西門子變頻器在木片配比螺旋設(shè)備上的應(yīng)用

李先會，馬連杰，龍真生，農(nóng)紅麗，吳騰宇，姚遠(yuǎn)

（1.西門子能源有限公司，廣西 南寧 530022；2.斯道拉恩索（廣西）漿紙有限公司，廣西 北海 536000；3.廣西大學(xué)行健文理學(xué)院，廣西 南寧 530005；4.賽富電力集團(tuán)股份有限公司，廣西 南寧 530031；5.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司河池供電局，廣西 河池 547000）

0 引言

2022年3月14日，“廣西欽州豐林木業(yè)有限公司年產(chǎn)50萬立方米超強刨花板項目”已完成整線設(shè)備的調(diào)試，實現(xiàn)“首板下線”。廣西已經(jīng)成為中國中密度纖維板產(chǎn)業(yè)的重要產(chǎn)地之一。2020年我國纖維板生產(chǎn)企業(yè)保有纖維板生產(chǎn)線共454條，截至2020年底我國關(guān)閉、拆除或停產(chǎn)纖維板生產(chǎn)線累計781條，淘汰落后生產(chǎn)能力3 316萬立方米/年，整體纖維板生產(chǎn)能力有所下降，但平均單線生產(chǎn)能力同比有所上漲[1]。2020年我國纖維板生產(chǎn)能力Top3地區(qū)分別為山東、河北及廣西。

中密度纖維板（Medium Den-sity Fiberboard），是通過樹脂或粘結(jié)劑將木質(zhì)或非木質(zhì)纖維在高溫狀態(tài)下壓制而成的板制品，常被用于制成家具、建材，特別是在建筑工程、裝飾裝修、車輛船舶等行業(yè)應(yīng)用極為廣泛中高密度纖維板的生產(chǎn)工藝有木片的備料工序、纖維的制備工序、成型熱壓工序和成品加工工序[2]。包括原料堆放、切片、木片貯存、木片配比螺旋送料器、木片的水洗或篩選、預(yù)蒸煮、熱磨、調(diào)膠、加蠟、施膠、干燥、纖維鋪裝、預(yù)壓、齊邊與橫截、熱壓、縱橫鋸切、冷卻、齊邊、砂光和分割鋸、檢驗分等、成品包裝等工序[3]。

在本項目的木片配比螺旋送料器的應(yīng)用中，原先有三個木塞螺機，均是使用液壓缸推動木塞螺旋機底部刮板，刮板推動木片落入皮帶進(jìn)入生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)。木塞螺旋機出料多少，取決于刮板刮出的木片量。由于落入刮板的木片不均勻，使得三個木塞螺旋機出料量時多時少，無法按生產(chǎn)工藝要求的木片配比出料，對纖維板的性能產(chǎn)生一定的影響，嚴(yán)重阻礙板性能的提高。木塞螺旋機中桉樹木片、外購木片含有樹皮較多，不易下滑，容易在木塞螺旋機內(nèi)搭橋，即木塞螺旋機上面是滿的，刮板的地方卻是空的，影響生產(chǎn)。除此之外，液壓缸、液壓系統(tǒng)較大，每次更換，維修不方便。由于木塞螺旋機的液壓系統(tǒng)的使用和運維存在以上問題，因此用戶提出采用變頻器改造的需求。

通過分析，考慮到設(shè)備的通用性和備件通用性，項目中采用西門子G120變頻器進(jìn)行改造。

1 硬件設(shè)計

SINAMICS系列變頻器是西門子全面適用于各種傳動應(yīng)用的變頻器家族，包括G110、G120、G150/G130、S120、S150低壓變頻器，以及GM150/SM150高壓變頻器?？紤]到木塞螺旋原有液壓控制的具體情況，結(jié)合生產(chǎn)工藝控制要求，選用了西門子G120變頻器。西門子SINAMICS G120變頻器主要特點如下：

（1）模塊化設(shè)計。G120變頻器主要包括功能模塊PM、控制單元CU和操作面板BOP。而且完全獨立的單元，具備帶電熱插拔功能。功率模塊和控制單可以自由組合，可以快速組建傳動系統(tǒng)的最佳方案。

（2）集成了故障安全保護(hù)功能。安全保護(hù)包括人員的保護(hù)、設(shè)備保護(hù)、自動檢測、連續(xù)監(jiān)控等。

（3）具有再生能量回饋功能。G120變頻器實現(xiàn)全功率段再生能量回饋，制動時無需制動電阻就可以直接回饋電網(wǎng)。變頻控制柜不再需要外加冷卻風(fēng)扇，節(jié)省能量，減少接線成本。

（4）增強環(huán)境適應(yīng)性和耐受性。采用智能冷卻設(shè)計理念，冷卻風(fēng)只流過散熱片，風(fēng)道中沒有任何電子模塊。電子模塊采用自然冷卻方式，控制單元采用對流風(fēng)冷卻方式，從而延長設(shè)備使用壽命。

（5）具有豐林的型號規(guī)格和功率范圍。具有0.37～132 kW的功率范圍，那組各種驅(qū)動調(diào)試解決方案應(yīng)用。

（6）無故障的安裝、運行維護(hù)和簡便的維護(hù)。工廠組態(tài)和調(diào)試軟件采用Starter軟件，可以快速調(diào)試變頻器，節(jié)約安裝時間，迅速投運設(shè)備。

現(xiàn)場木塞螺旋系統(tǒng)有4臺18.5 kW電機，因此選配了重載18.5 kW的G120變頻器6SL32410-1PE24-5UL0，配置控制單元CU模塊6SL3244-0BB12-1FA0，這樣可以更好了實現(xiàn)現(xiàn)場的控制需求。

1.1 電氣圖紙設(shè)計

在項目設(shè)計階段，電氣設(shè)計包括主回路設(shè)計和控制回路設(shè)計，在變頻器的控制回路中，分別要考慮變頻器的命令源和速度源，從而實現(xiàn)變頻器的控制。如圖1所示。

圖1 電氣原理圖

G120變頻器主回路采用常規(guī)控制方案，系統(tǒng)不匹配進(jìn)線電抗器和出線電抗器，采用直連方式。變頻器控制回路，提供了本地控制和遠(yuǎn)程控制。在本地控制中，提供電位計、急停、啟動、停止、故障、運行等控制和反饋，以及本地/遠(yuǎn)程旋轉(zhuǎn)開關(guān)，實現(xiàn)功能切換。在正常情況下，系統(tǒng)處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)，由中控室發(fā)出控制信號，通過Profibus協(xié)議實現(xiàn)對主-從CPU通信，進(jìn)而實現(xiàn)對變頻器的控制。如遇到網(wǎng)絡(luò)故障問題，或者生產(chǎn)現(xiàn)場的測試需要，切換到本地控制，通過控制柜的啟停按鈕，電位計等，便可在本地現(xiàn)場測試和運行設(shè)備。本地和遠(yuǎn)程，需要設(shè)定2組變頻器的參數(shù)組，通過選擇開關(guān)，實現(xiàn)兩組參數(shù)組的切換。

在命令源的設(shè)計上，采用本地按鈕變頻器I/O端子排中，模擬量AI0通道負(fù)責(zé)連接電位計信號；在速度源的設(shè)計上，模擬量AI1通道了解PLC的模擬量輸出通道，接受速度給定信號。遠(yuǎn)程/本地控制模式切換。

1.2 主要硬件構(gòu)成

由于原來的木塞螺旋是液壓控制，存在送料不穩(wěn)定、不均勻的問題，因此采用變頻器控制，可以實現(xiàn)送料的曲線平穩(wěn)。因此，采用的標(biāo)準(zhǔn)的G120控制單元CU240S，采用u/f控制，考慮到I/O成本，選用了ES200SP I/O、西門子G120變頻器作為驅(qū)動器構(gòu)成的控制柜。在本項目的硬件配置中，具有以下幾個特點[4]：

（1）采用變頻器柜門組件。考慮到G120操作面板需要集成到柜門，因此選用了柜門選件6SL3256-0AP00-0JA0，實現(xiàn)了可以在柜門上直接操作控制變頻器。

（2）采用ES200SP系列I/O，節(jié)約項目成本。在標(biāo)準(zhǔn)的PLC硬件從站改造中，常規(guī)的是CPU系列與I/O系列一致性。但是在本項目中，采用了從站為CPU 300系列CPU313-2DP控制器，I/O模塊沒有采用S7-300系列，而是采用了ET200SP系列產(chǎn)品，實現(xiàn)I/O模塊空間更小，項目成本有效控制，但是又不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠。

（3）采用威圖柜。在大量的工業(yè)現(xiàn)場的一般自動化改造中，很多項目采用的控制柜都是國產(chǎn)柜體，本項目考慮到現(xiàn)場的使用環(huán)境，粉塵多、戶外等原因，采用了標(biāo)準(zhǔn)威圖柜，確保了良好柜內(nèi)設(shè)備工作環(huán)境。

（4）進(jìn)線主開關(guān)采用西門子3VT系列塑殼斷路器。考慮到現(xiàn)場4臺18.5 kW功率的變頻器，額定電壓為380Vac，因此選用V250斷路器。斷路器具有標(biāo)準(zhǔn)交換容量N Icu=35 kA，415/440 VAC 3極，系統(tǒng)保護(hù)熱磁性脫扣器，IR=250 A，過載保護(hù)II=2500 A，短路保護(hù)，完全滿足現(xiàn)場需求。主要硬件配置見表1。

表1 硬件配置表

（5）以Profibus-DP作為子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。目前，Profibus是國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一。其具有獨特的技術(shù)特點、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，成為現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)解決方案。Profibus-DP是主站和從站之間采用輪詢的通信方式，指出高速的循環(huán)數(shù)據(jù)通信，在制造業(yè)自動化系統(tǒng)中的現(xiàn)場級通信用具有廣泛的應(yīng)用[5]。由于原系統(tǒng)采用的是西門子S7-400控制器，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為Profibus DP協(xié)議，因此本項目繼續(xù)援用CPU313-2DP作為從站控制器，負(fù)責(zé)管理現(xiàn)場各種信號，通過profibus把數(shù)據(jù)上傳到主站，通過網(wǎng)絡(luò)連接到中控室工程師或者操作員站，實現(xiàn)對現(xiàn)場木塞螺旋設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。是現(xiàn)場變頻器改造后的控制柜（圖2）。

2 軟件設(shè)計

2.1 變頻器參數(shù)設(shè)定

G120調(diào)試主要包括基本調(diào)試、恢復(fù)工廠設(shè)置、數(shù)據(jù)備份等。目前可以使用工具軟件有2種[4]：

（1）Starter可以集成到西門子工程管理系統(tǒng)中去，是西門子SINAMICS變頻器調(diào)試和圖形啟動工具軟件，運行在Win7/Win10系統(tǒng)環(huán)境下，實現(xiàn)對變頻器的“參數(shù)表”進(jìn)行讀取、修改存儲、讀寫和打印等操作。在項目的工程組態(tài)時，可以通過STARTER內(nèi)部的各種驅(qū)動元器件的電子模塊來完成。

（2）集成了Tia Startdrive的TIA博途軟件。西門子工業(yè)自動化集團(tuán)為其全集成自動化軟件平臺“TIA博途”具有豐富的功能模塊，可以通過添加的簡單方式，完成功能塊的安裝和部署。在V14版本中，西門子所有SINAMICS G變頻器系列的驅(qū)動產(chǎn)品都可以通過TIA博途設(shè)置參數(shù)，并且更多的診斷功能被集成到了該工程軟件平臺中來，可以有效防止非法復(fù)制和訪問西門子自動化設(shè)備和驅(qū)動系統(tǒng)的配置、編程、調(diào)試、維修的工程設(shè)計工具進(jìn)行了更新，如用于控制器的SIMATIC STEP 7 V14、用于HMI系統(tǒng)（SIMATIC人機界面）的SIMATIC WinCC V14以及用于SINAMICS G變頻器系列的SINAMICS Stardrive V14。

本項目中，我們采用TIA Staerdrive工廠軟件包，實現(xiàn)了對變頻器的參數(shù)設(shè)定。博圖TIA Starterdrive軟件提供了頻器參數(shù)設(shè)置，包括了基本設(shè)置、輸入輸出端、通信設(shè)定值、運行方式、驅(qū)動功能、安全集成、應(yīng)用功能、通訊、連接等參數(shù)的設(shè)定。

2.2 PID設(shè)定

木塞螺旋機負(fù)責(zé)木片的輸送，屬于原料輸送機械設(shè)備。系統(tǒng)采用變頻器后，通過中控室人機界面給定變頻器輸出，從而實現(xiàn)木塞螺旋機的轉(zhuǎn)速控制，因此，穩(wěn)定的木片輸送，對生產(chǎn)配比有著重要的要求。在博圖TIA Starterdrive軟件中，我們需要設(shè)定PID模塊。根據(jù)變頻器輸出的電流值iq_實際值，與系統(tǒng)給定的iq_設(shè)定值相比較，經(jīng)過PI計算器后，從而調(diào)整變頻器PWM輸出，實現(xiàn)對木片螺旋機的閉環(huán)控制。顯然，本項目通過G120自帶PID模塊，無須使用電機的編碼器反饋信號，節(jié)約了硬件成本，實現(xiàn)了無反饋的矢量控制。

2.3 畫面設(shè)計

由于原來的項目是由中密度纖維板專業(yè)制造企業(yè)地芬巴赫公司設(shè)計，原系統(tǒng)采用了西門子S7-400系列PLC模塊，人機界面采用了RSview32組態(tài)軟件。RSview32是美國AB公司開發(fā)的基于組件的用于監(jiān)視與控制自動化設(shè)備和過程的人機界面軟件[6]。RSVIEW32通過開放的技術(shù)達(dá)到與羅克維爾軟件產(chǎn)品、微軟產(chǎn)品和其他應(yīng)用軟件間空前的兼容性。整個項目已經(jīng)運行了近20年，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

本次改造中，通過主CPU S7-400讀取遠(yuǎn)程木片配比螺旋機的變頻柜中從站CPU313-2DP，實現(xiàn)對G120變頻器的控制和數(shù)據(jù)狀態(tài)讀取。

圖2所示，整個系統(tǒng)包括1號、2號木片倉。我們在之前已經(jīng)改造了2號倉。本次改造的1號倉中，安裝了4臺變頻器G120，實現(xiàn)對木片螺旋機的控制需求。根據(jù)生產(chǎn)工藝，在畫面設(shè)計中提供了4臺G120變頻器的狀態(tài)和過程數(shù)據(jù)，包括速度給定、速度反饋，以及啟動和停機等功能。報警系統(tǒng)通過現(xiàn)場變頻器的I/O端子輸出，連接到變頻器柜門故障燈和PLC模塊中。

圖2 畫面設(shè)計1號倉

3 結(jié)語

本項目通過木塞螺旋機的驅(qū)動方式改造為變頻器G120，解決了原有液壓驅(qū)動的缺點，將三個木塞螺旋機全部拆除液壓推動裝置和木塞螺旋機底部刮板，用鋼板在每個木塞螺旋機底部做成漏斗狀，料斗底部出口使用四條螺旋軸出料到皮帶，使用變頻電機驅(qū)動螺旋軸出料，并通過S7-400與CPU313-2DP的Profibus主從通信，更好的分配CPU的任務(wù)資源，實現(xiàn)了高效穩(wěn)定的木片配料輸送。通過改造，主要有以下3方面的優(yōu)點：

（1）實現(xiàn)了通過變頻器調(diào)節(jié)變頻電機，讓木塞螺旋得到不同的轉(zhuǎn)速，得到相應(yīng)的木片送料量；

（2）可按生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行木片配比，使得木片配比操作簡單，配比結(jié)果較為準(zhǔn)確，減少了很多因木片配比不合引起的板性能問題，為提高纖維的性能打下了較好的基礎(chǔ)。

（3）在鋼板漏斗兩側(cè)安裝振動器，通過定時的振動，讓木片落到螺旋，減少木片搭橋的現(xiàn)象，使用螺旋軸出料代替液壓缸刮板出料，維護(hù)、更換較為簡單，較之前減少了維護(hù)成本。

通過升級改造木塞螺旋驅(qū)動系統(tǒng)，采用西門子G120控制，實現(xiàn)了中密度纖維板生產(chǎn)裝備的升級，提高了生產(chǎn)的技術(shù)水平，具有廣泛的應(yīng)用意義。