摘 要：介紹一種基于羅賓康高壓變頻器的調速監控系統，詳細闡述了系統構成、工作原理。在分析了ModBus通信協議的基礎上，設計并完成了基于VB的調速系統遠程監控軟件的開發。工程應用效果良好，實現了某鋼廠沖渣工藝的節能自動控制。該系統的軟硬件設計方案對同類型系統設計有參考價值。
關鍵詞： 變頻調速；ModBus通信協議；遠程監控
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能環保需要，鋼鐵制造行業改善工藝、節能降耗勢在必行。尤其是己經運行了十幾年的老電動機，如何進行設備改造、提高設備的自動化水平和運行效率、降低用電損耗是鋼鐵企業持續發展的關鍵。目前，鋼鐵生產企業輔機能耗高，嚴重制約了經濟效益的提高。特別是在鋼鐵行業廣泛應用的泵類負載，占整個用電設備能耗的4O％左右。隨著市場經濟的發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、提高產品質量有好處，滿足節能和設備經濟運行的要求，是可持續發展的必然趨勢。對泵類負載進行調速控制的好處很多。從應用實例看，大多已取得了較好的效果，有的節能高達30％～40％。大幅度降低了生產成本，提高了自動化程度，且有利于泵機和管網的降壓運行，減少了滲漏、爆管，可延長設備使用壽命。
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速技術，對原來始終在工頻運行的工況進行改造，同時分析了工藝設計人對整個變頻調速系統監控軟件的設計。該系統在該鋼鐵廠實際生產中，具有良好的節能效果和可靠穩定的控制方式，本文的應用研究對今后類似系統的改造具有借鑒作用。
1 變頻調速監控系統總體設計
1．1 需求分析
高爐冶煉鐵水過程中產生大量的熔渣，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，作為煉鐵生產的副產品? 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來調節水的流量和壓力，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，因此對沖渣泵系統實行節能改造勢在必行[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速運行方式，2臺電機參數見表1。由于高爐生產是不間斷的，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。在此時問內要求沖渣系統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，變頻器能將頻率變為50Hz，以保證沖渣泵滿負荷丁作；在出渣間隔期，變頻器將頻率調整為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化，且存在操作不方便，直觀性差，無法滿足塒所需要的參數進行實時監控，所以整個變頻調速系統要求采用人機界面友好的上位軟件，對變頻調速系統進行監視操作，能監視到當前運行電壓、電流、頻率和功率；并且能實現基本啟停操作以及對當前運行頻率進行調整。同時整個高壓變頻調速系統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）調速范圍大，效率高；
3）具有邏輯控制能力，可以根據出渣信號自動升降速；
4）具有遠程上位機監控功能；
5）具有旁路功能，一旦出現故障．可在較短時間內切換到工頻運行。
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速系統，上位機采用由VB6．0編寫的沖渣泵變頻調速監控軟件進行監控。
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。其實質為多個串聯的PWM電壓源型變頻器，將若干個獨立的低壓變頻器串聯起來，從而實現高壓輸出。電網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起來，就形成了星形結構，實現變頻高壓直接輸出，給高壓電動機供電。3kV輸出電壓等級的變頻器主電路結構如圖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到中央控制系統，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構，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。由于變頻器輸入功率因數主要與變頻器中間直流環節（電壓源型或電流源型）有關。電壓源型直流環節為電容，電機需要的無功電流由電容提供，而不需要和電網交換，變頻器輸入功率因數高，在整個速度范圍段內基本保持不變.電流源型直流環節為大電感，電機需要的無功電流還需與電網交換，功率因數較低，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秀的功率因數，輸入總功率因數可達到0．95以上。
1．3 沖渣泵高壓變頻調速系統總體設計
整個系統由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速對象，其中把變頻器和調速對象看成是一個整體，處于生產現場，上位監控的工控機處于監控室中。由于RS-485通信方式最遠支持1200M，完全滿足現場需要，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電平的串行數據接口，所以數據幀由上位機串口出來后，要通過RS-232／RS-485轉換器轉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，系統可分為3級，第1級為現場設備級，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臺電機調速的羅賓康高壓變頻器；第3級為監控管理級，由1臺工控機構成，主要實現與變頻器的實時數據傳輸，進行集中監視、控制、報警、趨勢等功能。第3級和第2級之間采用ModBus傳輸協議，電平經過RS一232／RS一485轉換器轉換為各自可以識別的電平，當上位機出現故障后，可以馬上切換為由變頻器面板操作；當變頻器出現故障后，可以立即切換為沖渣泵工頻運行，具有良好的安全性。
2 上位機監控軟件設計
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來開發控制軟件具有明顯的優勢[4]。
整個上位機監控軟件的核心是通信模塊，在實現通信模塊的功能基礎上，可以對變頻器進行監視和控制功能。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協議。所以整個上位監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通信協議概述
ModBus協議最初由Modicon公司開發出來，現在ModBUS已經是工業領域全球最流行的協議，支持傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備。在網絡上通信時，ModBUS協議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成應答并使用ModBus協議發送給詢問方。數據通訊采用Master／Slave方式，Master端發出數據請求消息，slave端接收到正確消息后就可以發送數據到Master端以響應請求；Master端也可以直接發消息修改Slave端的數據，實現雙向讀寫。
ModBus協議需要對數據進行校驗，串行協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模式下通信數據幀格式如表2所示，每個字節包含2個4Bit的16進制數字。
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命令回送信息。功能碼Maser／Slave之間實現何種行動的代碼，為可定義的功能碼為1到127，常用的幾個功能碼如表3。在整個變頻調速系統中，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
用VisualBasic6．0實現ModBus通信協議，可以使用自帶的MSCOMM通信控件，將比特率、數據位、停止位、奇偶效驗分別設置為19200、8、1、EVEN。通過VB6．0自帶的時間控件TIMER給處于下位機的2臺變頻器發送03指令，來讀取變頻器當前狀態。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）’寄存器個數高位
bisend（5）=”&h”+Hex（10）’寄存器個數低位
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整時，同樣要求數據在RS-485總線上遵從傳輸規則，將用與讀取變頻器信息的程序段中斷，調用寫指令，當變頻器回應后再恢復中斷。
2．3 監控軟件設計
表4為ModBus通信所需要操作的變頻器中寄存器地址和功能。整個程序設計思路是：程序一啟動就進入主界面，同時監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的十六進制數字，將這2個數轉換為二進制字符串，來判斷變頻器運行的基本狀態，例如啟動、停止、就緒、故障等。當變頻器處于就緒狀態時，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單元數值，這4個寄存器中數值為變頻器的輸出頻率、電壓、電流、功率數值；當要對沖渣泵速度進行調整時，可以隨時修改40 066單元中數值來達到調速目的。
根據現場工況要求，監控程序要能識別1個開關量信號，并根據此信號自動修改2臺變頻器頻率，同時在當前信號下，能對此設定頻率進行微調。為了實現這一功能，把前1s開關量信號寫入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置值。
3 結語
目前整個沖渣泵變頻調速系統已在實際生產中運行，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，大大節省了電能，大量降低了能耗，取得明顯的節能效果。整個監控系統大大的簡化了操作人員的使用難度，同時能實時監控變頻器和電機運行狀態，提聲生產效率，給企業帶來了可觀的經濟效益。
參考文獻：
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