基于SIEMENS SINAMICS S120的驅(qū)動器試驗裝置研究與應(yīng)用

張 侃，鄧忠彬，丁 輝，竇連勝

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452)

近年來，隨著海洋修井機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，交流變頻電驅(qū)動修井機(jī)已逐步在新建平臺上配備，其具備數(shù)字化、自動化、節(jié)能環(huán)保、良好的操作環(huán)境等優(yōu)勢，在海洋石油裝備中逐步占據(jù)了主導(dǎo)地位。時至今日，渤海自營油田已有50%,電驅(qū)動修井機(jī)采用了S120驅(qū)動技術(shù)。鉆修井作業(yè)的日益頻繁，為海洋電驅(qū)動修井機(jī)的維修保養(yǎng)能力以及對系統(tǒng)故障的快速響應(yīng)帶來了嚴(yán)峻考驗。通過對SIEMENS SINAMICS S120驅(qū)動器試驗裝置的研究與應(yīng)用分析，以求在最短時間、最大程度、更加具體地掌握S120驅(qū)動技術(shù)，實現(xiàn)自主維修，降低維修成本，保證鉆修井作業(yè)順利進(jìn)行，實現(xiàn)降本增效的目的。

1 S120驅(qū)動器試驗裝置總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

S120驅(qū)動器試驗裝置的設(shè)計制造本著“先進(jìn)、可靠、方便、經(jīng)濟(jì)”的原則，充分考慮防潮、防塵等因素，其控制特性、操作邏輯和各種保護(hù)功能等滿足試驗裝置工作要求和性能指標(biāo)。

本試驗裝置主要包括：①試驗操作臺臺體和輔助控制設(shè)備；②西門子書本型S120變頻器；③工業(yè)平板電腦；④I/O Control Panel；⑤試驗變頻電機(jī)(帶編碼器)和磁粉制動單元。

本試驗裝置把西門子S120變頻器、工業(yè)平板電腦等集成設(shè)計安裝在試驗臺上，所有設(shè)備及元器件布局合理，電氣控制元件及輔助配件均安裝在操作臺內(nèi)部，S120變頻器模塊以壁掛的形式安裝在試驗臺前面板，便于調(diào)試時檢查各模塊狀態(tài)指示燈和調(diào)整通訊模式，工業(yè)平板電腦和I/O Control Panel安裝于試驗臺前面板便于操作，變頻電機(jī)和磁粉制動單元固定在試驗臺底座上，試驗臺面板上設(shè)置觀察口，方便觀察電機(jī)運行情況?？傮w布局如圖1、2所示。

圖1 總體布局圖(正視圖)Fig.1 Overall layout(Front view)

圖2 總體布局圖(后視圖)Fig.2 Overall layout(Rear view)

1.2 系統(tǒng)電氣回路設(shè)計

本S120驅(qū)動器試驗裝置電氣回路為三相五線制系統(tǒng)，設(shè)計滿足S120驅(qū)動器的使用工作要求。系統(tǒng)電氣回路如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)電氣回路圖Fig.3 System electrical circuit diagram

2 S120驅(qū)動器試驗裝置選型與實現(xiàn)

SINAMICS S120是集矢量控制、V/F控制、伺服控制為一體的驅(qū)動系統(tǒng)，具有模塊化的設(shè)計。各模塊之間(包括控制單元模塊、整流/回饋模塊、電機(jī)模塊、傳感器模塊和電機(jī)編碼器等)通過高速驅(qū)動接口DRIVE-CLIQ 相互連接[1]。

2.1 裝置硬件選型與實現(xiàn)

本試驗裝置的S120驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計采用公共直流母線形式，模擬海洋電驅(qū)動修井機(jī)的矢量控制模式，將海上裝機(jī)、裝柜型轉(zhuǎn)化成5,kW書本型變頻器，仿真實現(xiàn)絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵主電機(jī)的工作模式和功能。

本裝置硬件由以下部分組成[2]：控制單元CU320-2DP(訂貨號：6SL3040-1MA00-0AA0)，作為S120驅(qū)動系統(tǒng)的控制單元，CU320-2DP負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)系統(tǒng)中所有的模塊，完成各軸的電流環(huán)、速度環(huán)的控制，并且控制各軸之間能相互交換數(shù)據(jù)；SLM智能型整流模塊(訂貨號：6SL3130-6AE15-0AB1)，完成交流電源轉(zhuǎn)換為直流母線電壓，整流橋由二極管與IGBT組成，可以通過IGBT實現(xiàn)能量回饋；電機(jī)模塊(訂貨號：6SL3120-2TE13-0AA4)，實現(xiàn)直流逆變以驅(qū)動電機(jī)；SMC30編碼器轉(zhuǎn)換模塊(訂貨號：6SL3055-0AA00-5CA2)完成模擬量、開關(guān)量信號及編碼器的數(shù)據(jù)采集；變頻電機(jī)，采用鼠籠型、F級絕緣結(jié)構(gòu)，輸出軸通過聯(lián)軸器與空心軸聯(lián)結(jié)、與止口支撐式的磁粉制動器連接，另一端通過聯(lián)軸器與增量編碼器連接，同時保證安裝接口與海上實際使用編碼器安裝接口尺寸一致。

磁粉制動單元包括手動張力控制器和磁粉式制動器[3]。磁粉制動器與電機(jī)傳動軸水平安裝，安裝同軸度為+0.03,mm，手動張力控制器可模擬海上變頻電機(jī)帶負(fù)載短時運行，控制精度高，保證磁粉制動器力矩輸出穩(wěn)定可靠。磁粉制動器允許轉(zhuǎn)速可達(dá)到1,500,r/min，制動力矩0～50,N·m，額定電流1,A。

①I/O Control Panel：創(chuàng)新設(shè)計的一體化I/O Control Panel采用316L不銹鋼腐刻制成，表面鍍膜處理，集成了選擇開關(guān)、LED指示燈、高精度電位器和高精度數(shù)顯表，配置的I/O Control Panel與CU320-2DP的數(shù)字輸入/輸出、TB30模擬輸入的I/O點相連接。選擇開關(guān)實現(xiàn)控制電機(jī)啟停、轉(zhuǎn)向、電機(jī)勢能、故障復(fù)位，LED指示燈指示當(dāng)前設(shè)備運行狀態(tài)，高精度電位器用于給定變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速，并通過高精度數(shù)顯表顯示電機(jī)運行實時轉(zhuǎn)速及電流值。

通過CU320和TB30端子擴(kuò)展板對I/O Control Panel的 I/O點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，高度仿真了海洋鉆修井機(jī)絞車等設(shè)備控制開關(guān)和操作手柄的特性，外觀精致美觀，控制功能清晰、穩(wěn)定、精確。I/O Control Panel如圖4所示。

圖4 I/O控制面板Fig.4 I/O Control Panel

②其他組件：SITOP電源、TB30端子擴(kuò)展板、電源濾波器、進(jìn)線電抗器和工業(yè)平板電腦等。裝置硬件配置示意圖如圖5所示。

圖5 裝置硬件配置示意圖Fig.5 Hardware configuration diagram

S120各模塊之間通過DRIVE-CLIQ通訊方式進(jìn)行連接，實時串行通訊，用于連接所有的SINAMICS驅(qū)動組件，在搭建驅(qū)動系統(tǒng)DRIVE-CLIQ網(wǎng)絡(luò)時要滿足圖6中的配置規(guī)則[4]。

2.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

圖6 DRIVE-CLIQ網(wǎng)絡(luò)配置規(guī)則Fig.6 DRIVE-CLIQ network configuration rules

STARTER軟件用于SINAMICS S120驅(qū)動裝置的現(xiàn)場調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)控、修改裝置參數(shù)、故障檢測、電機(jī)優(yōu)化和復(fù)位，以及跟蹤記錄等強(qiáng)大調(diào)試功能，因此應(yīng)用十分廣泛。S120驅(qū)動器試驗裝置使用的是CU320-2DP控制單元，因此PC機(jī)可以通過STARTER軟件與S120驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)3種通信方式，即PROFIBUS-DP通信、以太網(wǎng)通信和RS-232串口通信。

STARTER軟件對S120的調(diào)試首先要通過對系統(tǒng)的配置，系統(tǒng)配置完成后，就可以用STARTER軟件對S120進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試功能包括數(shù)據(jù)跟蹤記錄、功能函數(shù)發(fā)生器、伯德圖測量、控制器自動優(yōu)化等[5]。

3 S120驅(qū)動器試驗裝置調(diào)試與實際應(yīng)用

3.1 裝置控制系統(tǒng)調(diào)試

I/O Control Panel和STARTER都可以實現(xiàn)控制電機(jī)啟停、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、使能、復(fù)位，可以實現(xiàn)變頻器參數(shù)的更改、優(yōu)化電機(jī)等功能[6]。

S120控制系統(tǒng)調(diào)試內(nèi)容包括以下部分：①通過DP接口、PN接口實現(xiàn)PC與S120之間的通訊、設(shè)備間參數(shù)的讀取及寫入；②SINAMICS S120項目在線/離線配置；③STARTER控制面板控制電機(jī)；④I/O Control Panel配置開關(guān)量及模擬量對電機(jī)啟、停及速度控制；⑤使用Trace功能進(jìn)行電機(jī)動態(tài)特性的調(diào)試；⑥通過r945和r949參數(shù)確認(rèn)故障及故障處理方法。

3.2 實際應(yīng)用

結(jié)合SIEMENS SINAMICS S120驅(qū)動器試驗裝置，有效開展了人員技術(shù)培訓(xùn)和技術(shù)研究工作，取得的應(yīng)用成果如下：①公司電驅(qū)動修井機(jī)電控技術(shù)攻關(guān)人員熟練掌握了STARTER、I/O Control Panel控制變頻電機(jī)的基本原理和操作技巧，培訓(xùn)后均可獨立完成海上電驅(qū)修井機(jī)S120傳動系統(tǒng)電機(jī)靜態(tài)/動態(tài)辨識、變頻器參數(shù)修改設(shè)置、程序備份等工作，徹底解決了關(guān)鍵技術(shù)點無法試驗?zāi)M和不敢下手的窘境。②通過將程序的上裝和下載等方式，結(jié)合試驗裝置，模擬現(xiàn)場電驅(qū)動修井機(jī)運行故障，檢查現(xiàn)場修井機(jī)變頻器各參數(shù)并進(jìn)行比對，采取有效方法解決了海上電驅(qū)修井機(jī)S120驅(qū)動系統(tǒng)通訊故障、絞車/轉(zhuǎn)盤變頻電機(jī)編碼器故障、現(xiàn)場變頻器參數(shù)被無故修改導(dǎo)致絞車主電機(jī)無故停車等棘手問題，以此實現(xiàn)了陸地與海上S120變頻器設(shè)備運行狀態(tài)及運行參數(shù)的交互。

4 結(jié) 語

通過對SIEMENS SINAMICS S120驅(qū)動器試驗裝置的研究與應(yīng)用，模擬海上電驅(qū)動修井機(jī)S120驅(qū)動系統(tǒng)，積累廣泛的知識和經(jīng)驗，制定全生命周期預(yù)防性維護(hù)和故障性維修方案，并在實際工作中得到有效應(yīng)用，確保其長期可靠運行。同時在陸地開展更加具體、有針對性的技術(shù)培訓(xùn)工作，提高員工技術(shù)能力，培養(yǎng)電驅(qū)動修井機(jī)維護(hù)技術(shù)骨干，確保維護(hù)能力和質(zhì)量，為海上油田電驅(qū)修井機(jī)提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)與支持，使其成為公司持續(xù)發(fā)展的源泉和未來的核心競爭力?！?/p>

［1］米玉柱. SINAMICS S120在生產(chǎn)設(shè)備中的應(yīng)用[J]. 科技傳播，2012(14)：133-134.

［2］SIMENS SINAMICS S120 設(shè)備選型手冊[Z]. 2013.

［3］KADYLBEK ZHALYN(加棱). 電力拖動典型負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 上海：東華大學(xué)，2016.

［4］施坪， 桯程 ，王軼，等. 西門子 S120變頻裝置的調(diào)試應(yīng)用[J]. 變頻器世界，2014(9)：91-94.

［5］謝麗蓉，高磊，路朋，等. 基于 SINAMICS S120的運動控制系統(tǒng)實踐教學(xué)平臺建設(shè)[J]. 實驗技術(shù)與管理，2017，34(2)：132-135.

［6］SIMENS SINAMICS S120 安裝調(diào)試手冊[Z]. 2013.