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西門子KP900顯示屏
 | 6AV2124-1JC01-0AX0 SIMATIC HMI KP900 精智， 精智面板， 按鍵操作， 9” 寬屏 TFT 顯示屏， 一千六百萬色， PROFINET 接口， MPI/PROFIBUS-DP 接口， 12MByte 項目組態(tài)存儲器， Windows CE 6.0， 可項目組態(tài)的低版本 WinCC Comfort 11版 |
8“變”3的節(jié)能魔術(shù)
——太鋼攜手西門子的一次時間觀和方之旅
問：8怎么變成3？答：豎著砍掉一半。這是腦筋急轉(zhuǎn)彎的謎底，卻不是太鋼的答案，因為，鐵膽雄心的太鋼人顯然要在節(jié)能的數(shù)字之變上制造一個更大的魔術(shù)。經(jīng)過太鋼和西門子的通力合作，變頻器化身“魔術(shù)師”，成功將燒結(jié)風機中單個電機的耗電量從每小時8千度“變”為3千度。
面積超過600m2的太鋼4號燒結(jié)機，使用了兩套西門子羅賓康高壓變頻器與高壓電機。在這座大型不銹鋼企業(yè)里，時間觀被詮釋為：節(jié)能、生產(chǎn)都是一種與時間的賽跑。時間與能效可以“魔術(shù)”置換的感受，尤為強烈。一臺大變頻一個小時就能節(jié)電5千度，兩臺大變頻一天可節(jié)電24萬度。如按自供電價0.4元/度計算，一年節(jié)約電費3000余萬元，18個月就收回了設備成本，節(jié)能率可達40%，使得初始的設備投資轉(zhuǎn)化為一次成功的戰(zhàn)略性技術(shù)創(chuàng)新。
太燒結(jié)風機系統(tǒng)外景
不銹鋼巨子搭檔節(jié)能伙伴
從神舟一號到神舟十號，每一次飛船升空，都有太鋼不銹鋼產(chǎn)品助力其中。從一角硬幣到火箭衛(wèi)星，從百姓餐桌到三峽大壩，太鋼生產(chǎn)的不銹鋼以其優(yōu)勢占領了國內(nèi)不銹鋼市場近半壁江山。作為不銹鋼熔煉的初始流程，燒結(jié)工序是關(guān)鍵所在。究竟采用哪種變頻驅(qū)動方案，是一個重大的方向性選擇。
當時準備上馬的太鋼4號燒結(jié)機，其規(guī)模當屬世界大。燒結(jié)面積越大，產(chǎn)量就越高，對風機的要求也越高，因此能源消耗巨大。根據(jù)太鋼3號450m2燒結(jié)機的實際工況，太鋼計劃在600m2大型燒結(jié)風機中采用兩臺大變頻，來控制高壓電機的轉(zhuǎn)速。盡管采用變頻驅(qū)動風機能夠大幅節(jié)能，且是大勢所趨。然而如此大規(guī)模的應用并無先例可循，技術(shù)難度大，投資回報率未知，沒有十分把握，誰也不敢貿(mào)然行事。
自從有了設計中國大規(guī)模變頻調(diào)速風機的想法，太鋼煉鐵廠電氣部趙宏部長就時刻留意各種知識和信息。一天，在與國外專家交流時，趙部長獲知風機的性能曲線，可以利用主氣流的溫度、壓力以及流量來測算的消息后，如獲至寶。“那正是太鋼需要的曲線，有了這條曲線，風機的控制就更加精確了。”趙部長立馬組織團隊開始技術(shù)研究。
經(jīng)過夜以繼日的計算和評估，2008年趙部長團隊提交了十幾頁的項目可行性報告，決定采用變頻調(diào)速技術(shù)。這個方案前期投資大，但著眼長遠，兩年之內(nèi)就可以收回全部投資。經(jīng)過對*技術(shù)的研究和嚴密推理，2009年4月太鋼正式開啟了變頻節(jié)能之路。
太鋼同時收獲的還有可靠的節(jié)能伙伴。燒結(jié)車間敢于嘗新，采用當今*的變頻節(jié)能技術(shù)，這個過程西門子專家團隊起到了*的作用。由于國內(nèi)沒有可以參考的項目，整體技術(shù)方案必須依靠太鋼和西門子的通力配合，共同摸索。回憶當時的情景，趙部長坦誠的說：“在終核算的幾天里，晚上一直睡不著覺，這可是關(guān)系到超過5千萬的投資，一旦誤差過大，怎么向廠里交待！”
太鋼4號燒結(jié)機采用的10,760kW西門子高壓電機
15,000kVA西門子羅賓康變頻器機柜
采用變頻調(diào)速之前太鋼曾經(jīng)使用風門擋板調(diào)節(jié)風量
西門子KP900顯示屏
管理三步走，節(jié)能一大步
西門子的能源管理方基于三個步驟，識別、評估和實現(xiàn)。此前的時間觀主要解決能效“怎么算”的問題，這里的方主要解決節(jié)能“怎么做”的問題。有了方的依托，太鋼與西門子在節(jié)能合作上闊步向前。
*步，充分識別和挖掘太鋼隱藏的節(jié)能潛力。
能量流怎么識別呢？首先得給所有的設備能耗照張“X光片”，哪個設備能耗大，哪個能耗小，哪些能耗有用，哪些沒用，都能看個一清二楚。只有掌握了較長時間段內(nèi)，電能、水能、熱能的消耗數(shù)據(jù)，才能進一步改造、優(yōu)化。
西門子專家團隊首先以未使用變頻調(diào)速的3號450m2燒結(jié)機作為樣本，記錄車間和系統(tǒng)中的能源消耗。經(jīng)過分析，燒結(jié)主抽風機的電耗一般占整個生產(chǎn)線的50%，而風量控制準確程度直接決定成品的質(zhì)量、產(chǎn)量。
第二步，評估車間和系統(tǒng)在整個生命周期內(nèi)的成本，計算出具體應用的節(jié)能潛力和可行措施的成本效益。
能量流透明了，確定了大的能耗設備——燒結(jié)主抽風機之后，“評估”階段著手計算具體的節(jié)能潛力，考量潛在措施的經(jīng)濟性，這是做出決策的關(guān)鍵一步。這個步驟就像全科醫(yī)生拿著X光片和多種化驗報告，進行病理分析，給出診斷結(jié)果的過程。
風機轉(zhuǎn)動越快，送風量就越多，但是能耗也隨之成倍增長。如果轉(zhuǎn)速下降，能耗也會翻倍減少。經(jīng)過反復論證，在同樣產(chǎn)品、同樣產(chǎn)量的條件下，變頻調(diào)速等于時時刻刻都在節(jié)能，即使在整個燒結(jié)廠滿負荷生產(chǎn)的情況下，保守估算節(jié)能率也將在35%以上。
第三步，采取有針對性的措施，將節(jié)能潛力變?yōu)楝F(xiàn)實，大約2/3的工業(yè)能源由驅(qū)動系統(tǒng)消耗，而將整個驅(qū)動系統(tǒng)的能耗，降低40-50%是十分具有操作性的。
憑借醫(yī)生的診斷報告，接下來就是對癥下藥了，藥品可靠、藥力持久，病痛才能一掃而光。在考察了多種變頻方案之后，太鋼終決定選用兩臺西門子羅賓康高壓大功率變頻器，輸出電壓為10KV。變頻器采用水冷工藝，其內(nèi)部采用去離子水循環(huán)冷卻，外部采用工業(yè)冷卻水二次冷卻。與空冷型變頻器相比，不需要額外的空調(diào)等冷卻設備，變頻器噪音低，受周圍環(huán)境的影響小，變頻室整潔、干凈。此外，西門子羅賓康高壓變頻器還具備“飛車啟動”功能，縮短了風機每次起、停接近50分鐘的等待時間，從而大大節(jié)省了能耗和時間成本。
將能效與時效劃上等號
當風機在變頻工況下順利啟動的那一刻，看到現(xiàn)場的有功功率僅為3000KW，遠低于不使用變頻器的8000KW，趙部長團隊那顆懸著的心才真正踏實。數(shù)據(jù)驗證前期測算非常準確，在變頻工況下工作，電機啟動電流小、轉(zhuǎn)速低、振動小，風量調(diào)節(jié)平穩(wěn)，潛在的附加經(jīng)濟效益不可*。
程海峰是太鋼煉鐵廠電氣作業(yè)區(qū)的點檢員，他也是在4號燒結(jié)機一從事巡檢工作的工程師，平常電氣室內(nèi)無人值守，只有另一名同事在中控室監(jiān)控。每天早上9點他準時到4燒變頻室一圈，檢查有無異常情況，已經(jīng)接近4年。
點檢員程海峰在向回訪的西門子服務工程師介紹變頻器工作狀態(tài)
邁入變頻室的大門，比想象得更為安靜和清爽。程工的喜悅溢于言表：“使用水冷大變頻，噪音小，沒有風冷的粉塵污染。同事們的工作量有所減輕，工作環(huán)境也有所改善，不用像3燒那樣頻繁的操作風門擋板。90%的現(xiàn)場數(shù)據(jù)在中控室就可以直觀顯示，維護量小，運行穩(wěn)定。”
“水冷變頻作為大型燒結(jié)風機的系統(tǒng)驅(qū)動，在大型鋼廠是*應用，吸引了多家企業(yè)前來太鋼取經(jīng)?？吹轿覀兊挠泄β屎妥冾l器水冷溫度，同行都非常贊嘆。”趙部長指著變頻室的人機界面說，“能效與時效本質(zhì)相同，只是很少有人意識到而已。”
4號燒結(jié)機的節(jié)能故事只是能源管理的一個縮影。它的意義在于，其實每一件事幾乎都有昂貴的和便宜的解決方法，但是經(jīng)濟性的事實卻往往被“迷霧”遮蓋。只有評估整個產(chǎn)品生命周期的能效，才能做出正確的決策。
能源對于重型工業(yè)來說，是巨大的費用因素。根據(jù)德國聯(lián)邦統(tǒng)計局2008年的數(shù)據(jù)顯示，能耗在德國各個行業(yè)整個生命周期的成本中占據(jù)很高比例，如鋁業(yè)的能耗占57%，水泥占47%，鋼鐵占36%，制漿造紙占29%，基礎化工占27%。對于電氣傳動系統(tǒng)，能源消耗至少占到生命周期成本的80%。
在太鋼構(gòu)建資源節(jié)約型企業(yè)過程中，通過使用西門子變頻驅(qū)動解決方案、全集成自動化、奧鋼聯(lián)*的鋼鐵工藝等，保障產(chǎn)量年年增長，耗能卻逐年遞減。太鋼總經(jīng)理高祥明先生談到：“2011年與2005年相比，太鋼噸鋼綜合能耗下降22.9%；噸鋼新水消耗下降91%；二次能源年回收占總能耗的45%以上，達到行業(yè)優(yōu)秀水平。”
這就是太鋼與西門子共同制造的奇幻魔術(shù)。在一連串數(shù)字的背后，真實可感的是能耗的減少和環(huán)境的改善。鐵水奔流，風云靜好?，F(xiàn)在的太鋼廠區(qū)，金屬質(zhì)感的廠房間點綴著綠樹碧草，成為一座名副其實的現(xiàn)代化花園式工廠。
西門子正在努力幫助千百個像太鋼這樣的企業(yè)，實踐綠色工業(yè)。西門子東北亞區(qū)工業(yè)業(yè)務領域總裁吳和樂博士說：“除了需要在設備層面有節(jié)能的風范，比如高效電機、變頻器等，要把眼光放遠，跨越產(chǎn)品設計、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)實施以及服務的整個生命周期，實現(xiàn)節(jié)能。”西門子的節(jié)能產(chǎn)品與解決方案、能源管理咨詢、節(jié)能改造服務，合同能源管理以及融資租賃服務，將工業(yè)企業(yè)的節(jié)能夢想變?yōu)楝F(xiàn)實。
現(xiàn)代化花園式工廠——太鋼
由8變3，是一個開端，也是一個宣言。站在創(chuàng)新科技的舞臺，太鋼與西門子將攜手合作、迎風而立，繼續(xù)施展將能效數(shù)字由腐朽變神奇的魔術(shù)，創(chuàng)造鋼鐵未來的科技感性時代！
西門子操作員面板使用“趨勢視圖”以曲線的形式顯示變量變化的趨勢。趨勢類型中“觸發(fā)的實時循環(huán)”用于顯示變量的實時曲線，面板掉電后曲線就會丟失。“數(shù)據(jù)記錄”用于顯示數(shù)據(jù)記錄文件中歷史數(shù)據(jù)的曲線。“觸發(fā)的緩沖區(qū)位”和“實時位觸發(fā)”都可以將PLC 中連續(xù)地址區(qū)中的數(shù)據(jù)通過趨勢視圖以曲線的形式輸出。“實時位觸發(fā)”用于觸發(fā)顯示一段連續(xù)地址區(qū)中的數(shù)據(jù)，“觸發(fā)的緩沖區(qū)位”可以切換顯示兩段連續(xù)地址區(qū)中的數(shù)據(jù)。下面以“觸發(fā)的緩沖區(qū)位”為例介紹配置方法。
在趨勢類型中選擇“觸發(fā)的緩沖區(qū)位”后，“源設置”如圖1所示。
圖1
其中，“過程值”和“緩沖區(qū)變量”為PLC 中連續(xù)地址區(qū)中的數(shù)組變量，如DB1和DB2的DBB0到DBB9。
? “趨勢傳送1”用于觸發(fā)顯示連續(xù)地址區(qū)“過程值”中的數(shù)據(jù)曲線；
? “趨勢傳送2”用于觸發(fā)顯示連續(xù)地址區(qū)“緩沖區(qū)變量”中的數(shù)據(jù)曲線。
“趨勢請求”僅起顯示作用，取決于“位”的設定值，同時決定了“趨勢傳送1”和“趨勢傳送2”的數(shù)據(jù)格式。“位”直接定義了“趨勢請求”的數(shù)據(jù)格式：
? “位”設置為0，“趨勢請求”顯示為二進制1，十六進制0001；
? “位”設置為1，“趨勢請求”顯示為二進制10，十六進制0002；
? “位”設置為2，“趨勢請求”顯示為二進制100，十六進制0004；
? “位”設置為3，“趨勢請求”顯示為二進制1000，十六進制0008；
? “位”設置為4，“趨勢請求”顯示為二進制10000，十六進制0010。
而“趨勢傳送1”和“趨勢傳送2”為了觸發(fā)對應的數(shù)據(jù)曲線，必須與“趨勢請求”的數(shù)據(jù)格式保持*，并將高位（即第15位）置1：
? “趨勢請求”顯示為十六進制0001，觸發(fā)要求“趨勢傳送1/2”為十六進制8001；
? “趨勢請求”顯示為十六進制0002，觸發(fā)要求“趨勢傳送1/2”為十六進制8002；
? “趨勢請求”顯示為十六進制0004，觸發(fā)要求“趨勢傳送1/2”為十六進制8004；
? “趨勢請求”顯示為十六進制0008，觸發(fā)要求“趨勢傳送1/2”為十六進制8008；
? “趨勢請求”顯示為十六進制0010，觸發(fā)要求“趨勢傳送1/2”為十六進制8010。
當趨勢請求功能正確執(zhí)行后，對應連續(xù)數(shù)據(jù)區(qū)的曲線會顯示在“趨勢視圖”中，同時，“趨勢傳送1”和“趨勢傳送2”會自動復位為0。
1. 創(chuàng)建變量
? area1為字節(jié)類型數(shù)組，長度10，起始地址DB1.DBB0
? area2為字節(jié)類型數(shù)組，長度10，起始地址DB2.DBB0
? request 數(shù)據(jù)類型為WORD，地址MW200
? trans1數(shù)據(jù)類型為WORD，地址MW202
? trans2數(shù)據(jù)類型為WORD，地址MW204
圖2
在畫面中添加 IO域分別顯示變量 request, trans1和trans2，注意：“顯示格式”設置為十六進制，如圖3所示。
圖3
2. 設置趨勢視圖參數(shù)
打開趨勢視圖屬性“時間軸”，軸模式：點；值的數(shù)目：10，必須與定義的數(shù)組長度保持*，如圖4所示。
圖4
3. 設置趨勢曲線的屬性
在趨勢屬性中選擇趨勢類型“觸發(fā)的緩沖區(qū)位”后，采樣點為10，其他參數(shù)如圖5所示。
圖5
4. 激活運行系統(tǒng)
通過 PLCSIM 可以模擬 DB1.DBB0-- DB1.DBB9 和DB2.DBB0—DB2.DBB9 中的數(shù)據(jù)，如圖6所示。
這樣，激活運行系統(tǒng)后，由于趨勢傳送“位”設置為 4，趨勢請求變量 request 顯示為十六進制 0010。通過為觸發(fā)變量 trans1/ trans2 賦值十六進制 8010 ，可以分別顯示DB1或DB2中的數(shù)據(jù)曲線。
圖6
圖7
一、應用概述
這個應用可以不使用SIMATIC S7系列PLC，只利用HMI設備如MP370/TP170 B來控制MM440變頻器的運行控制和監(jiān)控。
這一應用要求變頻器帶有Profibus-DP通訊模板，所有后數(shù)字位為7的SIMATIC OP/TP ，MP， TD都可以做為2類主站實現(xiàn)這個功能。（IF1B接口）。
本例采用的是：
硬件設備：MM440＋Profibus模板 MP370屏
軟件環(huán)境：WinCC Flexible 2007
任何時候MP370都只能控制一臺MM440，所以變頻器外圍應該設置急停電路來實現(xiàn)緊急情況下的變頻器停車。
急停電路應該由急停開關(guān)（常閉接點）、自閉鎖的繼電器/接觸器和確認按鈕構(gòu)成。當急停時，自閉鎖的繼電器/接觸器斷開，數(shù)字輸入端的接入電平為0V，當急停按鈕被釋放，必須要按確認按鈕以使繼電器接觸器重新自閉鎖，這時數(shù)字輸入端才能重新接入+24V高電平。
出于安全原因，不允許將急停開關(guān)直接接到數(shù)字輸入端。當急停開關(guān)被釋放，變頻器可以立即上電。
二、功能描述
Micromaster 440變頻器可以不用SIMATIC S7，而直接通過ProTool / WinCC Flexible進行簡單控制和狀態(tài)顯示。
在MP370屏的功能界面完成驅(qū)動的設置定義，參數(shù)通過MP370設定值的輸入/輸出變量傳給變頻器，寫控制字或讀取狀態(tài)字來控制變頻器或顯示變頻器狀態(tài)。相對于MP 370，MM440充當了SIMATIC S7控制器的角色。
三、操作步驟：
1.設置MM440的DP地址，在屏的control panelTransfer菜單中設置其地址與通訊速率。使用DP電纜連接MM440 的DP接口與屏的IF 1B接口。
2.建立新的項目，選擇正確的屏和設備版本
3. 新建連接。所建連接類型為SIMATIC S7 300/400，屏的接口為IF 1B，需要注意的是此處的PLC設備就是帶有Profibus-DP模板的MM440變頻器，DP地址即為撥碼開關(guān)或P918所設的地址。
4. 建立變量。用DB塊指示變頻器的各個參數(shù)，根據(jù)變頻器個參數(shù)是U32或者U16在建立變量時為其選擇正確的數(shù)據(jù)類型。在變量地址選擇時DB號為變頻器的參數(shù)號，DB塊中起始位置表示的變頻器參數(shù)的index值，如要對P1121.0進行讀寫，則變量的地址應為DB1121 DBD0。
5.創(chuàng)建畫面。通過拖動工具欄中的對象在畫面上合理布局需要顯示的各個變量，將I/O域連接相應變量，注意顯示格式。在畫面設計時應注意添加“退出”按鈕，并將單擊事件設為“stop run time”。
6、寫B(tài)I類型的參數(shù)時，因為變頻器進行的BICO連接，數(shù)據(jù)類型為U32型，但它實際得到的值是0/1信號，但在Flexible中只能定義數(shù)據(jù)類型為DInt型，而不能定義為Bool型，否則為無效數(shù)據(jù)格式。在進行對BI進行寫操作時，系統(tǒng)將0做為0，將65536即2的17次方做為1。
7、變頻器的起/停通過自由功能塊完成，在變頻器應激活自由功能塊功能及相應使用的自由功能塊，本例使用邏輯塊，同理也可以使用定時器、比較器等來實現(xiàn)這一功能。激活自由功能塊，設置P2810.1=1，AND1的輸出r2811連接到P840。在屏的組態(tài)中建立變量DB2810 Dint型，定義按鈕“ON”的單擊事件為給AND1 P2810賦值為65536即1，按鈕“OFF”的單擊事件為為P2810賦值為0。在屏的組態(tài)中建立變量DB2889 Real型，對變頻器參數(shù)P2889進行讀寫，并將2889連接到P1070做為變頻器的頻率給定值，注意通過P2889設定的頻率值是以百分數(shù)來顯示的。
8、編譯并下載。選擇正確的通訊方式和站地址。若提示設備版本不正確，需進行OS升級。
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