西門子S120變頻器在新天鋼連退機(jī)組的應(yīng)用

王耀東，王 巍，張 亮

（天津市新天鋼冷軋薄板有限公司，天津 300308）

0 引言

西門子S120是針對(duì)全球客戶研發(fā)的一款低壓變頻驅(qū)動(dòng)控制裝置，主要應(yīng)用在各種工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的低壓電器驅(qū)動(dòng)控制。西門子S120變頻器具備很多優(yōu)勢(shì)，如：過程優(yōu)化簡(jiǎn)潔、高可靠性、節(jié)能、成本低、體積小、無污染等。西門子S120變頻器在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的應(yīng)用中，其典型結(jié)構(gòu)是多臺(tái)S120逆變器共用同一個(gè)整流裝置，所有的逆變器通過直流銅排接入到公共直流母線上。西門子S120變頻系統(tǒng)的所有的部件，無論是整流側(cè)，還是傳動(dòng)側(cè)，組態(tài)的都非常清晰，安裝于各自的電氣柜內(nèi)，組態(tài)、安裝都很靈活，能夠滿足客戶的特種需求。這也是西門子S120變頻器在國(guó)內(nèi)得以廣泛應(yīng)用的重要原因。

本文結(jié)合西門子S120變頻器在新天鋼連退機(jī)組的實(shí)際應(yīng)用情況，介紹了S120變頻器的特點(diǎn)、功能及系統(tǒng)組成。以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的例子講解了S120變頻器參數(shù)的設(shè)置及系統(tǒng)的維護(hù)，根據(jù)使用、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)歸納出了現(xiàn)場(chǎng)易出現(xiàn)的問題及問題處理方法。

1 西門子S120變頻器簡(jiǎn)介及系統(tǒng)組成

1.1 西門子S120變頻器簡(jiǎn)介

S120變頻器是西門子公司推出的集V/F、矢量控制及伺服控制于一體的驅(qū)動(dòng)控制裝置，能實(shí)現(xiàn)多類型低壓電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，應(yīng)用范圍廣泛，適應(yīng)各種復(fù)雜工況的能力強(qiáng)。

西門子S120變頻調(diào)速裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大、可靠性高、組態(tài)安裝靈活以及操作調(diào)試簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，另外該系統(tǒng)還配備有編程軟件，使得系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定和驅(qū)動(dòng)控制過程的監(jiān)控變得更加容易。正是基于這些特點(diǎn)，西門子變頻器S120系列越來越多地被應(yīng)用于冶金領(lǐng)域自動(dòng)化生產(chǎn)線上，并且為用戶帶來了理想的驅(qū)動(dòng)控制解決方案。

1.2 西門子S120系統(tǒng)組成

西門子S120和其他品牌變頻器系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)大致相同，其結(jié)構(gòu)組成主要包括整流單元、直流母線、逆變單元、輔助電源、控制單元等。西門子S120變頻器系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 西門子S120變頻器系統(tǒng)組成

2 西門子S120變頻器在新天鋼的應(yīng)用

2.1 西門子S120變頻器組態(tài)結(jié)構(gòu)

新天鋼連退機(jī)組于2010年投產(chǎn)，產(chǎn)品規(guī)格涵蓋厚度為0.3～2.0mm、寬度為900～1250mm的冷軋帶鋼，以生產(chǎn)家電板、汽車內(nèi)板等產(chǎn)品為主。全線采用了西門子電控系統(tǒng)，變頻調(diào)速裝置全部是西門子S120變頻器。按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，全線共分為VVVF-DRIVES GROUP 1～5號(hào)、VVVF-DRIVES GROUP 9號(hào)，共六個(gè)整流組。以1號(hào)整流組為例，其余5個(gè)整流組結(jié)構(gòu)相同，不一一列舉，新天鋼連退機(jī)組變頻調(diào)速系統(tǒng)1號(hào)整流組結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新天鋼連退機(jī)組變頻調(diào)速系統(tǒng)1號(hào)整流組結(jié)構(gòu)

在整流部分，新天鋼連退機(jī)組使用的是西門子SLM整流回饋系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是除了整流作用外，還可以將直流電回饋到電網(wǎng)，具有節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)[1]。西門子S120變頻裝置在新天鋼連退機(jī)組中用于輥?zhàn)诱{(diào)速使用，以矢量控制為主，每一臺(tái)電機(jī)都有編碼器實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制。S120的控制單元的CPU為CU320，它與功率單元之間是通過DRIVE-CLiQ方式實(shí)現(xiàn)通信的。圖3為西門子S120的DRIVE-CLi Q通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中粗實(shí)線部分為DRIVE-CLiQ通信線纜。

圖3 西門子S120的DRIVE-CLiQ通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

西門子S120變頻器內(nèi)部各模塊間的通信都是通過DRIVE-CLiQ實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際連接狀態(tài)要和西門子開發(fā)的STARTER軟件界面上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持一致，否則系統(tǒng)就會(huì)報(bào)錯(cuò)，無法通信。通過STARTER軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)S120變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定或修改。但CU320不能夠作為主站訪問PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)中的ET200或者其他設(shè)備，DRIVECLiQ的通信最長(zhǎng)距離為70m。

2.2 西門子S120變頻器主要功能

西門子S120變頻器的控制器里有很多功能可供編程使用，其中包括加法器、乘法器、與或非門等一些邏輯功能，每個(gè)CPU里最多有240個(gè)功能塊可供使用，其使用的是CFC編程語言，與其他系統(tǒng)的兼容性強(qiáng)?？刂破骼顲U320相當(dāng)于西門子S120變頻器的大腦，是S120變頻器的核心部件，而系統(tǒng)中的整流組和逆變器都只是其中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是功率器件。西門子S120變頻器能夠根據(jù)不同生產(chǎn)線的要求，具有多種控制模式，其控制模式的設(shè)定都是集成在CU320中。CU320中有速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、負(fù)載平衡等多種控制模式可以設(shè)置，以滿足不同生產(chǎn)線的需求。

2.2.1 連退機(jī)組速度控制

連退機(jī)組全線分成了不同的速度區(qū)域，以活套作為分界點(diǎn)。不同速度區(qū)域都有一個(gè)速度主令輥，該區(qū)域的其他輥都按照主令輥的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。為滿足連退機(jī)組不同的工藝要求，S120變頻裝置內(nèi)部集成了一個(gè)速度控制的比例積分控制器，比例控制器產(chǎn)生輸出后，作為積分控制器的輸入，積分控制器能夠按照設(shè)定值去調(diào)整，這樣可就有效抑制速度控制過程中的超調(diào)發(fā)生。速度控制模型參數(shù)設(shè)置正確后，能夠達(dá)到速度設(shè)定值和速度實(shí)際值基本一致。

2.2.2 連退機(jī)組恒張力控制

為了保證機(jī)組的張力穩(wěn)定，還有一部分傳動(dòng)處于非速度控制模式下的矢量控制，其功能在基礎(chǔ)自動(dòng)化的PLC中設(shè)置。通過轉(zhuǎn)矩限幅作用，使它們的速度環(huán)飽和，電流環(huán)直接控制，用這種方法可實(shí)現(xiàn)機(jī)組的恒張力控制。轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值一般通過PROFIBUS以百分?jǐn)?shù)的形式下發(fā)，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值直接作用在轉(zhuǎn)矩限幅值上。

2.2.3 連退機(jī)組張力輥力矩平衡控制

新天鋼連退機(jī)組共有8套張力輥，張力輥之間的力矩都需要平衡分配，在西門子S120中叫做負(fù)荷平衡，負(fù)荷平衡通常指的是一組傳動(dòng)輥通過帶鋼把各個(gè)輥?zhàn)訖C(jī)械地連接在一起（例如：張力輥），其中的一個(gè)輥?zhàn)幼鳛橹鬏?，設(shè)定額定轉(zhuǎn)矩，其他的輥?zhàn)幼鳛閺妮?。主輥的控制器是一個(gè)PI控制器，用于速度控制。其他從輥的速度控制器是一個(gè)P控制器。在控制過程中，主輥的速度PI控制器的積分分量以附加給定的形式發(fā)送給從輥P控制器。從輥就會(huì)按照這個(gè)積分分量進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣能夠保證一組的張力輥力矩平衡，不至于互相牽制、互相抵消，保證了張力輥的出力。

2.3 西門子S120調(diào)試流程

西門子S120和其他的變頻器一樣，并不是拿來就能夠使用的。需要有專業(yè)的知識(shí)儲(chǔ)備，需要通過一步一步的參數(shù)設(shè)置、變頻器與電機(jī)的匹配優(yōu)化以及通信參數(shù)和控制字狀態(tài)的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)的。下面結(jié)合西門子S120變頻器多年的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，對(duì)S120變頻器基本設(shè)置流程進(jìn)行介紹，以供初學(xué)者參考。西門子S120變頻器基本設(shè)置流程如圖4所示。

按照?qǐng)D4所示流程對(duì)變頻器進(jìn)行設(shè)置，就能夠完成一臺(tái)S120變頻器的基本調(diào)試。一般用一臺(tái)安裝STARTER的PG調(diào)試工具更為簡(jiǎn)便。

圖4 西門子S120變頻器基本設(shè)置流程

3 西門子S120變頻器的日常故障分析及處理

西門子S120變頻器在新天鋼連退機(jī)組的使用過程中，運(yùn)行比較穩(wěn)定，但偶爾也會(huì)出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)，但大部分都是外界因素造成的。在使用的10多年之間，也遇到了一些故障，下面就把遇到的故障和處理方法列出來，供大家參考。

（1）故障碼F01000，軟件內(nèi)部故障。處理方法是：斷掉所有元件的控制電，再重新上電；升級(jí)更新固件；更換控制單元CU320。

（2）故障碼F07902，電機(jī)堵轉(zhuǎn)[2]。處理方法是：檢查機(jī)械是否有卡阻；檢查編碼器是否運(yùn)行正常；檢查編碼器模板SMC30是否運(yùn)行正常。

（3）故障碼F08700，通信故障。處理方法是：檢查通信電纜是否破損；檢查通信板CBC運(yùn)行是否正常；檢查波特率設(shè)置是否正確；檢查地址設(shè)置是否正確。

（4）故障碼F07802，整流或者功率單元沒有準(zhǔn)備好。處理方法是：增加監(jiān)視時(shí)間P0857；確定是否直流母線有電壓；更換整流或者功率單元的信號(hào)模塊。

（5）故障碼A07805，功率單元過載。處理方法是：降低張力、減小速度，減少持續(xù)過載時(shí)間；檢查核對(duì)電機(jī)的額定電流、電壓等參數(shù)是否正確。

以上故障碼都是在實(shí)際生產(chǎn)過程中遇見的，故障和處理方法也是經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的，在這里可供參考。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累和不斷的學(xué)習(xí)，一些故障均會(huì)迎刃而解的，但在生產(chǎn)中也有一些怪異的問題發(fā)生。例如：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)輥?zhàn)拥穆?lián)軸器斷了，變頻器就會(huì)報(bào)警“設(shè)定速度和實(shí)際速度偏差過大”；還例如：現(xiàn)場(chǎng)軸承卡死，西門子S120變頻器就會(huì)報(bào)警“堵轉(zhuǎn)”等等這些問題。所以變頻器報(bào)警不一定是變頻器本身的問題。

4 結(jié)語

綜上所述，西門子S120變頻器具有功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)，可為用戶在生產(chǎn)線電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中提供理想的解決方案。用戶可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇和配置，使得整個(gè)生產(chǎn)線變頻驅(qū)動(dòng)控制裝置優(yōu)化、簡(jiǎn)潔、高效。實(shí)踐表明，西門子S120變頻器完全內(nèi)適應(yīng)鋼鐵行業(yè)各種復(fù)雜工況，尤其對(duì)于連退生產(chǎn)線的速度、張力及扭矩的控制。

西門子S120變頻器在新天鋼連退機(jī)組投產(chǎn)使用以來，很少出現(xiàn)故障，工作穩(wěn)定性強(qiáng)。在多年的使用中，工藝人員獲得了許多S120變頻器使用、調(diào)試、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，在日常的使用中經(jīng)常對(duì)其參數(shù)進(jìn)行修改，另外為滿足工藝需求，也經(jīng)常對(duì)變頻器的控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化。目前新天鋼連退機(jī)組工藝人員逐漸熟悉了S120變頻器的操作系統(tǒng)，對(duì)其功能掌握得越來越全面。本文將新天鋼連退機(jī)組多年來西門子S120變頻器的使用維護(hù)經(jīng)驗(yàn)分享給大家，以供參考和借鑒。