：
表1 造纸机得主传动点参数
1 纸机对电气传动控制系统的要求
该造纸机的系统结构总图如图1所示。
该纸机正常运行对电气传动控制系统的要求基本有以下几点。
1.1纸机传动系统要有一定的稳速精度和快速动态响应。其中稳态精度±0.02-- 0.01%，动态精度0.1%-- 0.05%;
1.2工作速度要有较宽、均匀的调节范围，适应生产不同品种、定量的需要。调节范围为I=1：10之间；
1.3各传动分部间速比稳定、可调。为了使纸机可以生产良好的纸页和提高纸机正常工作时间，纸机各分部的速度必须是稳定、可调的。各分部的调速范围为±8～10%；
1.4 爬行速度。为方便检查、清洗聚酯网、压榨毛毯、以及检查各分部的运行情况，各分部应具有15～30米/分可调的爬行速度。但这样低速运转时间不宜过长，以减少无效的运行和机械磨损；
1.5 具有刚性或柔性连接的传动分部间，在维持速度链关系基础上，还须具有负荷动态调整的功能，以免造成由于负荷动态转移而引起有的分部因过载而过流，有的分部因轻载而过压；
1.6 各分部具有微升、微降功能，必要的显示功能，如线速度、电流、运行、故障信号等。相关联的分部具有单动、联动功能；
1.7 纸机传动控制系统，应具有良好接口能力，可与QCS控制、蒸汽控制等子系统上联上位工控机及工厂管理级计算机；
2 纸机控制系统结构
我们的选型原则是：优化设计，程序通用化，界面美观化，使整个控制系统稳定性好、可靠性高、鲁棒性强。
纸机控制系统结构图如图2所示。该控制系统采用交流变频分部传动控制，三级控制方式。第一级为驱动级，变频器采用台达公司VFD-B系列高功能，向量型交流变频器，由闭环控制编码器反馈板，组成闭环控制系统。第二级为PLC控制系统，采用西门子S7-300 PLC，S7-300与变频器组成RS485总线控制网络，通讯速率最高可达19.2Kbit/s，并完成自动卷取及辅助部分的机电一体化功能;第三级为上位控制系统，采用DELL公司工控机,用于纸机传动系统状态监控，实现整个纸机自动控制。并可通过工业以太网与QCS系统、DCS系统、厂级管理级等联网，可实现纸机控制系统优化控制。
3 纸机电气传动控制系统的设计
3.1 系统硬件选型
硬件选择依据系统的控制精度、通讯速度、响应时间、高性价比、高可靠性的原则，选用SIEMENS S7 314PLC、CP340通信处理器，作为系统主控单元，控制整个系统。上位机选用采用DELL工控机,配置为“PIV2.0G/21”，用于纸机传动系统状态监控。
变频器选用台达公司的VFD-B系列高功能，向量型变频器，台达B系列新一代高功能无感测向量控制型变频器,具有功能齐全、调速精度高、稳定性好及可应用范围广等特点。可广泛应用于产业机械、工厂过程控制自动化、建筑、石化、冶金、钢铁、能源、电力、楼宇、环保等国民经济各行各业。其主要特点有：/F控制,无感测向量控制模式；内置PID功能及PID disable功能；PG速度闭环精确速度控制；自动侦测(autotunning)功能；摆频功能；飞速启动,速度追踪功能；主,辅频率及比例加法运算选择功能；15段速及自动程序运转；内置DC Reactor；计数器，马达累计运行时间；散热风扇动作模式设定；简易定位控制；风机/泵控制等；节能运转；RS485通讯接口,支持Modbus协议等。
总之，台达系列高性能变频器的精巧设计可较理想地满足该机的高传动性能的需要。该纸机由30个传动点构成，变频器所实现的调速功能由PLC通过通讯指令控制，所以每台变频器从自身来讲功能基本相同，我们以该纸机的一个传动点电气控制原理图如图3所示为例来说明它在造纸机中如何让应用。
图3中，起停运行右外部按钮通过继电器触点完成，造纸机运行只有正转，恒速选择在这里我们用作爬行功能，继电干触点输出接电源信号后作为停止指示，运行指示通过启动继电器触点带指示灯完成，因为造纸现场控制柜操作台分别在现场和控制室，所以所有的指示都有两套，如起停指示灯H042、H043、H044，电流表PA041、PA042等。为提高控制精度，采用编码器反馈构成闭环控制。其他控制功能的实现均通过PLC软件与变频器通讯完成，下边将详述。
3.2 系统的软件设计与功能实现
程序模块化结构设计，各种功能以子程序结构适时调用实现；程序采用循环扫描方式对速度链上的传动点进行处理，提高程序执行效率；程序设计通用性强，并具有必要的保护功能和一定的智能性。主程序的流程如图4示。
3.2.1速度链设计
(1) 速度链结构设计。速度链结构采
用二叉树数据结构算法，先对各传动点进行数学抽象，确定速度链中各传动点编号，此 图4 主程序流程图
编号应与变频器设定的地址一致。即任一传动点由3个数据（“父子兄”或“父子弟”）确定其在速度链中的位置，填入位置寄存器相应的数值。由此可构成满足该机正常工作需要的速度链结构。
(2) 算法设计。速度链的设计采用了调节变比的控制方法实现速度链功能,把压榨作为速度链中的主节点，该点速度即纸机的工作车速，调节其速度即调节整机车速。其它各分部点的速度由该点车速乘以相应的变比得到。由PLC检测其它分部车速调节信号，通过操作该部增、减按纽的操作改变其速比，则改变相应分部的车速。
3.2.2 负荷分配设计
该纸机传动结构上有柔性联结的传动点，烘缸部和压榨部。它们之间不仅要求速度同步还需要负载率均衡，否则会造成一个传动点由于过载而过流，而另一传动点则由于被带动而过压，影响正常抄纸，甚至可能撕坏毛布，损坏变频器、机械设备。因此这两个传动部分的传动点之间需要负荷分配自动控制。
负荷分配工作原理：假设P1e、P2e为两台电机额定功率，Pe为额定总负载功率，Pe= P1e+P2e 。P为实际总负载功率，P1、P2为电机实际负载功率，则P= P1+ P2。系统工作要求 P1=P*P1e/Pe ，P2=P*P2e/Pe，两个值相差≤3%。
由于电机功率是一间控制接量。实际控制以电机定子转矩代替电机功率进行计算。
PLC采样各分部电机的转矩，计算每一组的总负荷转矩，根据总负荷转矩计算负载平衡时的期望转矩值。计算平均负荷转矩方法如下公式所示。
M=
其中： ML1 、ML2 是压榨、烘缸电机实际输出转矩；
Pe1 、Pe2 是压榨、烘缸台电机额定功率；
M 为负荷平均期望转矩
PLC通过Modbus总线得到电机转矩，利用上述原理再施以PID算法，调节变频器的输出，使两电机转矩百分比一致。即完成负荷自动分配的目标。
设置最大限幅值，如果负荷偏差超过该设定值，要停机处理，以防机械、电气损害发生。负荷分配控制实现的前提是合理的速度链结构，使负荷分配的传动点组处于子链结构上，该部负荷调整时，不影响其它的传动点，因此速度链结构是采用主链与子链相结合的形式。
3.3 系统网络组态与通讯
本系统通过STEP7软件实现网络组态，用STEP7创建一个项目，先选择PLC的类型，并添加MPI总线、操作屏、工控机、并为变频器分配网络地址。
在该系统中上位机、PLC属于第一类主站（DPM1），主要完成总线通信控制和管理。操作屏属于第二类主站，主要完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。操作屏用SIEMENS的ProTool软件设计上位机采用SIEMENS的WINCC软件设计，实现上位机对整机系统的实时监控。
上位机与PLC之间通用MPI电缆通讯。网络采用RS485传输技术，使用专用屏蔽双绞线。PLC与操作屏间是通过数据影像实现实时通讯。主站与从站间采用循环查询方式，完成对变频器的读写操作。
3.4辅助控制的机、电、液一体化设计
辅助部分的机、电、液一体化、连锁及保护、卷纸机自动换卷控制、稀油站润滑系统等辅助电气系统协调工作，以保证系统正常运行和设备安全。