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)計并完成了基于VB的調(diào)速系統(tǒng)遠程監(jiān)控軟件的開發(fā)。工程應用效果良好，實現(xiàn)了某鋼廠沖渣工藝的節(jié)能自動控制。該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方案對同類型系統(tǒng)設(shè)計有參考價值。
關(guān)鍵詞： 變頻調(diào)速；ModBus通信協(xié)議；遠程監(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)能降耗勢在必行。尤其是己經(jīng)運行了十幾年的老電動機，如何進行設(shè)備改造、提高設(shè)備的自動化水平和運行效率、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)輔機能耗高，嚴重制約了經(jīng)濟效益的提高。特別是在鋼鐵行業(yè)廣泛應用的泵類負載，占整個用電設(shè)備能耗的4O％左右。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展和自動化水平的提升，智能化程度的提高，采用高壓變頻器對泵類負載進行速度控制。對改進_T藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量有好處，滿足節(jié)能和設(shè)備經(jīng)濟運行的要求，是可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。對泵類負載進行調(diào)速控制的好處很多。從應用實例看，大多已取得了較好的效果，有的節(jié)能高達30％～40％。大幅度降低了生產(chǎn)成本，提高了自動化程度，且有利于泵機和管網(wǎng)的降壓運行，減少了滲漏、爆管，可延長設(shè)備使用壽命。
　　本文以某鋼鐵廠為例，闡述了該鋼鐵廠對高爐沖渣水泵利用變頻調(diào)速技術(shù)，對原來始終在工頻運行的工況進行改造，同時分析了工藝設(shè)計人對整個變頻調(diào)速系統(tǒng)監(jiān)控軟件的設(shè)計。該系統(tǒng)在該鋼鐵廠實際生產(chǎn)中，具有良好的節(jié)能效果和可靠穩(wěn)定的控制方式，本文的應用研究對今后類似系統(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
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? 目前沖渣電機運行方式為工頻運行，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。由于電機頻繁啟動與停機，機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行可靠性大幅度降低，若保持機組不停機器原__I=況運行，就浪費了大量的電能，因此對沖渣泵系統(tǒng)實行節(jié)能改造勢在必行[1]。
　　由此該鋼鐵廠決定對2臺鼠籠式異步電機從工頻運行方式改造為變頻調(diào)速運行方式，2臺電機參數(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次出渣時間間隔約為30min。在此時問內(nèi)要求沖渣系統(tǒng)的沖渣泵滿負荷工作，其余時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，變頻器能將頻率變?yōu)?0Hz，以保證沖渣泵滿負荷丁作；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)進行實時監(jiān)控，所以整個變頻調(diào)速系統(tǒng)要求采用人機界面友好的上位軟件，對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行監(jiān)視操作，能監(jiān)視到當前運行電壓、電流、頻率和功率；并且能實現(xiàn)基本啟停操作以及對當前運行頻率進行調(diào)整。同時整個高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)必須滿足以下幾點要求：
　　1）滿足沖渣泵電機的額定電壓，具有高可靠性，長期運行無故障；
　　2）調(diào)速范圍大，效率高；
　　3）具有邏輯控制能力，可以根據(jù)出渣信號自動升降速；
　　4）具有遠程上位機監(jiān)控功能；
　　5）具有旁路功能，一旦出現(xiàn)故障．可在較短時間內(nèi)切換到工頻運行。
　　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)，上位機采用由VB6．0編寫的沖渣泵變頻調(diào)速監(jiān)控軟件進行監(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機附加發(fā)熱以及噪聲，輸入功率因素高等特點，義被稱為完美無諧波變頻器。其實質(zhì)為多個串聯(lián)的PWM電壓源型變頻器，將若干個獨立的低壓變頻器串聯(lián)起來，從而實現(xiàn)高壓輸出。電網(wǎng)電壓通過隔離降壓后給每個作為功率單元的低壓變頻器供電。每個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，每個低壓變頻器串聯(lián)起來，就形成了星形結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變頻高壓直接輸出，給高壓電動機供電。3kV輸出電壓等級的變頻器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個功率單元分別由輸入變壓器的1組二次繞組供電，9個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行迭加達到所需要的高壓。單個功率單元組成如圖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，在變壓器繞制時產(chǎn)生一定相位差，以消除每個功率單元引起的諧波電流。以3kV變頻器為例，9個二次繞組采用延邊三角形，分為3個不同的相位組，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％．使初級電流波形近似為正弦波，滿足高壓電動機對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，且隨著電機負載的降低而降低[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
　　整個系統(tǒng)由3部分組成（如圖3所示）：上位控制計算機、2臺羅賓康高壓變頻器和調(diào)速對象，其中把變頻器和調(diào)速對象看成是一個整體，處于生產(chǎn)現(xiàn)場，上位監(jiān)控的工控機處于監(jiān)控室中。由于RS-485通信方式最遠支持1200M，完全滿足現(xiàn)場需要，所以采用RS一485總線通信方式?2臺羅賓康高壓變頻器都有支持ModBus協(xié)議的RS-485接口，而上位計算機只具備有支持RS-232電平的串行數(shù)據(jù)接口，所以數(shù)據(jù)幀由上位機串口出來后，要通過RS-232／RS-485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為能被兩臺高壓變頻器識別的RS-485電平。

　　從圖3可以看出，系統(tǒng)可分為3級，第1級為現(xiàn)場設(shè)備級，主要是2臺帶動沖渣水泵的鼠籠式電機，2臺沖渣泵在出鐵時要保證50 Hz全速運行，其它時間段運行頻率為25 Hz．保證管道中有一定水壓，避免冷卻水回流；第2級為控制處理級，為2臺控制2臺電機調(diào)速的羅賓康高壓變頻器；第3級為監(jiān)控管理級，由1臺工控機構(gòu)成，主要實現(xiàn)與變頻器的實時數(shù)據(jù)傳輸，進行集中監(jiān)視、控制、報警、趨勢等功能。第3級和第2級之間采用ModBus傳輸協(xié)議，電平經(jīng)過RS一232／RS一485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為各自可以識別的電平，當上位機出現(xiàn)故障后，可以馬上切換為由變頻器面板操作；當變頻器出現(xiàn)故障后，可以立即切換為沖渣泵工頻運行，具有良好的安全性。
2 上位機監(jiān)控軟件設(shè)計
　　Microsoft公司的Visual Basic6．0是一種可視化的通用編程語言，具有易學易用，調(diào)試方便，功能強大的特點。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[4]。
　　整個上位機監(jiān)控軟件的核心是通信模塊，在實現(xiàn)通信模塊的功能基礎(chǔ)上，可以對變頻器進行監(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，完全符合標準的ModBus協(xié)議。所以整個上位監(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，ModBUS協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應，控制器將生成應答并使用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端以響應請求；Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向讀寫。
　　ModBus協(xié)議需要對數(shù)據(jù)進行校驗，串行協(xié)議中除有奇偶校驗外，通常使用的RTU模式采用16位CRC校驗。RTU模式下通信數(shù)據(jù)幀格式如表2所示，每個字節(jié)包含2個4Bit的16進制數(shù)字。

　　地址碼是標識接在同一RS-485總線上不同從機的編號，只有符合地址碼的從機才能響應并根據(jù)命令回送信息。功能碼Maser／Slave之間實現(xiàn)何種行動的代碼，為可定義的功能碼為1到127，常用的幾個功能碼如表3。在整個變頻調(diào)速系統(tǒng)中，2臺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通信模塊的實現(xiàn)
　　用VisualBasic6．0實現(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、奇偶效驗分別設(shè)置為19200、8、1、EVEN。通過VB6．0自帶的時間控件TIMER給處于下位機的2臺變頻器發(fā)送03指令，來讀取變頻器當前狀態(tài)。由于在RS一485總線上通信必須采用半雙工方式，也就是說不能同時對2如下位機進行訪問，所以程序采用分時復用方式訪問2臺變頻器，從時序上錯開訪問指令。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）’寄存器個數(shù)高位
　　bisend（5）=”&h”+Hex（10）’寄存器個數(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
　　對變頻器進行基本啟停操作和頻率調(diào)整時，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，當變頻器回應后再恢復中斷。
2．3 監(jiān)控軟件設(shè)計
　　表4為ModBus通信所需要操作的變頻器中寄存器地址和功能。整個程序設(shè)計思路是：程序一啟動就進入主界面，同時監(jiān)測變頻器和上位機是否已建立通信，然后讀取變頻器40 001單元2個4Bit的十六進制數(shù)字，將這2個數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制字符串，來判斷變頻器運行的基本狀態(tài)，例如啟動、停止、就緒、故障等。當變頻器處于就緒狀態(tài)時，可以通過修改400 065單元中的1個二進制位來啟動或者停止變頻器；上位機即時讀取變頻器40002—40005單元數(shù)值，這4個寄存器中數(shù)值為變頻器的輸出頻率、電壓、電流、功率數(shù)值；當要對沖渣泵速度進行調(diào)整時，可以隨時修改40 066單元中數(shù)值來達到調(diào)速目的。

　　根據(jù)現(xiàn)場工況要求，監(jiān)控程序要能識別1個開關(guān)量信號，并根據(jù)此信號自動修改2臺變頻器頻率，同時在當前信號下，能對此設(shè)定頻率進行微調(diào)。為了實現(xiàn)這一功能，把前1s開關(guān)量信號寫入INI文件中并即時比較，當信號改變時，從INI文件中分別讀取不同的頻率設(shè)定值，同時在人機界面上還可以修改此INI文件中2臺變頻器的不同頻率設(shè)置值。
3 結(jié)語
　　目前整個沖渣泵變頻調(diào)速系統(tǒng)已在實際生產(chǎn)中運行，400kW電機工頻運行耗電量為396kW．h，變頻后的耗電量為179．9kW．h。實際運行結(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。整個監(jiān)控系統(tǒng)大大的簡化了操作人員的使用難度，同時能實時監(jiān)控變頻器和電機運行狀態(tài)，提聲生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益。
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