西門子變頻特點及熱連軋傳動控制研究

摘 要：變頻調(diào)速技術(shù)是一種以改變交流電動機(jī)的供電頻率采達(dá)到交流電動機(jī)調(diào)速目的的技術(shù)。變頻調(diào)速器應(yīng)用于電機(jī)傳動調(diào)速，以其優(yōu)異的調(diào)速和啟動、制動性能，高效率、高功率因數(shù)，顯著的節(jié)電效果，進(jìn)而可以改善工藝流程，提高產(chǎn)量質(zhì)量，改善工作環(huán)境，推動技術(shù)進(jìn)步，以及廣泛的適用范圍等許多優(yōu)點而成為電動傳動的中樞，該文重點介紹了西門子Sinamics S120的技術(shù)特點，以及在熱連軋系統(tǒng)中的傳動控制應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：變頻器 西門子 傳動控制 熱連軋

中圖分類號：TN2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（a）-0074-01

變頻器是一種電源轉(zhuǎn)換裝置，將輸入給變頻器固定頻率，固定電壓的三相交流電，轉(zhuǎn)換成可調(diào)頻率和可調(diào)電壓的三相交流電。改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使之適合生產(chǎn)工藝設(shè)備的要求，是電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、電力拖動技術(shù)的結(jié)晶。是強(qiáng)電和弱電相結(jié)合的產(chǎn)物。

Sinamics S120 是西門子公司推出的全新的集V/F、矢量控制及伺服控制于一體的驅(qū)動控制系統(tǒng)，它不僅能控制普通的三相異步電動機(jī)，還能控制同步電機(jī)、扭矩電機(jī)及直線電機(jī)。其強(qiáng)大的定位功能將實現(xiàn)進(jìn)給軸的絕對、相對定位。內(nèi)部集成的DCC（驅(qū)動控制圖表）功能，用PLC的CFC編程語言來實現(xiàn)邏輯、運算及簡單的工藝等功能。

1 Sinamics S120的特點及優(yōu)勢

1.1 模塊化設(shè)計

DC/AC設(shè)備中的電機(jī)模塊包括書本緊湊型、書本型和裝機(jī)裝柜型，將所有的驅(qū)動器智能組織在控制單元中，由控制單元來執(zhí)行變頻調(diào)速柜的所有閉環(huán)控制功能，并處理驅(qū)動器相關(guān)的功能（配備PROFIBUS DP或PROFINET中央接口、I/O互連），以便與更高級別的自動化系統(tǒng)相連接。電源模塊可以集中為電壓源直流鏈路提供能量，電源模塊可選擇配備經(jīng)過調(diào)節(jié)的饋電/再生反饋功能，以提供恒定的直流連接電壓和高度的供電兼容性。電機(jī)模塊從直流連接為電機(jī)供能。AC/AC設(shè)備中功率模塊集合了饋電和電機(jī)電源功能，包括塊型和裝機(jī)裝柜型。

多軸驅(qū)動是控制單元如CU320通過DRIVE-CLiQ接口控制驅(qū)動器工作，而單軸驅(qū)動是通過安裝在功率模塊上的特殊控制單元CU310來控制驅(qū)動器工作，CU適配器安裝在代替控制單元的功率模塊上。

1.2 自動化平臺

西門子所有的全集成自動化TIA能夠為所有行業(yè)提供完整范圍的產(chǎn)品，行業(yè)特定自動化解決方案為滿足客戶的個性化要求而量身定制，可基于TIA有效地執(zhí)行?？擅黠@提高生產(chǎn)率和投資安全性。

SINAMICS是TIA的核心組件之一，STARTER調(diào)試工具是TIA平臺的集成元件。從而可以使用標(biāo)準(zhǔn)化工程平臺參數(shù)化、編程和調(diào)試自動化系統(tǒng)中的所有組件，不會有所遺漏。全系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理功能確保數(shù)據(jù)一致性，簡化整個設(shè)備項目的歸檔。SINAMICS S120支持PROFIBUS DP——TIA系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線，它提供高性能、全系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，可連接所有自動化組件：HMI、控制器、驅(qū)動器和I/O設(shè)備。SINAMICS S120還配備PROFINET接口（增強(qiáng)的性能和開放式IT通信）。這種基于以太網(wǎng)的總線可以通過帶有IRT或RT的PROFINET IO高速交換控制數(shù)據(jù)，使SINAMICS S120成為最高性能多軸應(yīng)用集成的合適選擇。同時，PROFINET還使用標(biāo)準(zhǔn)的IT機(jī)制（TCP/IP）將信息傳輸至更高級別的系統(tǒng)。因此，帶這種接口的SINAMICS S120可以輕松地集成到工廠IT網(wǎng)絡(luò)中。

1.3 數(shù)字式接口

DRIVE-CLiQ是一種全新的傳動接口，所有SINAMICS S120部件（包括電機(jī)和編碼器）和傳動之間均通過DRIVE-CLiQ的串行連接接口進(jìn)行相互連接和通訊。DRIVE-CLiQ屬于器件級智能網(wǎng)絡(luò)連接，采用標(biāo)準(zhǔn)化電纜和連接器，降低了不同部件的種類，并削減了庫存成本。對于其它廠商的電機(jī)或者改造應(yīng)用，可使用變換器標(biāo)準(zhǔn)組件（傳感器模板）將常規(guī)編碼器信號轉(zhuǎn)換成DRIVE-CLiQ。

2 Sinamics S120在熱連軋系統(tǒng)的傳動控制

以某鋼鐵公司4300m新厚板生產(chǎn)線為例，該生產(chǎn)線通過西門子sinamics s120系列變頻全數(shù)字矢重控制系統(tǒng)來控制兩臺軋機(jī)的電動壓下系統(tǒng)。

2.1 s120傳動系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

在精軋機(jī)的egc系統(tǒng)中采用570 kW功率的兩臺三相交流電機(jī)，分別由一臺逆變單元控制。將兩臺1000 kW整流回饋單元并聯(lián)來進(jìn)行變頻控制，整流回饋單元和逆變單元都對應(yīng)的由各自的控制單元cu320進(jìn)行集中控制，cu320是驅(qū)動系統(tǒng)的大腦，負(fù)載控制和協(xié)調(diào)整個驅(qū)動系統(tǒng)中的所有模塊，完成各軸的電流環(huán)、速度環(huán)甚至位置環(huán)的控制，并且一塊cu320控制的各軸之間能相互交換數(shù)據(jù)，即任意一根軸能夠讀取控制單元上其它軸的數(shù)據(jù)，這一特征廣泛被用作多軸之間的簡單的速度同步。

2.2 通訊方式

drive cliq通訊實現(xiàn)由cu320到整流單元，逆變單元，i/0端子模塊tm31，編碼器接口模塊smc30等模塊之間的通訊，由四芯電纜構(gòu)成，兩根用于數(shù)據(jù)傳送，兩根用于數(shù)據(jù)接收；PROFIBUS DP通訊實現(xiàn)TDC到三個CU320的通訊，因為TDC與傳動系統(tǒng)之間相距300 m以上，可以通過rs485中繼器來加強(qiáng)信號。

2.3 調(diào)試軟件

運用simotion scout軟件進(jìn)行調(diào)試與維護(hù)，該軟件系統(tǒng)配置有固定的配置步驟，形象且連貫的功能圖，集成了實時的trace波形跟蹤，能監(jiān)控任何一個參數(shù)的實時數(shù)據(jù)，在調(diào)試過程中可以根據(jù)波形圖監(jiān)控到電機(jī)運行的精確狀態(tài)，從而能對傳動系統(tǒng)進(jìn)行精確的調(diào)試。SCOUT工程開發(fā)系統(tǒng)的具有良好的用戶友好性。運動控制、邏輯控制與工藝控制的工程開發(fā)，以及驅(qū)動器的組態(tài)與調(diào)試，均是由一個系統(tǒng)完成的。

2.4 控制方式

在軋機(jī)壓下系統(tǒng)中要求egc在電機(jī)高速運行時，電機(jī)速度能夠與給定值能達(dá)到實時的高度吻合，能夠滿足egc精確的定位功能和較高的動態(tài)響應(yīng)。因此對于單個電機(jī)來說在egc控制方式上采用速度控制方式。

為了在egc中能讓兩個壓下缸達(dá)到同步、平衡的目的，利用電磁離合把兩臺電機(jī)的軸連接在一起，讓兩臺電機(jī)輸出同樣大的力矩且兩電機(jī)軸之間不存在扭矩。因此對于兩臺壓下電機(jī)采用主一從控制方式：主電機(jī)采用速度控制，從電機(jī)采用力矩控制。主電機(jī)的速度控制采用pi調(diào)節(jié)器來進(jìn)行操作和優(yōu)化，從電機(jī)的速度控制采用p調(diào)節(jié)器來運行操作。主電機(jī)速度調(diào)節(jié)器的i部分的力矩輸出，通過連接器傳輸，作為一個有利的輔助力矩，輸入給從電機(jī)的i部分。

參考文獻(xiàn)

[1]逯志宏，繆衛(wèi)東.西門子SINAMICS S120傳動系統(tǒng)在軋機(jī)EGC中的應(yīng)用[J].變頻器世界，2011（1）.

[2]朱延俊.西門子Sinamics變頻器在單機(jī)架可逆軋機(jī)主傳動中的應(yīng)用[J].電氣時代，2011（12）.