SINAMICS S120在上懸卸料離心機上的應用

(青島理工大學琴島學院、青島高校重工機械制造有限公司，山東 青島 266106) 張鐵力

(青島理工大學琴島學院,山東 青島 266106) 李曉佳

1 引言

XJZ離心機是一種機械卸料的全自動上懸離心機，凡與物料接觸部分均采用不銹鋼或耐腐蝕材料制造，保證分離后產品的清潔衛生；氣動機械刮刀卸料，使卸料安全可靠。主要用于制造工業中的甲糖膏的分離，也適用于乙糖膏、葡萄糖膏或類似的結晶物料的固、液分離。

由于上懸全自動卸料離心機具有中低速進料、高速分離、低速卸料及循環周期短的特點，且要求轉鼓在60～1200r/min范圍內能無級調速，因此通常采用變頻器，并配備能量回饋單元，制動能量回饋電網，可節省電能，使離心機轉鼓能平滑、無沖擊的啟動或停止。但這種控制方式在轉鼓快速降速，能量回饋電網時會給電網造成污染，其中所含的高次諧波會對工廠電網或其它用電設備造成影響，使電子部件發熱有損壽命，對弱電信號造成干擾，使控制器接收錯誤信號程序混亂。為了解決這些問題離心機廠家普遍采用6SE70變頻器，并在此基礎上為了節約成本、提高回饋能量的利用率，采用“一拖二”的控制方式，即拖動兩臺離心機變頻器的逆變器共用一個整流單元，當一臺離心機處于降速制動發電時，要求另一臺處于升速狀態，將制動的能量不用回饋電網就能利用起來，這需要兩臺PLC通過外部信號交換，相互通知各自狀態協調工作，但也存在如下問題，首先，在電網突然斷電時會發生回饋顛覆問題，造成燒硅，由于西門子已將6SE70系列變頻器退市，所以配件的價格不斷升高，維護、維修成本越來越大。其次，兩臺離心機能否協調工作是由外部信號決定的，當外部線路發生短路、松動或受到干擾都會給兩臺離心機的工作造成影響，從而影響產量。再者，既然兩臺設備分成一組，用兩臺觸摸屏操作起來就顯得非常不方便。同時，離心機數量越多，用WinCC等數據采集與監控軟件進行組態的要求就越高，拓撲結構就越復雜。因此我們提出用新的控制方式來解決上述問題，而S120系列變頻器的問世，為我們解決上述問題帶來新的契機。

SINAMICS S120可以勝任各個工業應用領域中要求苛刻的驅動任務，其模塊化的系統組件設計，使大量部件和功能相互之間具有協調性，可進行組合使用從而構成最佳方案。在機械制造和工廠工程的許多應用中，都需要使用共同完成驅動任務的協調式驅動裝置，例如高端上懸全自動卸料離心機，屬于大慣性負載，由于工藝要求離心機轉鼓升速、降速非常頻繁，為了節能高效，可以將兩臺離心機分成一組協調工作，為此需要使用帶有耦合式直流母線的驅動，這樣就能以節省成本的方式，在制動軸和驅動軸之間實現能量交換。SINAMICS S120擁有大功率范圍的電源供應裝置（Line Module：電源模塊）和逆變器模塊（Motor Module：電機模塊），這些模塊可以進行無縫安裝并節約多軸驅動裝置的空間。調節型電源模塊（Active Line Module）是作為升壓器工作的自控供電/再生饋電裝置，可以產生一個受控的直流母線電壓，是額定電壓的1.5倍，這樣相連的電機模塊便可以和電源電壓隔開，電網容差或電網波動都不會對電機電壓產生影響，進而提高了動態響應能力并改善了控制性能，此外必要時調節型電源模塊還具有無功功率補償的功能，其功率因數可以達到1.0（基波）。

2 SINAMICS S120項目配置

本文以MSWord2003(中文版)平臺為例，具體給出了論文格式說明。SINAMICS S120的項目配置及調試是通過集成的DP接口來完成的，所以在編程器或PC機上必需插有DP接口卡（CP5511/CP5512/CP5611/CP5613等）或編程電纜（PC Adapter）。通過STARTER或SCOUT軟件創建一個項目的形式來進行的，共有兩種創建項目的方式，離線方式和在線方式。

離線創建方式是所有的項目數據都在離線的方式下輸入的，即在離線的狀態下創建一個新項目，選擇相應的驅動單元，根據圖形化的提示一步一步地手動輸入或選擇各模塊和電機的數據，當數據全部輸入完后，存儲項目并下載到驅動裝置中，即完成項目的創建。

在線創建方式是將編程器和驅動單元在線連接，控制系統（CU320）通過DRIVE-CLIQ將相連接的各模塊和電機數據讀入裝置，再通過DP接口傳到編程器中，即在在線方式下將各模塊的參數從裝置上載到編程器中，無需手動輸入，但如果電機不帶DRIVE-CLIQ接口，編碼器參數仍需手動配置。

這里重點討論在線方式，由于STEP7、STARTER軟件同裝在一臺PC上，所有STARTER軟件可以集成到STEP7中，在STEP7中創建一個項目，將S120_CU320作為S7-300 PLC的一個從站，配置從站地址及與S120通訊的報文方式。雙擊Commissioning，即可打開STARTER軟件，項目名稱與STEP7中創建的項目名稱一致。需要注意的是SINAMICS S120的版本及DP地址的設置（打開CU320前端的BOP面板會發現地址開關），詳細內容可參考參考文獻[3]，這里不再詳述。

2.1 SINAMICS S120在線調試

2.1.1 編程器與驅動器的連接

前面在STEP7中已經創建了S120_CU320子站，雙擊Commissioning，打開STARTER軟件，點擊工具欄內的“connect to target system”圖標，將SIMANICS S120與編程器連接起來。

需要注意的是，控制單元CU320上的CF卡內可能含有原來的舊的項目配置，系統在連接時會對新建項目和原有舊的項目的拓撲結構進行比較，如果二者存在差別，那么連接后會出現提示對話框，將不同之處標出。

表格下方有兩個按鈕，“Download”（下載）和“Load to PG”(上載)，由于我們要進行自動配置，所以都不選，直接點擊最下面“Close”按鈕即可。

2.1.2 恢復工廠設置

點擊工具欄內的“Restore factory settings”圖標，將SINAMICS S120恢復工廠設定。選擇“Save factory settings to ROM”并點擊OK，系統開始進行工廠復位。

2.1.3 自動配置驅動系統

在窗口左側項目導航欄中，雙擊S120_CU320下的“Automatic Configuration”，此時彈出一個對話框。當該對話框的第一行“Status of the drive unit”顯示“First conmmissioning”時，點擊“Configure”按鈕。系統會讓用戶選擇軸的控制類型——伺服或矢量控制，根據實際應用選擇矢量控制，點擊“Create”。

此時系統開始自動配置，將可以識別的組件（即帶有Drive_CLiQ接口的組件）上裝到編程器中，但不能識別的組件，例如我們選擇的是通過SMC模塊連接的編碼器接口的電機，電機不帶Drive_CliQ接口，所以需要我們離線手動配置驅動參數。系統提示自動配置結束，但有兩個軸的電機參數需要離線配置，點擊按鈕“Go OFFLINE”，SINAMICS S120與編程器斷開連接。

2.1.4 手動配置不帶Drive_CLiQ接口組件

兩個矢量軸都需要手動配置，配置流程一樣。在項目導航欄中找到要手動配置的組件，雙擊“Configuration”,然后在右側的窗口中點擊黃色按鈕“Configure DDS…”。在向導的指引下，配置完成如下內容，（1）Control structure ；（2）Power_unit；（3）Power unit BICO technology；（4）Power unit supplementary data；（5）Drive setting；（6）Motor；（7）Motor data；（8）Optional Motor Data；（9）Equivalent Circuit Diagram Data ；（10）Calculation of the Motor/controller data；（11）Motor holding brake；（12）Encoder；（13）Drive functions；（14）Process data exchange(drive)，此項選擇報文方式，要與SETP7項目中設定的報文類型一致，這里選擇標準報文1，發送控制字與速度給定，接收狀態字與實際速度值；（15）Important parameters；（16）Summary，是前15步的總結，可以拷貝到剪切板上然后存檔。

2.1.5 在線、下載配置

在工具欄內選擇在線，然后選擇下載。需要注意的是，在線情況下，用戶所看到的內容都存儲在控制單元CU320的RAM中，并沒有存儲在CF卡上或計算機的硬盤里。如果系統斷電，這些內容都會立即丟失，等下次上電時，系統會將CF卡中舊的數據讀到RAM中，CF卡上的數據是斷電保持的。所以用戶需要將新的內容拷貝到CF卡中，執行工具欄中的“Copy RAM to ROM”。如果想將當前的內容存到計算機的硬盤中，就需執行“Load to PG”，將RAM區中的內容讀到當前項目中，然后執行“Save and compile”，保存到硬盤上。

2.2 利用STARTER軟件對電機進行優化

SINAMICS S120從V2.4版本起，開放了對電機的優化功能，可優化的電機包括普通感應電機和同步伺服電機，無論是對Siemens電機還是對第三方電機都可以達到最優的控制特性。對電機的優化可分為靜態優化和動態優化。

2.2.1 電機的靜態優化

選擇需要優化的軸，點右鍵，從彈出的菜單中選擇“Expert”，再選擇“Expert list”，右側工作區會顯示專家列表。具體優化過程如下：

（1）選擇電機數據計算參數P 3 4 0，將參數值改為“[1]Complete calculation”，系統會自動計算電機參數，計算完成后P340自動恢復為0。在這個過程中不必使能變頻器。

（2）電機數據靜態識別參數P1910設為“[1]Complete identi fi cation and acceptance of motor data”，右鍵選擇需要優化的軸，選擇“Commissioning”，再選擇“Control panel”，打開控制面板。選擇“Assume control priority!”按鈕， 會獲取控制權，點“Enables”，使能軸，點“I”啟動軸，系統開始靜態識別，會改變定、轉子主抗、漏感等參數。變頻器有輸出電壓、輸出電流，電機可能最大轉動90度，且會發出“吱吱”的聲音。識別結束，P1910會自動變為0。

2.2.2 動態識別

由于上懸離線機屬于大慣性負載，且為了設備與人身安全這里不要求帶載優化，只進行電機空載優化即可滿足要求，識別方法如下：

設定電機數據動態識別參數P1960為“[2]Rotating measurement with encoder”，在控制面板啟動電機，電機會旋轉，優化完成P1960會自動變為0。

在STARTER中，還可以使用“Trace/function generator”或“measuring function”功能來對電機的動態特性進行調試，由于我們采用的是矢量控制方式，對電機進行動態識別即可滿足要求，其他功能不詳述。

3 STEP7 項目的構建

在這里我們將詮釋西門子所提出的全集成自動化的概念，在SMATIC Manager的平臺上將S7-300 PLC，MP277、SINAMICS S120、WinCC集成于同一項目下完成硬件的配置及用戶程序的編輯，然后分別下裝到相關的硬件中。網絡結構如圖1所示。

項目配置步驟如下：

（1）在SIMATIC Manager中創建S120項目；

（2）插入S7-300站，做硬件配置，建立Pro fi Bus網絡；

（3）插入S120_CU320子站，配置報文方式，根據CU320上的撥碼開關設置地址；

（4）編寫工藝程序及控制程序，寫控制字及速度給定利用SFB15，讀狀態字及實際速度值用SFB14。需要注意的是，可先在OB100中向控制字1中送入047E，或在設備啟動前先送入047E，用于設備運行準備，送入047F電機啟動。對于非周期參數讀寫用SFC58、SFC59；

（5）在SIMATIC Manager下進入STARTER，對S120做相關配置，具體步驟在上文中提到；

（6）在SIMATIC Manager 窗體S120項目下插入SIMATIC HMI Station ，進入相應的硬件配置，選擇MP277，進入SIMATIC WinCC fl exible 2008軟件，可以創建與S7-300站的MPI連接或DP連接（在硬件配置NetPro中設置為MPI連接），可以創建畫面對S7-300PLC中的變量進行監控與設置，完成對離心機的整體操作。

（7）插入SIMATIC PC Station或OS站，可對所有設備進行數據采集與監控，在WinCC軟件中可做進一步設置、添加驅動連接、監控畫面等。

（8）保存項目，在線連接，將項目下載到相關的設備中。

（9）通過MP277及WinCC進行測試。

4 存在的問題與解決方法

本文的亮點在于：SINAMICS S120 DC/AC 共直流母線的多軸驅動器在上懸式自動卸料離心機上的應用，其控制方式在上懸式離心機領域是一種新的突破；并采用一臺S7-300 PLC控制兩臺離心機的工藝過程，操作方便且相互獨立，兩臺設備可同時協調工作，離心機升、降速可實現內部互鎖，使一臺離心機降速時產生的能量被另一臺設備使用，可至少節約30%的電能，也可單獨啟用一臺設備；對于多臺設備使用WinCC集中監控，便于組態、通信與擴展。

同樣設備在使用中也不可避免存在各種問題，我們將許多問題都做了人性化處理：（1）根據工藝及現場要求可單獨操作某臺設備或兩臺設備協調工作；（2）當需要對設備進行維護、檢修時，單停一臺設備，在相應電機功率模塊輸出及PLC輸入、輸出處做斷電保護；（3）當S120的電源模塊損壞時，斷開總電閘、檢查線路，確定其它器件無問題后換上配件，再將壞的電源模塊送西門子維修；（4）當電機模塊損壞時，斷開總電閘、檢查線路，確定其它器件無問題后換上配件，再將壞的電機模塊送西門子維修；（5）當觸摸屏故障或意外損壞，換上灌好程序的觸摸屏，觸摸屏停止會影響操作但不會影響工藝過程，它的更換不會影響產量；（6）PLC故障（故障率很低），兩臺設備停止后，檢查故障來自于外部線路還是PLC本身，如線路無問題，更換灌好程序的PLC。

從以上問題中可以看到，應用企業需備些配件，以節省時間提高產量，不僅因為所耽誤時間生產的產值要遠高于配件，還有一個主要問題，即一般企業不具備專業維修人員。對于PLC故障更換問題會有人提出異議，認為不如使用兩臺PLC好，這樣一臺出問題另一臺不用停止工作，首先西門子S7-300 PLC在實際應用中出現問題概率很低，其次兩臺設備協調工作時，內部互鎖信號的穩定性遠遠高于外部互聯信號的穩定性，可使設備工作周期最優化，所提高的產值累積起來非常可觀。

5 總結

本文采用SINAMICS S120 DC/AC 共直流母線的多軸驅動器拖動兩臺上懸式全自動卸料離心機；采用一臺S7-300 PLC控制兩臺離心機的工藝過程；采用一臺觸摸屏對兩臺設備進行操作。在上懸式自動卸料離心機領域中是一個很大的突破，不僅可以使廠家在上項目初期節約成本，更重要的是在實際的使用中做到了穩定、高效、節能，因此這種控制方式具有廣泛的應用前景。

[1]西門子. SINAMICS S120裝機裝柜型功率部件[Z]，2006.

[2]西門子. SINAMICS S120 產品目錄[Z]2008.

[3]西門子. SINAMICS S120 & SIMOTION D快速入門[Z]，2005.

[4]西門子. SINAMICS S120調試手冊[Z]，2006.