變頻傳動系統的現狀及發展趨勢

      過去，大型傳動系統都依賴于進口，由國外大公司提供（如：ABB工程部、西門子工程部等）。隨著技術的發展，各大公司相繼推出更加成熟和完善的工控產品，極大地提高控制系統軟、硬件的性能，系統的復雜程度大大降低，系統設計應用也變得簡單。良好的設計平臺使系統設計者可以把更多的精力放在應用軟件的設計上。同時國內從事自動化控制的研究機構及人員不斷增加，吸收和消化*進技術，大型傳動系統將逐漸實現國產化。
目前，不論是國外傳動公司還是國內傳動公司，對傳動控制系統大都采用三級控制模式。下面就傳動系統的控制系統結構及國內外傳動公司的傳動系統組成加以討論。
1  典型傳動控制系統結構
典型傳動控制系統采用三級控制結構，由上位機、PLC和變頻傳動級組成。
1.1  傳動系統*級為變頻控制級，高性能變頻器有公司配有閉環控制編碼器反饋板，組成閉環控制系統。變頻器上還配有現場總線通訊板，與上位PLC高速通訊組成現場總線控制網絡。
傳動系統電源供電方式可以有兩種：一種是采用交流母線供電，利用變頻器組成系統；另一種是采用直流母線供電，利用逆變器組成系統。
交流母線供電傳動系統采用變頻器，由于變頻器的整流部分為不可逆單元，所以變頻器只能工作在1、3象限，不可以制動發電。變頻器之間相互獨立，簡單可靠，故障率低，而且系統故障分散，易于維護。另外其價格比公共直流母線系統低20％左右。
公共直流母線傳動系統采用逆變器，需要一個大的整流單元提供電源。整流單元輸出直流電供給逆變器。對每個逆變器來說，輸入電源為直流電，可以四象限運行，既可以電動又可以制動。
目前整流單元按照選擇的元器件可以分為DSU（Diode Supply Units）、TSU（Thyristor Supply  Units）、ISU（IGBT Supply Units）。
DSU為二極管不可逆整流單元，因為其成本低，所以目前大多數紙機傳動系統都采用這種供電系統。另外其技術含量低，國內有不少公司可以自己制作這種電源系統。所以在選擇這種電源的傳動系統時，必須注意電源單元的公司、產地和型號。另外DSU單元必須配有制動單元，因為DSU的不可逆性，當全線緊急停車時會引起直流電壓升高，配制動斬波器可以有效保護DSU單元。
TSU可以組成可逆單元，但需要兩組橋，正組用于整流，反組用于逆變，其成本是DSU的兩倍多。而且在電網質量不高時需要增加自藕變壓器，以防止逆變顛覆導致系統崩潰。TSU一般多用于具有大轉動慣量的傳動系統。
ISU采用IGBT作為功率元件，為可逆整流單元。其技術含量zui高，可以提高電網的功率因數，對電網產生的諧波很少，但其價格比較高。
        DSU,TSU,ISU又可以組成6脈波、12脈波、24脈波等工作方式，采用12脈波、24脈波可以有效抑制整流產生的高次諧波，降低諧波對電網的污染。
大型傳動系統的功率一般都比較大，幾千千瓦甚至上萬千瓦，所以應該采用公共直流母線，一般會選擇12脈波的工作方式，以降低變頻系統的諧波。公共直流母線與交流母線相比zui大的優點是傳動點可以四象限運行，降低系統的諧波。
1.2  傳動系統第二級為PLC控制系統，PLC采用大型PLC，要求支持高速現場總線功能。操作臺控制選用操作屏，PLC與操作屏組成現場總線控制網絡，完成整個設備的操作控制。
1.3  傳動系統第三級為上位優化控制系統，采用工業控制計算機，用于整個傳動系統狀態監控。上位機一般采用組態軟件，可以通過工業以太網與其他工程師站、車間管理級、廠級管理級等聯網控制，實現傳動控制系統優化控制和自動控制。
2  國內外各公司傳動系統現狀
國內外各傳動公司大都采用標準三級控制模式，系統的差別在于選擇不同的軟件系統和硬件系統，目前占據我國大型傳動系統*zui多的公司為ABB和西門子公司。因此本文重點分析國外這兩大公司和國內使用其產品的國內傳動公司。
2.1  西門子公司傳動系統
西門子公司采用*的標準三級控制模式，其所有的軟、硬件都采用該公司產品。
*級：變頻控制級。大型變頻控制系統采用SIEMENS公司6SE70系列變頻器，配有閉環控制編碼器反饋板，組成閉環控制系統。變頻器上還配有PROFIBUS-DP通訊板與上位PLC組成PROFIBUS-DP現場總線控制網絡。
第二級：PLC控制操作系統。大型變頻控制系統中PLC一般采用西門子公司的S7-300,S7-400系列PLC, S7-300, S7-400PLC都支持高速的PROFIBUS現場總線，通訊速度zui高可以達到12Mb·s-1。現場操作控制可以采用HMI系統，如：OP270,TP370等等。PLC與HMI、變頻器采用PROFIBUS-DP通訊方式。
西門子PLC具有良好的設計平臺STEP7編程軟件，可以方便地組態配置PROFIBUS-DP現場總線網絡，系統配置完成后，通訊數據自動完成交換。用戶可以不必知道PROFIBUS-DP通訊的具體細節，就可以設計組態系統，大大降低對系統設計者的要求。
第三級：監控級。監控系統采用SIEMENS公司WINCC監控系統作為工程師站和操作員站。與其他控制系統通過Ethernet網絡，實現系統優化控制和自動控制。
2.2  ABB公司傳動系統
ABB公司采用類似標準三級控制模式，其所有的軟、硬件都采用該公司產品。變頻器采用ACS800 Multi Drive產品，PLC采用AC80控制器，每個AC80控制器通過光纖分配器與不多于12臺變頻器通過光纖通訊。當控制傳動分部超過12臺變頻器時，采用多個AC80并聯控制，各臺AC80又通過AF 100總線連接通訊。AC80再與上位機通過MODBUS連接。操作站采用ABB G2000操作屏，通過MODBUS與AC80相連。完成現場操作控制功能。
ABB公司的控制系統類似標準三級控制模式，其多個AC80控制器與AF100總線相當于西門子的S7-400 PLC，但它屬于多CPU形式，另外其與變頻器采用并行光纖通訊，不同于西門子的PROFIBUS-DP現場總線，通訊速度快，系統結構比較復雜。