李小新 吳 迪 隋大偉 鄧 波

（1、唐山鋼鐵集團有限責任公司信息自動化部，河北 唐山063000 2、天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300180 3、廣西北部灣新材料有限公司，廣西 北海536000）

S120 變頻器是西門子公司推出的全新一代驅(qū)動產(chǎn)品，是6SE70 變頻器的升級換代產(chǎn)品，可用于復(fù)雜的高端應(yīng)用，已全面投入市場應(yīng)用到各個行業(yè)的電機驅(qū)動系統(tǒng)中。該產(chǎn)品硬件上高度模塊化，極大的方便了更換和故障排查；控制精度和控制功能更加完善，調(diào)試軟件在保留原參數(shù)表的基礎(chǔ)上增加了圖形化界面，給調(diào)試和日常維護帶來了極大的便利。河北鋼鐵集團唐鋼分公司二鋼轉(zhuǎn)爐傾動設(shè)備由四臺電動機驅(qū)動，變頻設(shè)備升級為S120 單體變頻器，本文對硬件選型、程序設(shè)計和實際應(yīng)用中存在的問題進行詳細的分析。

1 S120 變頻器的硬件選型

項目中通常先選電機，再根據(jù)電機選則變頻器，“電流”是變頻器選型需要考慮的關(guān)鍵因素之一，一般情況下變頻器拖動恒轉(zhuǎn)矩負載電機，以電機額定電流為依據(jù)選擇變頻器。實際上，電機工作時的電流并不是電機銘牌上標注的額定電流，而是有過負載運行情況，時常短時間過載的電機需要描繪出電流隨時間變化的曲線，所選變頻器的輸出電流要能覆蓋該曲線，變頻器才算選型正常。變頻器容量過大于電機容量會造成控制精度下降。

唐鋼二鋼轉(zhuǎn)爐傾動設(shè)備由四臺電動機驅(qū)動，其輸出軸通過齒輪剛性連接，齒輪箱驅(qū)動機械結(jié)構(gòu)搖動轉(zhuǎn)爐。每臺電機容量55KW，額定電流210A，具有1.8 倍過載能力。出于安全生產(chǎn)考慮，每臺電動機由一臺AC-AC 變頻器驅(qū)動，每臺變頻器配置獨立的控制單元。變頻器選定容量為110KW，額定電流210A。變頻器具有1.5 倍輕過載、1.6 倍重過載10 秒和1.1 倍輕過載、1.5倍重過載60 秒能力。根據(jù)西門子硬件選型手冊選定變頻器對應(yīng)輸入輸出電抗器、制動單元和制動電阻。

2 主從控制功能介紹

在工業(yè)應(yīng)用中，很多場合需要進行主從控制。當一臺機械設(shè)備由兩臺或多臺電機驅(qū)動時，需要每臺電動機同步運轉(zhuǎn)或均勻出力，這時需要對變頻器進行主從控制。主從控制中主傳動是典型的速度控制，從傳動是速度或轉(zhuǎn)矩控制。當主傳動和從傳動的電機軸通過傳輸帶等柔性設(shè)備連接時，從傳動和主傳動之間允許有細微的速度差，從傳動使用速度控制；當主傳動和從傳動的電機軸通過鏈條或齒輪等剛性設(shè)備連接時，從傳動和主傳動之間沒有速度差，從傳動使用轉(zhuǎn)矩控制，負責輸出一定比例的轉(zhuǎn)矩以均衡主傳動的負荷，整個傳動系統(tǒng)的速度控制由主傳動來完成。對于從傳動為轉(zhuǎn)矩控制的變頻器來說，轉(zhuǎn)矩給定來自主傳動速度調(diào)節(jié)器輸出之后經(jīng)過限幅的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，自身的速度環(huán)不起調(diào)節(jié)作用，傳動控制命令也來自于主傳動。轉(zhuǎn)矩給定值和控制命令的傳輸形式根據(jù)變頻器的不同而不同。

3 CBE20 通訊板卡功能介紹

CBE20 通訊板卡為SINAMICS 系列控制單元的可選附件，通過該板卡可以把控制單元連接到profinet 網(wǎng)絡(luò)，也可以通過該板卡進行SINCMICS LINK 通訊，實現(xiàn)不同控制單元之間的數(shù)據(jù)交換。

SINAMICS LINK 通過CBE20 通訊板卡可以實現(xiàn)64 個控制單元CU320-2DP 之間的直接數(shù)據(jù)交換。每個控制單元需要進行站地址分配，站地址通過參數(shù)P8836 進行設(shè)置，最大值為64。CBE20 插入控制單元后需要為其分配通訊接口，并進行通訊方式設(shè)置。P8839 為其選擇通訊接口IF1 或IF2；P8835 用來選擇其通訊功能，例如SINAMICS LINK、PROFINET 等。SINAMICS LINK 的報文為16 個固定的過程數(shù)據(jù)空間（PZD），可以理解為數(shù)據(jù)通道，要發(fā)送的數(shù)據(jù)可以通過參數(shù)P8871 進行通道選擇，P8871.0-P8871.15 對應(yīng)PZD1-PZD16，參數(shù)值范圍為0-16。例如P8871.0=10，PZD1 通過第10 個數(shù)據(jù)通道進行發(fā)送。每個PZD 為一個字節(jié)的長度，每個控制單元最多可以發(fā)送和接收16 個數(shù)據(jù)字。如果CBE20 硬件分配的通訊接口為IF1，所發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容通過參數(shù)P2051 來進行選擇，P2051.0-P2051.15對應(yīng)PZD1-PZD16。P2051 和P8871 參數(shù)設(shè)置完成后就完成了數(shù)據(jù)內(nèi)容發(fā)送。接收的數(shù)據(jù)通過參數(shù)P8872 和P8870 來進行選擇。其中P8872 用來選擇所要接收數(shù)據(jù)的站地址。P8872.0-P8872.15 的值對應(yīng)PZD1-PZD16 里接收的數(shù)據(jù)字來自于哪個站地址，最大值為64。例如P8872.0=1，接收數(shù)據(jù)PZD1 的內(nèi)容來自于1 號站；其中P8870 用來選擇要接收數(shù)據(jù)的通道號，P8870.0-P8870.15 的參數(shù)值對應(yīng)PZD1-PZD16 里接收數(shù)據(jù)來自于哪個通道，最大值為16。例如P8870.0=10，PZD1 接收的數(shù)據(jù)來自于通道10。P8872.0=1 P8870.0=10 意思為該節(jié)點接收1 號站的第10 個通道的數(shù)據(jù)，其中具體數(shù)據(jù)內(nèi)容在參數(shù)r2050.0-r2050.15 中顯示。

不同節(jié)點編號要連續(xù)，不允許有間隙；同步主的節(jié)點編號被自動分配為1；當配置通訊時，特殊節(jié)點的站名稱及IP 地址通過分配的節(jié)點編號被自動設(shè)置并且不能被修改；端口的使用必須按照圖1 所示，意味著n 節(jié)點的PORT2（P2）總是與n+1 節(jié)點的PORT1(P1)相連接。

圖1 SINAMICS Link 只允許使用的線性拓撲結(jié)構(gòu)

圖2

4 主從控制變頻器參數(shù)設(shè)定、抱閘控制參數(shù)設(shè)定、能耗制動功能激活

河鋼唐鋼分公司二鋼轉(zhuǎn)爐傾動設(shè)備由四臺電動機驅(qū)動，通過齒輪箱鋼性連接，控制結(jié)構(gòu)采用一主三從模式，控制方式P1300.0=21（帶編碼器的矢量控制），轉(zhuǎn)矩給定值均為主電機速度調(diào)節(jié)器輸出后經(jīng)過轉(zhuǎn)矩限幅的值r79。從電機通過CBE20 進行通訊，獲取該設(shè)定值。P1501.1=1 轉(zhuǎn)矩選擇源為外部轉(zhuǎn)矩給定，P1503.1=Control_Unit :r8850.3 轉(zhuǎn)矩給定源為IF2 通訊接口內(nèi)容。四臺變頻器同時接收PLC 發(fā)送的速度設(shè)定值和控制命令。

四臺電機在輸出軸處都設(shè)有抱閘裝置，抱閘打開關(guān)閉命令由各自對應(yīng)的變頻器控制單元輸出，抱閘控制邏輯應(yīng)用裝置內(nèi)集成的功能框圖。抱閘打開命令源P1220=電流實際值r68，大于閾值30%時發(fā)出打開命令；抱閘關(guān)閉命令源P1225=速度實際值r63，低于閾值30rpm 時發(fā)出關(guān)閉命令。機械抱閘打開時間和關(guān)閉時間P1216、P1217 均設(shè)為100ms。

轉(zhuǎn)爐傾動設(shè)備是頻繁往復(fù)式運動設(shè)備，對電動機有快速制動的要求。S120 變頻器內(nèi)整流部分為二極管功率器件，無能量回饋功能，配備制動單元和制動電阻將電機制動時產(chǎn)生的能量消耗掉。制動單元的觸發(fā)命令取決于母線電壓值，高于設(shè)定值時發(fā)出觸發(fā)命令，進行能量耗散。變頻器默認配置具有直流電壓保護功能，母線電壓過高時自動對速度設(shè)定值進行疊加，使電動機由發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)為電動狀態(tài)，消耗多余能量。此時需要將該功能手動屏蔽P1240=0，變相激活能耗制動功能。

5 應(yīng)用中存在問題和解決方案

帶有獨立抱閘控制功能的主從應(yīng)用中，設(shè)備運行一段時間后，變頻器在頻繁啟動時會出現(xiàn)F30001 過流故障。對四臺電機驅(qū)動電流進行波形采集如圖2 所示。

觀察波形發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生時四臺電機電流和狀態(tài)字存在異步現(xiàn)象。出現(xiàn)此種波形的原因是機械設(shè)備長時間運行后齒輪間隙變大，精度下降，在變頻器停止時速度實際值不能在同一時刻達到抱閘關(guān)閉閾值，進而影響電機去磁時間和變頻器的使能信號，當再次快速啟動時出現(xiàn)抱閘打開混亂，最先建立勵磁的電機會單獨驅(qū)動機械設(shè)備造成過載現(xiàn)象。解決該問題的方案是每臺電機關(guān)閉抱閘的命令源選擇同一臺電機的速度實際值，即通過CBE20 將主電機速度實際值發(fā)送到從電機，從電機P1225=主速度實際值r63。