变频传动系统的现状及发展趋势

      过去，大型传动系统都依赖于进口，由国外大公司提供（如：ABB工程部、西门子工程部等）。随着技术的发展，各大公司相继推出更加成熟和完善的工控产品，极大地提高控制系统软、硬件的性能，系统的复杂程度大大降低，系统设计应用也变得简单。良好的设计平台使系统设计者可以把更多的精力放在应用软件的设计上。同时国内从事自动化控制的研究机构及人员不断增加，吸收和消化*进技术，大型传动系统将逐渐实现国产化。
目前，不论是国外传动公司还是国内传动公司，对传动控制系统大都采用三级控制模式。下面就传动系统的控制系统结构及国内外传动公司的传动系统组成加以讨论。
1  典型传动控制系统结构
典型传动控制系统采用三级控制结构，由上位机、PLC和变频传动级组成。
1.1  传动系统*级为变频控制级，高性能变频器有公司配有闭环控制编码器反馈板，组成闭环控制系统。变频器上还配有现场总线通讯板，与上位PLC高速通讯组成现场总线控制网络。
传动系统电源供电方式可以有两种：一种是采用交流母线供电，利用变频器组成系统；另一种是采用直流母线供电，利用逆变器组成系统。
交流母线供电传动系统采用变频器，由于变频器的整流部分为不可逆单元，所以变频器只能工作在1、3象限，不可以制动发电。变频器之间相互独立，简单可靠，故障率低，而且系统故障分散，易于维护。另外其价格比公共直流母线系统低20％左右。
公共直流母线传动系统采用逆变器，需要一个大的整流单元提供电源。整流单元输出直流电供给逆变器。对每个逆变器来说，输入电源为直流电，可以四象限运行，既可以电动又可以制动。
目前整流单元按照选择的元器件可以分为DSU（Diode Supply Units）、TSU（Thyristor Supply  Units）、ISU（IGBT Supply Units）。
DSU为二极管不可逆整流单元，因为其成本低，所以目前大多数纸机传动系统都采用这种供电系统。另外其技术含量低，国内有不少公司可以自己制作这种电源系统。所以在选择这种电源的传动系统时，必须注意电源单元的公司、产地和型号。另外DSU单元必须配有制动单元，因为DSU的不可逆性，当全线紧急停车时会引起直流电压升高，配制动斩波器可以有效保护DSU单元。
TSU可以组成可逆单元，但需要两组桥，正组用于整流，反组用于逆变，其成本是DSU的两倍多。而且在电网质量不高时需要增加自藕变压器，以防止逆变颠覆导致系统崩溃。TSU一般多用于具有大转动惯量的传动系统。
ISU采用IGBT作为功率元件，为可逆整流单元。其技术含量zui高，可以提高电网的功率因数，对电网产生的谐波很少，但其价格比较高。
        DSU,TSU,ISU又可以组成6脉波、12脉波、24脉波等工作方式，采用12脉波、24脉波可以有效抑制整流产生的高次谐波，降低谐波对电网的污染。
大型传动系统的功率一般都比较大，几千千瓦甚至上万千瓦，所以应该采用公共直流母线，一般会选择12脉波的工作方式，以降低变频系统的谐波。公共直流母线与交流母线相比zui大的优点是传动点可以四象限运行，降低系统的谐波。
1.2  传动系统第二级为PLC控制系统，PLC采用大型PLC，要求支持高速现场总线功能。操作台控制选用操作屏，PLC与操作屏组成现场总线控制网络，完成整个设备的操作控制。
1.3  传动系统第三级为上位优化控制系统，采用工业控制计算机，用于整个传动系统状态监控。上位机一般采用组态软件，可以通过工业以太网与其他工程师站、车间管理级、厂级管理级等联网控制，实现传动控制系统优化控制和自动控制。
2  国内外各公司传动系统现状
国内外各传动公司大都采用标准三级控制模式，系统的差别在于选择不同的软件系统和硬件系统，目前占据我国大型传动系统*zui多的公司为ABB和西门子公司。因此本文重点分析国外这两大公司和国内使用其产品的国内传动公司。
2.1  西门子公司传动系统
西门子公司采用*的标准三级控制模式，其所有的软、硬件都采用该公司产品。
*级：变频控制级。大型变频控制系统采用SIEMENS公司6SE70系列变频器，配有闭环控制编码器反馈板，组成闭环控制系统。变频器上还配有PROFIBUS-DP通讯板与上位PLC组成PROFIBUS-DP现场总线控制网络。
第二级：PLC控制操作系统。大型变频控制系统中PLC一般采用西门子公司的S7-300,S7-400系列PLC, S7-300, S7-400PLC都支持高速的PROFIBUS现场总线，通讯速度zui高可以达到12Mb·s-1。现场操作控制可以采用HMI系统，如：OP270,TP370等等。PLC与HMI、变频器采用PROFIBUS-DP通讯方式。
西门子PLC具有良好的设计平台STEP7编程软件，可以方便地组态配置PROFIBUS-DP现场总线网络，系统配置完成后，通讯数据自动完成交换。用户可以不必知道PROFIBUS-DP通讯的具体细节，就可以设计组态系统，大大降低对系统设计者的要求。
第三级：监控级。监控系统采用SIEMENS公司WINCC监控系统作为工程师站和操作员站。与其他控制系统通过Ethernet网络，实现系统优化控制和自动控制。
2.2  ABB公司传动系统
ABB公司采用类似标准三级控制模式，其所有的软、硬件都采用该公司产品。变频器采用ACS800 Multi Drive产品，PLC采用AC80控制器，每个AC80控制器通过光纤分配器与不多于12台变频器通过光纤通讯。当控制传动分部超过12台变频器时，采用多个AC80并联控制，各台AC80又通过AF 100总线连接通讯。AC80再与上位机通过MODBUS连接。操作站采用ABB G2000操作屏，通过MODBUS与AC80相连。完成现场操作控制功能。
ABB公司的控制系统类似标准三级控制模式，其多个AC80控制器与AF100总线相当于西门子的S7-400 PLC，但它属于多CPU形式，另外其与变频器采用并行光纤通讯，不同于西门子的PROFIBUS-DP现场总线，通讯速度快，系统结构比较复杂。