李兆軒

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古錫林浩特 026015）

0 引言

WK-55 電鏟是我國(guó)自主研發(fā)的大型露天采礦機(jī)械，具有較高的技術(shù)水平，已在國(guó)內(nèi)外多個(gè)礦井得到應(yīng)用，相比較早期的WK-35 電鏟，其電氣系統(tǒng)得到提升，特別是變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從之前的6SE70 系列變頻升級(jí)改造為S120 變頻系統(tǒng)，其功能數(shù)據(jù)及各項(xiàng)指標(biāo)都得到極大的提升，不論從硬件還是軟件上，兩者都有跨時(shí)代的差距。S120 系統(tǒng)在我國(guó)應(yīng)用時(shí)間較晚，因此其還有更大的應(yīng)用發(fā)展空間，同時(shí)其應(yīng)用性能上還值得通過(guò)實(shí)踐去摸索、研究。

1 WK-55 電鏟控制系統(tǒng)

WK-55 電鏟同樣也是采用交流變頻技術(shù)，他采用目前國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的S7-400 PLC，該型號(hào)PLC 在我國(guó)應(yīng)用較為成熟，變頻器采用SINAMICS S120 系列，該型號(hào)變頻器是對(duì)WK-35 電鏟6SE70 型變頻器的升級(jí)改造版本。

1.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電鏟的提升、推壓、回轉(zhuǎn)、行走等功能，全部由SINAMICS S120 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。SINAMICS S120 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用獨(dú)立的功率單元和控制單元，可有效進(jìn)行配置，滿足各種不同驅(qū)動(dòng)任務(wù)的需要。用戶可根據(jù)要控制的驅(qū)動(dòng)數(shù)量和所需的性能等級(jí)來(lái)選擇控制單元，而功率單元的選擇則必須滿足系統(tǒng)的能量要求?？刂茊卧凸β蕟卧g的連接非常簡(jiǎn)單方便，采用數(shù)字量系統(tǒng)接口DRIVE-CLiQ。

1.1.1 控制單元

CU310-2 PN 和SIMOTION D4x5-2 控制單元CU310-2 控制單元主要用于控制單驅(qū)動(dòng)。控制單元CU310-2 標(biāo)配以下連接和接口實(shí)際接續(xù)如圖1 所示。包括現(xiàn)場(chǎng)總線接口，CU310-2PN：1個(gè)PROFINET 接口，帶2 個(gè)端口（RJ45 插座），符合PROFIdrive V4 行規(guī)；CU310-2 DP：1 個(gè)PROFIBUS 接口，符合PROFIdrive V4 行規(guī)；1DRIVE-CLiQ 插口，用于與DRIVE-CLiQ 電機(jī)或其他DRIVE-CLiQ 設(shè)備（例如，傳感器模塊或端子模塊）進(jìn)行通信；1個(gè)編碼器接口，可檢測(cè)增量編碼器TTL/HTL，SSI 編碼器、不帶增量信號(hào)；1 個(gè)PE（保護(hù)地）連接；1 個(gè)開關(guān)電源連接，通過(guò)24 VDC 電源連接器連接；1 路溫度傳感器輸入（KTY84-130 或PTC）；1 路可設(shè)定的故障安全（通過(guò)V4.5 和更高版本的固件提供）隔離數(shù)字量輸入或6 路可設(shè)定的隔離數(shù)字量輸入。故障安全數(shù)字量輸入可通過(guò)PROFIsafe 連接到上級(jí)控制器；1 路可設(shè)定的隔離數(shù)字量輸入；1 路可設(shè)定的故障安全（通過(guò)V4.5 和更高版本的固件提供）隔離數(shù)字量輸出或1 路隔離數(shù)字量輸出；8 路可設(shè)定的雙向非懸空數(shù)字量輸入/輸出；1 路模擬量輸入，10 V（分辨率12 位+符號(hào)位）或20 mA（11 位+符號(hào)位）；1 個(gè)以太網(wǎng)接口（RJ45 插口），適用于調(diào)試和診斷；1 個(gè)CF 卡插槽，CF 卡存有固件和參數(shù)；1 個(gè)PM-IF 接口，用于和模塊型功率模塊通信；3 個(gè)測(cè)試插口和1 個(gè)參考接地，用于調(diào)試支持；1 個(gè)用于連接BOP20 基本操作面板的接口。

控制單元CU310-2 的狀態(tài)通過(guò)多色LED 來(lái)顯示。BOP20基本操作面板還可直接卡裝到CU310-2 控制單元上以執(zhí)行診斷。由于固件和參數(shù)設(shè)置保存在可插拔的CF 卡中，因此無(wú)需軟件工具便可以方便地更換控制單元。

CU310-2 控制單元集成主要包括以下幾個(gè)方面：控制單元CU310-2 通過(guò)PMI-IF 接口控制模塊型功率模塊。DRIVE-CLiQ電機(jī)或傳感器模塊（SMC）也可連接到集成RIVE-CLiQ 插口，以便使用不帶DRIVE-CLiQ 接口的電機(jī)；可通過(guò)BOP20 基本操作面板直接更改設(shè)備上的參數(shù)。BOP20 基本操作面板也可在運(yùn)行期間卡裝到CU310-2 控制單元以進(jìn)行故障診斷；使用STARTER 調(diào)試工具來(lái)調(diào)試和診斷控制單元CU310-2 和其他連接組件。控制單元CU310-2 要求使用固件版本不低于V4.5 的CF 卡；CU310-2 PN 控制單元和上級(jí)控制系統(tǒng)通過(guò)PROFINET IO 和PROFIdrive V4 行規(guī)進(jìn)行通信。

帶有CU310-2 PN 控制單元的SINAMICS 120 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成1 個(gè)PROFINET IO 設(shè)備，可以執(zhí)行以下功能：PROFINET IO 設(shè)備；全雙工傳輸100 Mbit/s 支持PROFINET IO 實(shí)時(shí)通信類別包括實(shí)時(shí)RT、IRT（Isochronous Real-Time，同步實(shí)時(shí)），最短發(fā)送周期500 s；作為1 個(gè)PROFINET IO 設(shè)備連接到控制系統(tǒng)，符合PROFIdrive 行規(guī)V4；標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP 通信，用于采用STARTER 調(diào)試工具的工程設(shè)計(jì)；集成雙端口交換機(jī)，帶2 個(gè)RJ45 插口，基于ERTEC ASIC。因此，無(wú)需外部附加交換機(jī)便可以配置最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（線形、星形、樹形）。

圖1 CU310-2 接線示意圖

CU320-2 控制單元主要用于控制多驅(qū)動(dòng)。CU320-2 控制單元可控制多達(dá)12 個(gè)驅(qū)動(dòng)（V/f 控制模式）或者6 個(gè)驅(qū)動(dòng)（伺服或矢量控制模式）；CU320-2 控制單元可用于控制1 組單驅(qū)動(dòng)來(lái)執(zhí)行基本的驅(qū)動(dòng)工藝功能；SIMOTION D 控制單元用于需要協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用，如同步運(yùn)行、電子齒輪、凸輪盤或復(fù)雜工藝功能等。SIMOTION D 控制單元提供多種不同性能的型號(hào)；STARTER調(diào)試工具用于通過(guò)控制單元調(diào)試和診斷不同類型的SINAMICS驅(qū)動(dòng)裝置；SIMOTION D 控制單元需要包含STARTER 工具的SCOUT 工程系統(tǒng)。

1.1.2 功率模塊

SINAMICS S120 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的獨(dú)立版本由1 個(gè)CU310-2 控制單元和1 個(gè)功率模塊組成。在這個(gè)功率模塊中集成1 個(gè)電源整流器、電壓源直流母線和為電機(jī)供電的逆變器；功率模塊用于無(wú)法再生電能的單軸驅(qū)動(dòng)。他可將制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能可通過(guò)制動(dòng)電阻轉(zhuǎn)換成熱量；功率模塊也可以和CU320-2 控制單元、SIMOTION D4x5-2 或CX32-2 擴(kuò)展控制器組合使用，例如將單軸驅(qū)動(dòng)添加到多軸驅(qū)動(dòng)組的配置中。此時(shí)，模塊型功率模塊必須配備CUA31/CUA32 控制單元適配器。該適配器通DRIVECLiQ 與CU320-2 控制單元、SIMOTION D4x5-2 或CX32-2 擴(kuò)展控制器相連。裝置型功率模塊則直接通過(guò)DRIVE-CLiQ 電纜連接到多軸控制單元。

1.1.3 電機(jī)模塊

在電機(jī)模塊中集成1 個(gè)電壓源直流母線和為電機(jī)供電的逆變器。電機(jī)模塊用于多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由CU320-2 控制單元、SIMOTIOND4x5-2 或CX32-2 擴(kuò)展控制器進(jìn)行控制。電機(jī)模塊通過(guò)公共直流母線互連。由于電機(jī)模塊共用1 個(gè)直流母線，所以2 個(gè)模塊間可以交換能量。也就是說(shuō)，如果1 個(gè)電機(jī)模塊正在產(chǎn)生電能（發(fā)電機(jī)模式），另1 個(gè)電機(jī)模塊可以使用該電能（電動(dòng)模式）。電壓源直流母線由電源模塊提供進(jìn)線電壓。電機(jī)模塊通過(guò)DRIVE-CLiQ 與控制單元通信。

1.1.4 電源模塊

電源模塊將進(jìn)線電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，通過(guò)電壓源直流母線向電機(jī)模塊供電。模塊類型有3 種，基本電源模塊、回饋電源模塊和有源電源模塊。

（1）基本電源模塊?；倦娫茨K僅用于供電，無(wú)法將再生電能回饋到電網(wǎng)中。如果產(chǎn)生了再生電能（如驅(qū)動(dòng)制動(dòng)時(shí)），必須通過(guò)制動(dòng)模塊和制動(dòng)電阻將其轉(zhuǎn)化為熱量。如果基本電源模塊用作電源，必須安裝配套的進(jìn)線電抗器。也可以選擇安裝1 個(gè)進(jìn)線濾波器，將干擾信號(hào)限制到 C2 類極限值內(nèi)（EN 61800-3）。

（2）回饋電源模塊?；仞侂娫茨K可以提供電能并將再生電能反饋到電網(wǎng)中。僅當(dāng)需要在電網(wǎng)掉電后（即電能無(wú)法反饋到電網(wǎng)時(shí)）控制驅(qū)動(dòng)減速停止時(shí)，才需要使用制動(dòng)模塊和制動(dòng)電阻。如果回饋電源模塊用作電源，必須安裝配套的進(jìn)線電抗器。也可以選擇安裝1 個(gè)進(jìn)線濾波器，將干擾信號(hào)限制到C2 類極限值內(nèi)（61800-3）。

（3）有源電源模塊。有源電源模塊可以提供電能并將再生電能反饋到電網(wǎng)中。僅當(dāng)需要在電網(wǎng)掉電后（即電能無(wú)法反饋到電網(wǎng)時(shí)）控制驅(qū)動(dòng)減速停止時(shí)，才需要使用制動(dòng)模塊和制動(dòng)電阻。不過(guò)，和基本電源模塊與回饋電源模塊相比，有源電源模塊產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電壓，在進(jìn)線電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，該電壓仍能保持恒定。此時(shí)，進(jìn)線電壓必須在允許的容差范圍內(nèi)。有源電源模塊從電源中產(chǎn)生1 個(gè)近似正弦波形的電流，可限制任何有害諧波。要想運(yùn)行有源電源模塊，必須使用配套的有源接口模塊。也可以選擇安裝1 個(gè)進(jìn)線濾波器，將干擾信號(hào)限制到C2類極限值內(nèi)（EN 61800-3）。

1.1.5 冷卻方式

根據(jù)外形尺寸，主要有內(nèi)部風(fēng)冷、外部風(fēng)冷、冷卻板式冷卻和液體冷卻4 種。

1.1.6 系統(tǒng)能效方面

SINAMICS S120 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用節(jié)能設(shè)計(jì)：反饋軸的能量、在多軸配置的直流母線組內(nèi)利用該能量，并將它反饋回電網(wǎng)。即使在達(dá)到最高的供電能力時(shí)，也不會(huì)在控制柜內(nèi)產(chǎn)生多余的熱量。由于有源電源模塊可防止電容性和電感性無(wú)功電流，SINAMICS S120 還同時(shí)確保供電中不會(huì)出現(xiàn)多余的功率損耗，不會(huì)出現(xiàn)電流諧波。他不僅可以防止對(duì)其他負(fù)載產(chǎn)生不良影響，而且還可以減少控制柜內(nèi)產(chǎn)生的熱量。

1.1.7 系統(tǒng)組件

系統(tǒng)組件主要有以下幾種：直流母線組件，如制動(dòng)模塊和制動(dòng)電阻；輸出側(cè)的功率組件，如出線電抗器；附加系統(tǒng)組件，如端子模塊、操作面板和通信板；編碼器系統(tǒng)接口，用于將不同類型的編碼器連接到SINAMICS S120 上。

1.1.8 工程軟件

人性化調(diào)試工具STARTER 可以用于調(diào)試、優(yōu)化和、診斷。該軟件不僅可以作為單獨(dú)的PC 應(yīng)用程序運(yùn)行，也可通過(guò)Drive ESBasic 集成到兼容TIA 的SIMATIC STEP 7 中，或集成到SCOUT 工程系統(tǒng)中（適用于SIMOTION）。但是，在這兩種情況下它的基本功能和操作都保持不變。除了SINAMICS 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，STARTER 還支持MICROMASTER 4 設(shè)備。

其應(yīng)用上有以下幾個(gè)特性：BICO 工藝，每個(gè)驅(qū)動(dòng)對(duì)象均包含大量的輸入和輸出變量，可通過(guò)BICO（Binector Connector Technology）自由獨(dú)立地相互連接。Binector 是邏輯信號(hào)，值可以是0 或1。連接器是1 個(gè)數(shù)值，如實(shí)際速度或當(dāng)前設(shè)定值；驅(qū)動(dòng)控制圖（DCC），驅(qū)動(dòng)控制圖（DCC）通過(guò)免費(fèi)提供的閉環(huán)控制模塊、計(jì)算模塊和邏輯模塊擴(kuò)展設(shè)備功能范圍，借助他還可實(shí)現(xiàn)圖形化配置SINAMICS S120 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工藝功能。DCC 作STARTER 調(diào)試工具的附加應(yīng)用程序安裝；SINAMICS S120 的DCC 驅(qū)動(dòng)控制圖可實(shí)現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)級(jí)對(duì)控制、邏輯和計(jì)算功能進(jìn)行簡(jiǎn)單的圖形化配置。他使SIMOTION 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和SINAM原ICS S120 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工藝功能配置變得更簡(jiǎn)單。DCC 編輯器簡(jiǎn)單易用，可對(duì)控制環(huán)結(jié)構(gòu)方便地進(jìn)行圖形化配置以及清晰地進(jìn)行呈現(xiàn)。其關(guān)聯(lián)塊庫(kù)包含大量閉環(huán)控制模塊、計(jì)算模塊和邏輯模塊以及更復(fù)雜的開環(huán)和閉環(huán)控制功能。因此，用于SINAMICS S120 的驅(qū)動(dòng)控制圖為直接在變頻器中便捷處理驅(qū)動(dòng)級(jí)開環(huán)和閉環(huán)控制任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

1.1.9 功能模塊

在所有SINAMICS S120 控制單元上，基本定位器EPos 都可作為可另外激活的功能模塊進(jìn)行調(diào)用。基本定位器可用于解決基本的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，無(wú)需驅(qū)動(dòng)本身消耗其它外部工藝支出。工藝控制器被設(shè)計(jì)成1 個(gè)PID 控制器。適用于對(duì)液位、溫度、張力、壓力、流速和跳舞輥位置等調(diào)節(jié)變量進(jìn)行控制；集成安全功能（安全集成），控制單元支持眾多的安全功能。集成安全功能是指安全集成基本功能，STO=安全轉(zhuǎn)矩關(guān)閉、SBC=安全制動(dòng)控制、SS1=安全停機(jī)1。需要許可證的安全集成擴(kuò)展功能，SS2=安全停機(jī)2、SOS=安全操作停止、SLS=安全限速、SSM=安全速度監(jiān)視、SDI=安全方向、SLP=安全限位。如果使用擴(kuò)展的集成安全功能，則必須要有許可證、TM54F 端子模塊等附加系統(tǒng)組件或適當(dāng)?shù)陌踩刂蒲b置；CF 卡，SINAMICS S120 驅(qū)動(dòng)的功能存儲(chǔ)在1 張CF 卡上。所有驅(qū)動(dòng)的固件和參數(shù)設(shè)置都在卡中以項(xiàng)目形式存儲(chǔ)。該CF 卡也可以包含其他項(xiàng)目，這樣便可以在調(diào)試不同機(jī)床系列時(shí)迅速訪問(wèn)正確的項(xiàng)目?？刂茊卧獑?dòng)后，將讀取CF 卡上的數(shù)據(jù)并將其加載到RAM 中；固件以“對(duì)象”的形式進(jìn)行管理。驅(qū)動(dòng)對(duì)象用于對(duì)電源模塊、電機(jī)模塊、功率模塊和其他通過(guò)DRIVE-CLiQ 連接的系統(tǒng)組件執(zhí)行開環(huán)和閉環(huán)控制；通過(guò)跟蹤功能提供最佳診斷支持，驅(qū)動(dòng)對(duì)象的輸入和輸出變量的時(shí)間特性可以通過(guò)集成的跟蹤功能測(cè)量，并通過(guò)STARTER 調(diào)試工具顯示。跟蹤功能最多可以同時(shí)記錄4 個(gè)信號(hào)。記錄操作可以根據(jù)可自由選擇的邊界條件（如輸入或輸出變量的值）進(jìn)行觸發(fā)。

1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)

電鏟的各項(xiàng)控制功能主要由S7-400PLC 完成。電鏟觸摸屏則為與操作者之間的媒介，S7-400PLC 主要起到功能包括：各限位節(jié)點(diǎn)，電鏟集中潤(rùn)滑系統(tǒng)，輔助功能，包括消防，控制變頻器與機(jī)械動(dòng)作的起停。觸摸屏的作用包括：與S7-400PLC 自動(dòng)通訊，自動(dòng)診斷記錄顯示。

2 系統(tǒng)故障案例分析

在電鏟長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中，頻繁報(bào)F07900 故障代碼，經(jīng)過(guò)多次處理分析，下面將次故障處理過(guò)程總結(jié)如下。

電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間以轉(zhuǎn)矩極限值工作，超出P2177 中設(shè)置的時(shí)間，且轉(zhuǎn)速低于P2175 中設(shè)置的轉(zhuǎn)速閾值，S120 驅(qū)動(dòng)就會(huì)發(fā)出F07900 電機(jī)堵轉(zhuǎn)報(bào)警?？梢园凑找韵铝鞒踢M(jìn)行故障排查：脫開負(fù)載，電機(jī)是否帶有抱閘（如有則看抱閘能否正常打開關(guān)閉，如果不能則檢查并改正抱閘控制邏輯，如能則繼續(xù)向下走）看電機(jī)是夠帶有編碼器，編碼器接線配置是否正確，設(shè)置P1300=20，看電機(jī)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，如不能，則觀察R1538、R1539 是否為0 或者很小的數(shù)值，檢查并修改轉(zhuǎn)矩限幅相關(guān)數(shù)據(jù)，重新測(cè)試。如果不能，觀察R60 和R61 是否大小相等符號(hào)一致，如果大小不等則檢查EMC（Electromagnetic Compatibili原ty，電磁兼容性）干擾，再次確認(rèn)編碼器配置和接續(xù)，如符號(hào)相反，則修改參數(shù)P410.0 或者修改編碼器接續(xù)。實(shí)際生效的轉(zhuǎn)矩限幅為電流限幅、轉(zhuǎn)矩限幅、功率限幅換算為轉(zhuǎn)矩的最小值，所以在觀察到R1538，R1539 為0 或很小的時(shí)候應(yīng)該判斷哪個(gè)限幅生效并修改；如果空電機(jī)不帶負(fù)載運(yùn)行正常，帶載運(yùn)行報(bào)故障F7900，此時(shí)應(yīng)該核算驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)是否過(guò)載，如過(guò)載，需要更換大的電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器或減小負(fù)載；如未過(guò)載，可以通過(guò)減小P2175 或增大P2177 解決；對(duì)S120 驅(qū)動(dòng)第三方伺服電機(jī)的情況，有可能出現(xiàn)P1300=20 能正常運(yùn)行，且此時(shí)R60 與R61 大小相同符號(hào)一致，但P1300=21 運(yùn)行報(bào)故障F7900 的情況，此時(shí)應(yīng)該進(jìn)行絕對(duì)值編碼器調(diào)校P1990=1（對(duì)絕對(duì)值編碼器和帶有C/D 信號(hào)的增量編碼器）或磁極位置識(shí)別P1982=1（對(duì)增量編碼器）

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著S120 系列變頻器在電鏟上的廣泛應(yīng)用，極大提高電鏟的各項(xiàng)性能，同時(shí)越來(lái)越多的問(wèn)題需要相關(guān)技術(shù)人員去處理，對(duì)S120 分別從硬件和軟件方面進(jìn)行系統(tǒng)的剖析研究，為今后處理和解決S120 系列電鏟的相關(guān)問(wèn)題提供詳實(shí)的技術(shù)資料，達(dá)到促進(jìn)維修效率和設(shè)備出動(dòng)率的良好效果，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。