各流派变频器“软”比较,“无忌”谈(二)

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            各流派变频器“软”比较,“无忌”谈(二)

                                   雅各宾 2016-5-9

       最近经常看爱奇艺的《晓松奇谈》等综艺节目，而2012年这档节目就叫《晓说》，英译为《Morning Call》。看着屏幕上那个同样叫Morning的胖子轻松地摇一把折扇跨界而来，用野史击败了正史。油然而如上期所说：“坐观垂钓者，徒有羡鱼情”！

       可仔细一想，作为华人工控的一员，我坐观列强垂钓于中国市场已有N年。我们笑过师夷长技以制夷的英发少年，我们骂过“市场换技术”的刘志军，我们叹惜过中控的褚健湿鞋落马，我们总被德国忽悠着走进从理想到技术的乌托邦。如今对美德的羡艳已成粉丝经济，产品仿制、思维效颦已达饱和。当我们切齿的人真的倒下了，才发现他才是结网者，而我不过是键盘侠！

今天聊下美国罗克韦尔（以下作为美国罗克韦尔或叫RA：Rockwell Automation的简称）变频器的《断章》。依我的性格，绝不耐烦把东西写成用户手册的复印件，如袁腾飞、高晓松等人的风格，甚至郭德纲、沈腾的口彩……那是我想做却做不到的。

年前，有一前ACIG（罗克韦尔PLC事业部）资深顾问席间评论道：罗克韦尔的大型PLC，那真是仙品；变频器，就是一堆垃圾！我那么尊重这些老大们的人禁不住反驳：AB的变频器可不是垃圾。他的薄弱和强大同样突出，如果说谁能代表美国的变频器：那一定是AB。

AB＝Allen-Bradley,比ABB的阿西亚－布朗－勃法瑞，少了一个B。别笑，这一个B岔出了欧美的巨大鸿沟。AB品牌属于RA，RA旗下在2012年前还有4个品牌。也别笑话RA搞出那么多品牌，难道嫌自己名气太大？是因为早年间RA是蚂蚁吃了AB这个大象。在RA内部ACIG和Power Control（原来的DSY，DST）是两大暗中较劲的产品事业部，与变频器门户最近的伺服归入ACIG。软起动器归入ICG，ICG同时还管着低压开关，传感器等其它39万多种产品。中压变频器（1KV－6KV）归入MV部门。人道是远交近攻，ACIG的人跟后合作的CISCO交换机眉来眼去，却对宿敌AB变频器横加贬低，倒也不奇怪。在RA的销售排行榜上，PLC的销售额总是变频器的2－3倍，而且不少变频器是PLC带出来的生意。所以AB的变频宝宝心里苦啊！

另外，AB的变频器确实有一样不好：过载能力不强！AB的额定功率都是按一般负载（过载1.1倍额定电流每分钟）来规定的。如果用在罗茨风机，矿山水泥下运皮带，离心压缩机等，必须要升档，甚至不只升一档，再对照AB和日系变频器的巨大价格差。AB的PLC在12.8万点的大型机市场份额很高，在Intel,中芯国际等电子大项目，利乐、GEA等乳业项目，圣戈班玻璃，3M，开利空调，市政项目等基本标配，不用设计院很不放心。很多时候用户抄美国的设备，美国在科技界的垄断地位，让竞争者只有跟随。变频器是从属的下位机，纵使确有特色，也不过是现场总线上一个数据结构而已。所以ACIG的人说变频器是“蛋散”，PC的人未必能反驳。

但刨去Powerflex4系列台达代工的产品不说，PowerFlex7系的固件（固化软件firmware）的确做得好。我说过我不讲硬件。但对于AB，他的手操面板是软件的一个药引子：





AB的手操面板是上图左下的计算器型面板为标配。这可能是目前市面上所有变频器标配面板里最复杂的：这种面板的坏处是价格贵，好处很多：输入参数不必一位位移动和加减数值，可以直接按数字输入。另外，此面板左下角的ALT键可以激活其它键旁的隐含功能，最有用的就是ALT+Param#（最下右二键）组合，可以直接在对话框中输入参数号。如果你对AB的PF7系列足够熟悉，或者手里有一份拟好的参数表，你可以直接输入参数号，回车输入参数值，任何菜单层级都可以不理。这就引出了AB变频器第一个特点，多种交叉索引的参数查找和排列方式。

不只变频器的参数固件，连AB的说明书PDF版里都充满了索引和链接跳转。在PF7系列工程变频器的手册里，参数描述总是放在第三章。你点击索引的第四章再向前翻两页，你会发现By name:用参数名首字母排序方式罗列的参数和By number:按参数号排列的全部参数检索方式，而每个参数后有蓝色的页码，点击页码，立即跳到该参数的描述。AB的变频参数是全部展开式的，象在多数变频器一样，默认也是按file(文件夹)－Group(参数组)－Parameter(参数)三级排列的。





以上排列方式很象欧洲和日韩的变频器参数结构。但如果技止于此AB变频器就辜负了那么强大一个手操器。当你使用ALT+SEL/View组合键时，全部参数可按参数号排列。据说美国大学里非常重视文章的目录和索引，AB变频器的特点充分体现了美式的索引风格。但由此也带来了惰政：AB变频器非常不愿意为客户的要求而改变，哪怕只是改动一个端子的定义。估计是害怕大量的索引工作和破坏了参数排列的严整和美感吧？

举个例子：用PF40做织物摸边机。对变频器的要求是紧密自动寻找布草的边缘，要求变频器上电自动起动，自动跟踪运行。但设好A094的start at power up,并且把P036的start source起动源定义为第3选项“2 W level senS”二线制传感型。打好算盘，起动触点为一个光电传感器提供，遮光停止，过光运行。谁知上电后，传感器过光，触点天然接合，但电机不动。只有用手遮一下光，给个上升沿信号，变频器才起动。就这点事儿请美国人改，就是不改。

AB的文件夹和参数组里，某些参数是可以重复出现的。这样就尊重了工程师思维的完整性。把196号参数设成advance高级，所有参数一览无余。电机铭牌数据、控制算法选择、转矩/速度控制方式、最大速度、最大频率都在电机控制夹里；监视夹里可以看到模拟量输入的电压或电流值，这样就省掉了用表量的麻烦；自诊断在工具夹里；端子定义在输入输出夹里。一目了然，合乎习惯。

而位参数的使用让参数简化且功能多样。在AB的通讯夹里，有一组参数叫mask&owner屏蔽和主权，这里面大量的位参数，可以屏蔽逻辑位，方向位，起动位，DPI（设备1－5接口）位等。比如变频控制水泵工作，端子控制，防止手操器键盘误触发，电机反转，就可以在方向屏蔽位设置面板功能覆盖。简化了参数结构，让设置更简单。

AB变频器的很多参数设置了是否起作用，都有相应的参数作监视和反馈。比如你选择了起动和控制位置，213可以看速度源，214可以查看起动位是否被禁止。很多报警和故障也在监视参数的相应位有显示。

为了达到灵活应用的特点，AB的参数有121个可以相互作链接。比如可以把模拟量输入链接到加速时间，这样加速时间长短是可以受模拟量大小来控制的。

这链接有什么神奇的功用呢？我举个例子：大型水泥项目用在采石山和工厂间，或工厂到码头，或窑尾运送熟料用的长皮带机。我做过最长的一条是跟北重合作的，全长11.4KM。有三个传动点。由于皮带太长三个传动点分别相距5KM，这种传动的难点在于惯性强，延迟大。可能第一传动点变频器已经运行了20秒，第二传动点还没走呢，皮带有延展性。而且从机被主机拖曳行走的可能性很大，一旦发生从机被拖行，即使制动单元和电阻选得合适，也可能在20秒内发热烧坏。最危险的一台就是中间的传动点。硬件结构是这样的：三个电机800KW，690V。变频器一律重载1MW，690V，分别配Profibus DP通讯卡，三个变频器和PLC以光纤通讯连接。主机好办，主速度通过光纤送给2台从机，同时传送主机转矩。从机如何做好负荷分配？如果从机只做速度控制可能会堆带或被拖，造成制动损坏，且皮带被拉长报废。如果从机只做转矩控制，那么从机速度巨烈波动，很快就制动损坏。从机的控制方案要采取一种揉合速度控制和转矩微调的方案才稳妥。

首先，取主机速度同步发给2个从机，主机的转矩同时跟从机的转矩作比较，当从机转矩为负或小于主机转矩则增加从机速度。当从机转矩大于主机转矩则减少从机速度。主从机的转矩从通讯的LINKS链接给PID环的给定值和反馈值，再对PID输出作限定（TRIM），使其只能在±10HZ范围内调节。此输出值要叠加到主速度上去，也要使用链接的方法。再加上一些PLC的保护功能做为辅助，这样一条皮带就可正常工作了。这一切的基础是三台变频器的电机整定要做得特别好，且参数一致性好。当不同变频器间作参数COPY时，参数值可以复制，但链接不能复制。

对工程型变频器而言，参数之间自由链接，且能做一些条件判断，布尔计算都是基本功能。用户只要对AB的变频器深入了解，自己就能做出上述方案，无须用什么IEC61131.对PF755，本机已经可以编程。早一点的PF700S，要扩展一块drivelogix,可以做逻辑编程，变频器内部的转矩、频率、速度，Id,Iq电流值、运行时间、故障代码、模拟量输入输出值、121种参数值都可以用链接的方式或直接引用变成编程里的一个变量。比如，高炉探尺的应用，只须要一条PLC条件语句，但需要对链接的了解和掌握。

这种灵活的功能，如果用芬兰的VACON变频器，那必须特殊应用宏。编程工程师对此莫明所以，那么编出来未必好用。用VACON做过一台无水印花机。同样三个辊子作传动点，布匹用5BAR的气压压紧卷绕在辊子上，用户要求辊子张紧后，布面用拳头敲上去要呯呯响。用的是VACON NXP的卷绕宏，标准卡外扩展OPT－D1光纤通讯卡和OPT－A4编码器卡。主速度传送给从机后，从机加乘系数106%，可以满足客户需要。但这个方案在料场码头的皮带机上肯定不能用。

从这上可以看到全参数型变频器的AB和应用宏型的变频器VACON在具体项目上应用的不同。本来对于复杂一点儿的工程，就不能再用简单、傻瓜化的标准去衡量。但AB对于工程师还是提供了更大的方便：变频器的全部参数（数据结构）网络可透明访问，只要有授权可以随时通过网络修改。这里说的透明二字，就是一旦通过DeviceNet,ControlNet,EtherNet三种网之一或三种混用连通变频器和PLC，那么工程师通过网段上任一点接入网络，那么网上变频器的参数在不同网络节点下都是透明可见。

这在RA有个名堂，叫做：集成架构。要知道，几年前如果西门子的PLC连上一个三菱的变频器和连上一个西门子自己的变频器是没有区别的，导入GSD文件，都是网上一个连接数，无法通过个人电脑去透明看参数。但AB的PLC连上AB的变频器不一样，一切都是透明的，AB的PLC连接别家的变频器可没有这种神奇功效。AB核心的DCE三种网络，加上PLC完全标签寻址的特点，Factory talk的授权方式，View anywell的AOI自动上传HMI，构成了AB学习时间最少；代码可重用；无须对每个显示终端特殊编程，忘记物理地址的标签变量编程方式，让程序本身就是程序注释。AB专门训练销售们理解和记忆这项最大的产品特点，按跆拳道的方法对通过测试的销售授以绿带而至黑带。没通绿带的销售将被淘汰。AB的销售可以利用一次午餐的时间，发现用户痛点。在一块面巾纸上通过画示意图的方式，把AB这项特点清楚地描述给用户。这就是集成架构绿带培训。AB变频器的第一大特点。

好的变频器必然要有好的算法。除了ABB及依尔通以外的变频器都采用矢量控制算法。当然ABB的550等也采用矢量算法。如果ABB的DTC相当于苹果的IOS系统，那么其它变频器都属于安卓（andrio）了。苹果的算法是独一的，但安卓们各有各的特点：AB最高的矢量算法叫做FOC，磁场定向控制。以下提供了矢量控制理论的发展图。

U/F控制是简单的：



谈不到转矩控制，只能做稳态速度控制。当低速运行，速度一直在变化中，要求动态速度精度，或对转矩控制的要求超过了速度控制时，此方法不再适用。



无传感矢量，在V/F的基础上用滑差控制使电机转速在有负荷阻尼的情况下接近给定值。使用转矩电流估算模块计算相电压产生电流的百分比，给出大概的转矩电流，更好地控制滑差。这样在电机的低速特性和转矩方面要优于V/F算法。



磁通矢量控制可以提供较大的起动，加速以及冲击负载转矩，较宽的恒转矩调速范围（包括基本速度），并且还可以改善低速性能和动态特性.开环或闭环都可以做FVC。如果开环，可以通过估算速度反馈和滑差来代替速度反馈。依然保留了V/F核心，但是它并不是转矩控制变频器，解耦并不彻底。因此，不能调节电动机中产生的转矩量。它们也无法挑战磁场定向控制在动态响应，高性能速度调节或速度范围领域内的卓越性能。它所能做到的是电动机每安培所提供的更高转矩。通过建立满定子磁通并不断观测估算“过磁通”状况，无速度传感器矢量控制可以提供用户所需的最大电动机转矩（接近衰减）。



开环的FVC，用速度估算和滑差补偿来代替速度传感器。仍基于V/F核心。

FOC（Field Oriented Control）磁场定向控制跟以上传统矢量的区别在于它可以分别和独立控制（或调节）电机的磁通和转矩。使交流电机呈现等同于直流电机的控制特性。用高带宽的电流调节器取代V/F核心，并结合控制器分别控制磁通和转矩，这也是RA所谓的Force技术与其它矢量控制技术的主要区别。



这种方式由于既控制电流环节组成部分（磁通电流和转矩电流）并控制它们之间的夹角（矢量和），因此它既可以调节速度又可以调节转矩。这种变频器提供良好的转矩特性以及更严格的速度调节，更宽的速度范围和更高的响应带宽。专用的自适应控制器提供了独立的转矩与磁通控制，从而允许对电动机速度和转矩的连续调节。



FOC也可以采用无传感控制，速度和转矩调节范围更宽。从0HZ达到了基频以上，全范围的动态响应和转矩调节都接近直流电机的水平。以下是不同算法的变频器输出的矩频曲线图的比赛结果：









AB的PF700还是FVC控制，而PF700S以至后面的PF755是FOC控制算法。在硬件的过流过载能力之外，在额定电流等硬指标的基础上，不能不考虑算法的力量。

       AB所标榜的集成架构平台Logix，是一种把传动、运动、顺序、过程、批处理控制融合在一起的控制平台。所以，AB的大型PLC下能做PLC份内的顺序控制，上能涉足DCS擅长的过程控制，已进入一种叫做PAC的境界。目前，虽然DCS的地位并未被完全取代，但PAC的确模糊了PLC和DCS的界线。

       由此我联想了变频器和伺服的未来。这俩兄弟产品的主电路几乎是一模一样的，只是控制上有区别，变频器主要是调节速度，副产品是调节转矩甚至粗略定位。而伺服一班配置专用的伺服电机（一般是直流或交流同步电机），主要的功能是精确定位，其转矩特性比变频硬得多。变频器可以谈矢量控制，DTC控制；而伺服只能说速度环、位置环。伺服的问题在于驱动+电机价格高于变频至少一倍，且功率做不大。我见过FANUC声称最大的伺服电机200KW，同步还是异步不好说。AB最大的好象是137KW。而变频不但宽电压，有110V到690V供电的低压变频，还有1140－10KV的中压变频器，而且功率低压可做到1600KW，中压6.5－10MW并不少见。那么有一天，变频和伺服会不会合流呢？世界上不再有变频器和伺服之分？未来的产品，既会产品新种类，也会合并同类项。我干了16年的这种产品会不会消亡呢？

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   今天偶尔谈到了跟北方重工（沈阳矿山机械厂）一块做皮带机，想起了当年现场一块工作的开朗的老工程师。当时我认为ABB变频的芬兰曾经是社会主义国家，老工程师说芬兰不是，并马上说了一个顺口溜证明芬兰不在内：中苏老越，德匈朝南，阿蒙保捷波罗古。芬兰是受俄罗斯和苏联奴役过的国家。老工程师马上退休了，他的梦想是跟老伴骑上自制的躺式三轮自行车环游世界去。他会去芬兰吗？想想ABB的开创者住在北极圈内，180多天的极夜和极昼，寒冷、清寂，唯有研究、精进、执着。记得VACON初期提供的小礼品居然是袜子、倒倒木、和动动棍。想像他们在雪屋里围成一圈洗芬兰浴，几个Red wine friends红酒下肚，面孔潮红，欣赏着瑰丽的北极光，用带叶的树枝彼此轻轻拍打着后背 ，玩孩子的游戏，可能也会象沈阳人那样越到冬天越是想吃雪糕。他们跟美国威斯康星州西南密歇根湖畔米尔沃基市的AB员工多么不同啊？AB总部的员工很大比重是美国化了的德国移民。喜欢驾大型SUV，有些开着带斗的小货车上班，胖子很多。他们在湖光山色间垂钓休闲。ABB和AB，一个虽受奴役，但越见执着。一个国运昌隆，得天独厚，他们给出了同样出色又如此不同的产品，一时瑜亮，让人一咏三叹。正是：

       天罗织罢月梭闲，

       桂克高扳看锦旋。

       一苇银河原可渡，

       共尔仙人送客船。

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作者简介：雅各宾