一种甘蔗压榨机专用PLC控制的全数字整流自动调速系统的制作方法

本发明涉及甘蔗制糖技术领域，具体是一种甘蔗压榨机专用plc控制的全数字整流自动调速系统。

背景技术：

众所周知的直流双闭环调速系统是最经典的直流传动控制系统，从分离元件到集成电路运算放大器的模拟量控制再到现在的全数字化控制装置，已应用并走过了50多个年头。虽然，如今的矢量控制交流变频调速已经可以与直流电机的调速性能媲美，但在某些特殊的应用领域，特别是大功率的调速驱动，由于性价比的原因，直流调速驱动还是拥有暂时不可取代的地位。现今国内的绝大多数糖厂的压榨机均是采用直流电动机可控硅调速，扩容型全数字直流调速柜。但由于现有的扩容型全数字直流调速柜没有plc控制系统，不易实现自身整流柜的料位速度反馈控制和电流速度控制。如要与dcs控制系统连接，所有的数据采集及速度给定均是以硬接线，模拟量信号的形式得到，这种方式外部控制电缆及接线太多，故障率较高、可靠性差。而且大部分扩容型全数字直流调速柜，不能对原进口装置的软件进行刷新，电流、电压均采用电流互感器及分压的比值进行折算，没能充分发挥国外进口品牌全数字直流调速装置的性能。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前糖厂压榨生产线存在的问题和缺陷，提供一种甘蔗压榨机全数字整流柜及调速自动控制系统。实现甘蔗糖厂压榨机或重型双辊喂料器的均恒压榨及联锁控制，完美实现与预处理及压榨生产线dcs控制数据总线通讯和数字控制。

本发明是这样实现的：本发明采用在扩容型全数字整流调速柜系统中配置plc及触摸屏，满足压榨机生产线，压榨机或重型双辊喂料器的工艺控制要求，直流电机的电枢电压、电枢电流、励磁电流、电机转速、压榨机及喂料器转速、速度给定量直接在触摸屏上数字显示，以上数据的实时曲线，联锁、故障及运行状态也在触摸屏画面上进行显示，各运行参数、保护参数的设置均在触摸屏画面上操作完成；在没有dcs控制系统的场合，利用自身系统的plc控制功能，同样可完成料位速度反馈控制和电流速度控制，配置plcprofibus_dp总线模块完成与dcs的数据通讯及控制。采用国产大功率可控硅元件，取代西门子小容量全数字整流调速装置内部的功率元件并且对其内核软件进行刷新，实现真正意义的全数字整流调速系统。

具体技术方案为：

一种甘蔗压榨机专用plc控制的全数字整流自动调速系统包括：包括全数字可控硅整流调速柜，该整流调速柜含有速度给定、斜坡函数、速度调节、电流调节、脉冲触发5个功能模块，直流电动机，减速箱，其特征在于：速度给定数字功能模块输出端口，链接到斜坡函数数字功能模块的输入端口，斜坡函数数字功能模块的输出端口链接到速度调节数字功能模块的输入端口，速度调节数字功能模块的输出端口链接到电流调节数字功能模的输入端口，电流调节数字功能模的输出端口链接到脉冲触发数字功能模块的输入端口，脉冲触发数字功能模块的输出端口，通过装置内部脉冲触发放大后得到的6个触发信号，再通过6组双搅线分别接入功率单元三相全控桥的6个大功率可控硅的门极，功率单元三相全控桥输出的直流电源通过电缆接入直流电动，直流电动机的输出轴与减速箱连接，减速箱再与压榨机或重型双辊器相连接，从而得到所需要的传动力矩，功率单元三相全控桥的主回路电源进线端的2个电流互感器，通过线缆接入作为电流反馈的电流调节数字功能模的外部接口端子，由直流电动机自身配置的直流测速机或光电编码器，通过屏蔽线缆接入作为速度反馈的速度调节数字功能模块的外部接口端子，plc控制器中模拟量输入模块ai，通过屏蔽线缆接入电流调节功能模块的模拟量输出端子，plc控制器中模拟量输出模块ao，通过屏蔽线缆接入速度给定3功能模块的输入端子，plc控制器中的cpu模块通过ppi通讯线缆接入触摸屏hmi，plc控制器中profibus-dp通讯模块，通过profibus-dp通讯线缆接入dcs控制系统，plc控制器1中数字量输入模块的di，接入外部控制设备的联锁点，plc控制器中数字量输出模块的d0通过继电器接入外部需要联锁的控制设备，plc控制器中模拟量输入模块ai，通过屏蔽线缆接入压榨机或重型双辊器蔗料入口设备高位槽的料位检测装置的输出端子；所述的plc控制器由西门子s7-200cn/s7-200smartcpu及数字量输入di、数字量输出do模块、模拟量输入ai、模拟量输出ao模块、profibus-dp通讯模块组成。

进一步地，所述的触摸屏hmi为三菱10.4英寸gt2310-vtba。

进一步地，所述的大功率可控硅三相全控桥单元的单只可控硅元件电流容量的选择按

计算。

i：可控硅的电流容量选择（通态平均电流）；

id:扩容装置的额定直流输出电流；

ki：实际可控硅电流容量的安全系数（可根据容量价格比，取1-1.5）；

单只可控硅的反向峰值电压计算：uf=uv×kv

uv:扩容装置功率单元的三相进线电源的线电压；

kv：实际可控硅反向电压的安全系数（可根据反向电压价格比，取3-5）；

进一步地，在大功率可控硅三相全控桥单元的主回路上配置智能断路器，在三相进线电源上设置2个与装置扩容后对应输出电流/0.1a的电流互感器进行电流取样。

进一步地，可依据可控硅的容量设置脉冲放大器对触发脉冲进行隔和离放大，配置相应的阻容吸收等保护元件及散热风道。

工作原理及静态联接关系进行描述：

根据蔗料压榨量，在触摸屏hmi或dcs上设定压榨机或双辊喂料器直流电机的转速设定值%（速度给定）。直流电机在额定转速以下，调节电枢电压实现该速度段的恒扭矩调速，在额定转速以上则通过减小励磁电流实现恒功率段的调速。当直流测速机或光电编码器检测到压榨机或双辊喂料器的实际速度与设定速度出现偏差时，由速度调节等自动完成电枢电压或励磁电流的自动调整，最终实现设定速度与实际速度一致。

通过plc的模拟量输入模块，检测来自6ra70/6ra80调速装置链接的电枢电流信号，当压榨机或双辊喂料器负荷较高，电流大到一定的值时（由触摸屏设定），由plc模拟量输输出叠加一个速度附加给定值到6ra70/6ra80的ia口，作为主速度给定，电机转速增加后，使蔗料快速通过压榨机或双辊喂料器。随着转速的自动增加，蔗料快速通过，电枢电流降低后自动恢复原速度，这个过程为压榨机或双辊喂料器负荷与速度给定量的前馈控制。通过plc的模拟量输入模块，不断检测来自蔗料供应，高位料槽料位检测装置的料位信号，与触摸屏或dcs设定的料位值%比较，如出现偏差时，plc模拟量输输出叠加一个±%速度附加给定值到6ra70/6ra80的主速度给定，料位高于设定值时加速，料位低于设定值时减速，最终使料位保持在设定值，完成料位与速度的反馈控制。通过以上两种控制方式实现甘蔗压榨工段，压榨机或双辊喂料器的负荷与速度自动跟踪及料位恒定的均恒压榨工艺。

西门子6ra70/6ra80小容量全数字直流调速控制装置采用全数字化组态，链接各数字功能模块。作为功能模块的速度给定，其输入ia接口与plc的ao相连接，输出链接于斜坡函数发生器模块的输入，当突加速度给定时，输出不会突变，而呈积分上升或下降状态。斜坡函数发生器的输出链接于速度调节数字功能模块的输入，实现比例、积分及可限幅的速度反馈调节。速度调节的输出链接于电流调节数字功能模块的输入，与电流互感器检测得来的信号比较，完成比例、积分及可限幅的电流反馈调节。电流调节的输出链接于脉冲触发数字功能模块的输入，其输出通过硬件脉冲触发放大后与扩容后相对应的6个大功率可控硅全控桥的门极连接，实现脉冲触发角的控制，从而完成电枢电压0-额定值的平滑输出，实现了由速度外环，电流内环构成的双环直流电动机无级调速。

压榨机或双辊喂料器在甘蔗制糖厂，一般是由4-6座机组和整流调速控制柜组成其生产线，由于糖厂是季节性连续24小时生产，要求极高的设备安全率。所以，这种整流调速控制柜均需多配置一套作为备用，当任意一台整流控制柜出现故障时可随时切换到备用柜。作为生产线的各压榨机或双辊喂料器传动设备是按一定的顺序启动运行或停止，正常的启动运行或停止顺序是按设备号逆序启动运行主机设备（压榨机或双辊喂料器），按设备号顺序停机。各主机设备又必须辅机设备（如减速箱润滑油站、直流电机冷却风机等）运行正常后才能启动运行。各主机设备及辅机设备包括备用整流控制柜都必须具备逻辑联锁和故障保护停机的功能。否则，如某个中间设备停机或故障将造成蔗料的堵塞或设备的损坏。特别是万吨级甘蔗处理量的大型糖厂，严重时将造成长时间的整个生产线停机，损失惨重。所以，必须对压榨生产线的这些主机和辅机设备进行逻辑联锁控制，而且备用可控硅整流柜在切换后还必须保证前后各主机传动设备、辅机设备的联锁逻辑关系正常有效。本发明通过plc的i/o接口及plc自身强大的逻辑功能编程后得以实现并且在触摸屏人机介面中，能够直观清晰的显示各“去联锁或被联锁”点的状况。

本发明与现有技术比较具有以下积极效果：

1、用plc和触摸屏（hmi）组成其调速自动控制系统，根据压榨机和重型双辊喂料器实际配置的直流电机功率，用较小容量的西门子全数字直流调速装置扩大其自身的功率容量，满足压榨生产线的甘蔗压榨机的驱动及自动调速功能。

2．扩容型全数字整流柜采用plc实施料位反馈控制及电流前馈控制，使均恒压榨更加完善；采用plc实现压榨机及重型双辊喂料器有记忆功能的速度数字给定；采用plc完成本机整流柜、备用整流柜切换前后传动设备、各主机设备和辅机设备的复杂联锁逻辑控制，保证切换前后的联锁逻辑关系仍然正常有效。

3．用触摸屏实现整流柜的主电源回路的分/合闸、压榨机及重型双辊喂料器的运行/停止、就地/远程dcs的切换；电枢电压、电枢电流、励磁电流、电机转速、压榨机及喂料器转速、速度给定量的数字显示及实时曲线画面；联锁、故障及运行状态的显示；各运行参数、保护参数的设置均在触摸屏画面上实现。

4．通过plc的profibus_dp模块与dcs控制系统实现数据总线通讯及控制。

5．将功率单元可控硅用较大容量的国产可控硅取代；破解西门子6ra70、6ra80装置的内核并修改原装置的不可读取的参数数据。实现了真正意义的扩容型全数字直流调速装置，保证了扩容后的速度精度、电流精度及动态响应与原装置调速器的一致性。同样具备了电流优化、速度优化及磁场优化等功能，使之达到了与同容量原装进口全数字直流调速装置相媲美的高性能、高可靠性。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明的him触摸屏参数设置画面图。

图3为本发明的him触摸屏主画面图。

具体实施方式

以下是结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。但基于本发明的实施例，本领域人员在没有做出任何创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明的护范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用部件或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本发明的甘蔗压榨机专用plc控制的全数字整流自动调速系统包括：全数字可控硅整流调速柜，该整流调速柜含有速度给定、斜坡函数、速度调节、电流调节、脉冲触发5个功能模块，直流电动机，减速箱，其特征在于：速度给定3数字功能模块输出端口，链接到斜坡函数4数字功能模块的输入端口，斜坡函数4数字功能模块的输出端口链接到速度调节5数字功能模块的输入端口，速度调节5数字功能模块的输出端口链接到电流调节6数字功能模的输入端口，电流调节6数字功能模的输出端口链接到脉冲触发7数字功能模块的输入端口，脉冲触发7数字功能模块的输出端口，通过装置内部脉冲触发放大后得到的六个触发信号，再通过6组双搅线分别接入功率单元三相全控桥8的六个大功率可控硅的门极，功率单元三相全控桥8输出的直流电源通过电缆接入直流电动，直流电动机的输出轴与减速箱连接，减速箱再与压榨机或重型双辊器相连接，从而得到所需要的传动力矩，功率单元三相全控桥8的主回路电源进线端的两个电流互感器9，通过线缆接入作为电流反馈的电流调节6数字功能模的外部接口端子，由直流电动机自身配置的直流测速机或光电编码器10，通过屏蔽线缆接入作为速度反馈的速度调节5数字功能模块的外部接口端子，plc控制器1中模拟量输入模块ai，通过屏蔽线缆接入电流调节功能模块6的模拟量输出端子，plc控制器1中模拟量输出模块ao，通过屏蔽线缆接入速度给定功能模块3的输入端子，plc控制器1中的cpu模块通过ppi通讯线缆接入触摸屏2，plc控制器1中profibus-dp通讯模块，通过profibus-dp通讯线缆接入dcs控制系统12，plc控制器1中数字量输入模块的di，接入外部控制设备的联锁点，plc控制器1中数字量输出模块的d0通过继电器接入外部需要联锁的控制设备，plc控制器1中模拟量输入模块ai，通过屏蔽线缆接入压榨机或重型双辊器蔗料入口设备高位槽的料位检测装置11的输出端子；

所述的plc控制器1由西门子s7-200cn/s7-200smartcpu及数字量输入di、数字量输出do模块、模拟量输入ai、模拟量输出ao模块、profibus-dp通讯模块组成。

进一步地，所述的触摸屏hmi为三菱10.4英寸gt2310-vtba。

进一步地，所述的大功率可控硅三相全控桥单元的单只可控硅元件电流容量的选择按

计算。

i：可控硅的电流容量选择（通态平均电流）；

id:扩容装置的额定直流输出电流；

ki：实际可控硅电流容量的安全系数（可根据容量价格比，取1-1.5）；

单只可控硅的反向峰值电压计算：uf=uv×kv

uv:扩容装置功率单元的三相进线电源的线电压；

kv：实际可控硅反向电压的安全系数（可根据反向电压价格比，取3-5）；

进一步地，在大功率可控硅三相全控桥单元的主回路上配置智能断路器，在三相进线电源上设置2个与装置扩容后对应输出电流/0.1a的电流互感器进行电流取样。

进一步地，可依据可控硅的容量设置脉冲放大器对触发脉冲进行隔和离放大，配置相应的阻容吸收等保护元件及散热风道。

本发明图配置小容量西门子6ra70/80的全数字直流调速装置时，拆出电枢三相全控桥可控硅功率元件；根据压榨机及重型双辊喂料器驱动直流电机的励磁参数，更换励磁功率元件，配置对应的分流器；对电源（控制）板元件做局部更换变动；根据直流电机的参数，对装置主回路进线电压、额定直流输出电流容量、额定励磁输出电流容量等进行软件刷新。

编写plc主程序和各功能子程序，如三相全控桥主回路电源分/合闸、压榨机及重型双辊喂料器启动运行/停止、就地/远程dcs12切换子程序；有记忆功能的速度数字给定、料位反馈、负荷反馈的附加速度给定子程序；从全数字直流调速装置采集到的电枢电压、电枢电流、励磁电流、电机转速以及料位检测的模数转换子程序；压榨机及双辊喂料器本机整流柜、备用整流柜切换前后，传动设备的各主机设备和辅机设备的联锁逻辑判断子程序等。

编写plc作为dcsprofibus_dp从站的数据和状态读/写连续地址子程序。

触摸屏与plc直接通讯控制，完成触摸屏主画面、参数设置画面、实时数据曲线画面、逻辑联锁状态等画面程序的组态和编写。

dcs12作为预处理压榨生产线的主站，本发明中plc控制器1的profibus-dp通讯模块作为从站。将作为从站的各压榨机、重型双辊喂料器扩容型全数字整流调速控制柜内plc控制器1中的profibus-dp通讯模块，相互用一根profibus_dp总线连接，设置相应的dp从站地址，实现与预处理及压榨生产线dcs总线通讯控制。

应用实施例：

本发明已运用于云南英茂糖业有限公司，日榨量7000吨/天的景罕糖厂并取得了良好的实际运用效果。

本发明已运用于云南英茂糖业有限公司，日榨量5000吨/天的文山兴街糖厂并取得了良好的实际运用效果。

本发明已运用于柬埔寨（广东恒福糖业）日榨量20000吨/天的百威夏瑞峰糖厂的压榨生产线并取得了良好的实际运用效果。