仇 烈 倪 松

一、概述

上海通用汽車有限公司南廠油漆車間供排風(fēng)系統(tǒng)提供油漆噴涂區(qū)域穩(wěn)定可控的垂直風(fēng)速及足夠通風(fēng)量。油漆噴涂生產(chǎn)線的運(yùn)行模式為連續(xù)生產(chǎn)，車輛保持固定間距由輸送鏈帶動(dòng)在生產(chǎn)線上不間斷運(yùn)行，機(jī)器人及手工噴涂相結(jié)合，完成車輛噴涂工序，供排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)備可靠性是油漆工藝順利進(jìn)行的決定性因素之一。一條完整的噴涂生產(chǎn)線由若干個(gè)噴涂單元串聯(lián)組成，任何一個(gè)噴涂單元無(wú)法正常工作將立即導(dǎo)致整條生產(chǎn)線停產(chǎn)。噴涂單元由供風(fēng)機(jī)組、充氣室、噴涂室、廢氣水洗系統(tǒng)及排風(fēng)機(jī)組成。供風(fēng)機(jī)組位于最高位置16m樓層，主要部件是兩臺(tái)并列的75kW軸流風(fēng)機(jī)，通過(guò)管道及充氣室與噴涂室相連。噴涂室位于6m樓層，是進(jìn)行車輛噴涂工作的主要區(qū)域。排風(fēng)機(jī)及廢氣水洗系統(tǒng)位于0m樓層位置，主要功能是先將空氣中的油漆懸浮顆粒通過(guò)循環(huán)水床加以分離，隨后將不含油漆的廢氣排出車間。各單元的排風(fēng)機(jī)為110～200kW單臺(tái)離心式風(fēng)機(jī)。為便于調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)量，噴涂生產(chǎn)線供排風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)機(jī)全部由西門子MM440系列變頻器驅(qū)動(dòng)，控制方式為帶拋物線特性的V/F控制。MM440變頻器作為從站，通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線接受西門子S7 PLC遠(yuǎn)程控制。變頻器與S7 PLC間的通信模式為“PPO Type4，PZD-6/6”，即通過(guò)長(zhǎng)度為6個(gè)Word的I/O端口，將啟停信號(hào)、給定頻率，電流、電壓、扭矩等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行雙向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)交換。

二、存在的問題

由于系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)為單臺(tái)離心風(fēng)機(jī)，一旦出現(xiàn)故障無(wú)法正常排風(fēng)，生產(chǎn)將暫停。根據(jù)歷年區(qū)域設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)記錄，油漆車間噴涂生產(chǎn)線自2005年投產(chǎn)至今，僅出現(xiàn)1例大功率風(fēng)機(jī)電機(jī)故障，MM440系列變頻器相關(guān)故障引起的設(shè)備停機(jī)卻高達(dá)幾十例，累計(jì)損失生產(chǎn)時(shí)間550min，以生產(chǎn)線48輛/h的產(chǎn)能計(jì)算，損失產(chǎn)量達(dá)458輛。分析停機(jī)記錄發(fā)現(xiàn)，所有同類故障中最為高發(fā)的是AV01、AV02及AV03排風(fēng)機(jī)控制柜內(nèi)安裝的3臺(tái)變頻器，占變頻器類故障停機(jī)時(shí)間的47%。如AV01電氣柜獨(dú)立安裝的6SE 6440-2UD41-3GA1型MM440大功率變頻器，體積巨大，單臺(tái)重量達(dá)到170kg，布局緊湊，維修難度較大，維修人員更換1次變頻器需1h。進(jìn)一步分析變頻器故障搶修步驟（表1），發(fā)現(xiàn)耗時(shí)最長(zhǎng)的是步驟2～4，約占整個(gè)維修總時(shí)間的80%，因此減少這些步驟時(shí)間，就可將故障對(duì)生產(chǎn)的影響降至最低。

表1 大功率變頻器故障搶修步驟

三、變頻器冗余改造

1.改造方案

為消除搶修中耗時(shí)最長(zhǎng)的更換環(huán)節(jié)，改造方案設(shè)計(jì)目標(biāo)確定為變頻器現(xiàn)場(chǎng)冗余，故障后在最短時(shí)間完成變頻器現(xiàn)場(chǎng)快速切換。由于改造的 AV01、AV02、AV03等 3臺(tái)變頻器同屬M(fèi)M440系列，位置相鄰，控制方式及負(fù)載類型相同。從改造成本、操作便利性和適用范圍等3個(gè)方面論證后，最終決定采用變頻器一備三方案，即在原變頻器柜旁安裝1臺(tái)變頻器，在生產(chǎn)中任意一臺(tái)變頻器發(fā)生故障，維修人員確認(rèn)變頻器失效后可立即通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單步驟切換備用變頻器，替代故障變頻器驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，快速恢復(fù)以滿足生產(chǎn)要求。

2.主要部件選型

AV01、AV02、AV03等3臺(tái)變頻器拋物線特性下功率分別是160kW、200kW和110kW，與負(fù)載電機(jī)功率一致。按照變頻器選型原則及備件庫(kù)存優(yōu)化策略，選擇6SE 6440-2UD41-6GA1型MM440變頻器作為備用變頻器，200kW的額定功率足以滿足任意一臺(tái)變頻器替代需要。而且該變頻器型號(hào)與AV02所用相同，改造項(xiàng)目使用庫(kù)存的修復(fù)件即可，無(wú)需另外購(gòu)置器件，可節(jié)約數(shù)萬(wàn)元的改造資金。

3.控制總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴(kuò)展

相對(duì)于傳統(tǒng)的變頻器控制回路，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的DCS結(jié)合了最優(yōu)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)，使用標(biāo)準(zhǔn)化的Profibus總線通信，一方面精簡(jiǎn)了大量控制元器件和繁雜的現(xiàn)場(chǎng)配線，另一方面為系統(tǒng)的擴(kuò)展和改造帶來(lái)極大便利。

在總線控制系統(tǒng)下，網(wǎng)絡(luò)中所有作為從站的變頻器均必須有唯一的總線地址，為減少搶修時(shí)的重新接線工作，備用變頻器的總線已預(yù)先接駁。由于方案設(shè)計(jì)原理是1臺(tái)變頻器同時(shí)做為同網(wǎng)絡(luò)下3臺(tái)變頻器的后備，因此備用變頻器的總線地址無(wú)法預(yù)先確定。若將其設(shè)置成網(wǎng)絡(luò)中空余的從站地址，則需要修改S7 PLC硬件組態(tài)，而且容易在現(xiàn)場(chǎng)搶修中造成操作人員混淆。直接設(shè)置成重復(fù)的從站地址，則更可能由于網(wǎng)絡(luò)中的地址沖突造成局部甚至全網(wǎng)絡(luò)的通信故障，從而使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。為此利用西門子RS485 REPEATER總線放大器的網(wǎng)段擴(kuò)展功能，在AV03控制柜內(nèi)原先兩個(gè)從站間安裝REPEATER，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使備用變頻器做為額外的網(wǎng)段加入總線網(wǎng)絡(luò)中，只有在需要時(shí)才啟用。

西門子 RS485 REPEATER（6ES7 972-0AA01-0XA0）具有A1/B1、A1＇/B1＇、A2/B2、A2＇/B2＇四組 Profibus總線接口（圖 1）和兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端電阻（Terminal resistor），其中 A1/B1 和 A1＇/B1＇分別是總線網(wǎng)段1（Segment1）的接入端和接出端。圖1中終端電阻 1 屬于 Segment1，當(dāng) A1＇/B1＇端口不使用時(shí)，必須撥至“ON”位置，啟用終端電阻1。A2/B2和 A2＇/B2＇同屬總線網(wǎng)段 2（Segment2），終端電阻2屬于總線網(wǎng)段 2（Segment2），啟用該終端電阻時(shí)，A2＇/B2＇端口被切斷，相應(yīng)的下屬?gòu)恼疽裁撾x整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

改造的網(wǎng)絡(luò)連接方式見圖2，首先將原Profibus總線電纜切斷分別接入REPEATER的A1/B1和A2/B2，同時(shí)啟用終端電阻1，由此原有Profibus總線單一網(wǎng)段被分為網(wǎng)段1和網(wǎng)段2。在A2＇/B2＇端口敷設(shè)新的Profibus總線，與備用變頻器總線通信板接駁。正常狀態(tài)下終端電阻2被撥至ON狀態(tài)啟用，備用變頻器雖然物理上與網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)際總線通信中并不存在于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需修改S7 PLC的硬件組態(tài)，控制功能方面與改造前一致，沒有任何影響。當(dāng)變頻器發(fā)生故障，需要切換時(shí)，只需將終端電阻2撥至OFF，備用變頻器所在的網(wǎng)段2可立即加入整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，與PLC進(jìn)行正常數(shù)據(jù)交換，接受控制。

4.硬件回路

一次回路結(jié)構(gòu)原理見圖3，在原變頻器電源側(cè)和電機(jī)側(cè)加裝兩套主用隔離開關(guān)，同時(shí)再并聯(lián)兩套備用隔離開關(guān)。正常工作時(shí)主用開關(guān)閉合，備用開關(guān)斷開，工作電流流經(jīng)主接觸器→電抗濾波器→主用電源側(cè)開關(guān)→主用變頻器→主用電機(jī)側(cè)開關(guān)→風(fēng)機(jī)電機(jī)。切換至備用變頻器時(shí)，斷開主用開關(guān)，閉合備用開關(guān)，工作電流流經(jīng)主接觸器→電抗濾波器→備用電源側(cè)開關(guān)→備用變頻器→備用電機(jī)側(cè)開關(guān)→風(fēng)機(jī)電機(jī)。由于改造方案設(shè)計(jì)前提是同一時(shí)刻僅有1臺(tái)變頻器故障，因此將三組備用回路并聯(lián)，就可實(shí)現(xiàn)一備三的改造目的，在變頻器容量和電纜載流量允許條件下，系統(tǒng)甚至可達(dá)到一備N的冗余效果。

改造前變頻器控制系統(tǒng)還接有來(lái)自電機(jī)的熱敏電阻及Profibus通信板工作所需DC 24V電源，要實(shí)現(xiàn)快速替代，必須同時(shí)將這兩組接線切換至備用變頻器。線路設(shè)計(jì)見圖4，選用5芯快速插頭，方便快速切換這兩組線路至所需運(yùn)行變頻器，同時(shí)還具有指示燈功能，提示現(xiàn)場(chǎng)人員備用變頻器是否啟用。

四、改造效果

改造完成后分別使用備用變頻器替代工藝編號(hào)為AV01，AV02，AV03的3臺(tái)MM440變頻器進(jìn)行功能驗(yàn)證。兩名維修人員完成單次切換全部步驟僅耗時(shí)10min，切換過(guò)程中可保持PLC同原網(wǎng)絡(luò)中其他從站通信不中斷，工藝設(shè)備持續(xù)自動(dòng)運(yùn)行。上電實(shí)測(cè)通過(guò)人機(jī)界面讀取到備用變頻器在50Hz設(shè)定頻率下的扭矩值、電流值見表2，備用變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)與原變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)一致，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，通過(guò)快速切換為備用變頻器的方式（搶修時(shí)間從60min縮短為10min），可100%替代原先3臺(tái)變頻器中任意一臺(tái)，同時(shí)還避免了搶修中搬運(yùn)、安裝重物發(fā)生的意外事故。

表2 備用變頻器測(cè)試數(shù)據(jù)記錄

此次改造充分運(yùn)用Profibus總線控制的優(yōu)勢(shì)，實(shí)踐驗(yàn)證了大功率變頻器一備N方案的可行性。若設(shè)備設(shè)計(jì)階段就采用類似方案，優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)布局，安裝接觸器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，則可在較低成本下提高噴涂生產(chǎn)線的設(shè)備可靠性，為油漆車間的設(shè)備規(guī)劃開拓了全新思路。

1（德）韋格曼等.西門子PROFIBUS工業(yè)通信指南.人民郵電出版社，2007年4月

2 孟曉芳等.西門子系列變頻器及其工程應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，2008年6月

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