西門子G150變頻器主從控制方式應(yīng)用一例

馮曉輝，郭 穎

(1.西門子工廠自動(dòng)化工程有限公司，沈陽(yáng) 110013;2.北方重工集團(tuán)裝卸設(shè)備分公司，沈陽(yáng) 110000)

1 引言

西門子SINAMICS G150變頻器是將G130變頻器和所需要的輸入和輸出側(cè)組件集成到專門設(shè)計(jì)的機(jī)柜中而組成的變頻柜解決方案，是針對(duì)恒轉(zhuǎn)矩及平方轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載的，具有中等性能要求，但無(wú)需再生反饋的傳動(dòng)應(yīng)用所開(kāi)發(fā)的一款單機(jī)應(yīng)用的變頻調(diào)速柜。具有結(jié)構(gòu)緊湊，模塊化設(shè)計(jì)，維修方便的特點(diǎn)，并可通過(guò)選配多種選件來(lái)滿足客戶的特定需求，應(yīng)用非常廣泛。

主從控制是當(dāng)一個(gè)傳動(dòng)設(shè)備由兩個(gè)或多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，為保證各電機(jī)負(fù)荷的均勻分配就需要采用主從控制方式以滿足控制精度要求。

某廠新上生產(chǎn)線選用G150變頻器驅(qū)動(dòng)木材破碎機(jī)。這里介紹G150變頻器主從控制在木材破碎機(jī)上的應(yīng)用及調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。

2 主從控制的工作原理

主從應(yīng)用中主傳動(dòng)是典型的速度控制，而從傳動(dòng)是速度控制或者轉(zhuǎn)矩控制，一般情況下可分為:

當(dāng)主傳動(dòng)和從傳動(dòng)的電機(jī)軸通過(guò)減速機(jī)，鏈條等相互固定的剛性連接時(shí)，從傳動(dòng)與主傳動(dòng)之間不能有速度差，從傳動(dòng)使用轉(zhuǎn)矩控制，其工作時(shí)只負(fù)責(zé)輸出與主傳動(dòng)相同的轉(zhuǎn)矩以分擔(dān)主傳動(dòng)的負(fù)荷，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的速度控制由主傳動(dòng)來(lái)完成。

當(dāng)主傳動(dòng)和從傳動(dòng)的電機(jī)軸通過(guò)傳輸帶等設(shè)備柔性地連接時(shí)，從傳動(dòng)與主傳動(dòng)之間允許有細(xì)微的速度差，從傳動(dòng)使用速度控制。

在一些特殊應(yīng)用中，從傳動(dòng)既需要速度控制，也需要轉(zhuǎn)矩控制，原因是兩個(gè)電機(jī)軸工作時(shí)有的時(shí)候是剛性連接，有的時(shí)候是柔性連接，一般有主從控制性能的變頻器都有自由切換這兩種控制方式的功能。

主從控制的關(guān)鍵問(wèn)題是如何把主傳動(dòng)裝置的速度信號(hào)或轉(zhuǎn)矩信號(hào)高速和精確地傳送到從傳動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)方法因產(chǎn)品規(guī)格型號(hào)不同會(huì)有所差別，并且在各種應(yīng)用場(chǎng)合中由于傳動(dòng)控制精度的要求不同也可以通過(guò)不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要有:通過(guò)模擬量輸入/輸出口，及各種通訊模塊。

本例中用模擬量輸入/輸出口可以完全滿足工藝要求。

3 系統(tǒng)配置

兩臺(tái)G150變頻器做主/從控制，分別控制兩臺(tái)剛性連接的電機(jī)組成木材粉碎機(jī);如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖

主/從間的通訊通過(guò)端子模塊TM31的數(shù)字和模擬通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)采用PLC控制。

4 調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題及對(duì)策

4.1 控制方式

G150的轉(zhuǎn)矩控制方式有兩種，一是轉(zhuǎn)矩控制的直接選擇，二是轉(zhuǎn)矩控制的間接選擇。轉(zhuǎn)矩控制的直接選擇是指參數(shù)P1300=22/23，控制方式設(shè)定為無(wú)編碼器或者帶編碼器的轉(zhuǎn)矩控制，轉(zhuǎn)矩設(shè)定值是P1503，P2003是參考轉(zhuǎn)矩;轉(zhuǎn)矩控制的間接選擇是指參數(shù)P1300=20/21，控制方式設(shè)定為無(wú)編碼器或者帶編碼器的速度控制，速度控制切換到轉(zhuǎn)矩控制的信號(hào)源P1501被置1，轉(zhuǎn)矩設(shè)定值是P1503，P2003是參考轉(zhuǎn)矩。本例應(yīng)用中采用轉(zhuǎn)矩控制直接選擇且無(wú)編碼器反饋，即P1300=22。

G150可以在無(wú)編碼器的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，對(duì)于工藝要求不高的場(chǎng)合，降低了硬件成本。但其在低速時(shí)即開(kāi)環(huán)控制期間，性能不高，不能實(shí)現(xiàn)真正意義的閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制(即自動(dòng)進(jìn)行速度設(shè)置)，而是轉(zhuǎn)矩給定值通過(guò)斜坡積分器改變給定速度。因此只適用于低速時(shí)有加速轉(zhuǎn)矩?zé)o負(fù)載轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合。而帶編碼器的轉(zhuǎn)矩控制并沒(méi)有此限制。對(duì)于本例中的應(yīng)用，采用無(wú)編碼器的轉(zhuǎn)矩控制完全可以滿足工藝要求。功能框圖如圖2所示。

4.2 速度限幅

從功能圖中看，雖然速度限幅在轉(zhuǎn)矩給定的前端，好像對(duì)轉(zhuǎn)矩控制的從動(dòng)裝置的速度不應(yīng)該有限制，但實(shí)際上，當(dāng)速度超過(guò)P1082所設(shè)的最高速度后，速度限制調(diào)節(jié)器可以通過(guò)降低轉(zhuǎn)矩限幅來(lái)防止失速。

圖2 轉(zhuǎn)矩控制功能圖

事實(shí)證明，P1082能有效地限制轉(zhuǎn)矩控制的從動(dòng)裝置的最大速度，以防止飛車。因此對(duì)從動(dòng)裝置來(lái)說(shuō)，即使是無(wú)負(fù)載并且脫軸的情況下，只要正確設(shè)置了P1082，也無(wú)飛車危險(xiǎn)(但速度可能會(huì)有超調(diào))。

4.3 啟動(dòng)/停車存在的問(wèn)題

對(duì)于從動(dòng)裝置是轉(zhuǎn)矩控制的情況(P1300=22)，如果同一個(gè)啟動(dòng)命令分別控制主和從的ON/OFF1信號(hào)，會(huì)出現(xiàn)雖然兩臺(tái)變頻器同時(shí)啟動(dòng)，但停車時(shí)主的按OFF1斜坡下降時(shí)間停車，而從的因無(wú)速度環(huán)控制，而將立即脈沖封鎖和斷電，即慣性停車(OFF2);即停車時(shí)不能實(shí)現(xiàn)主/從負(fù)載的均勻分配。而如果為使主動(dòng)和從動(dòng)裝置同時(shí)停車，而用主的脈沖使能信號(hào)控制從的ON/OFF1信號(hào)，雖然能實(shí)現(xiàn)同時(shí)停車，但又會(huì)出現(xiàn)主的啟動(dòng)信號(hào)來(lái)之后，主動(dòng)裝置啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)主的合閘和激磁時(shí)間延時(shí)后，脈沖使能信號(hào)才發(fā)出，從的才能啟動(dòng);即雖然能實(shí)現(xiàn)同時(shí)停車，但又不能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程的同步;為了解決這個(gè)矛盾，可以將從的ON/OFF1與OFF3配合使用;因?yàn)橛棉D(zhuǎn)矩控制時(shí)(P1300=22)，OFF3命令可以實(shí)現(xiàn)從轉(zhuǎn)矩控制到速度控制的切換。那么如果只是簡(jiǎn)單用主的ON/OFF1信號(hào)作為從的ON/OFF1，同時(shí)用主的ON/OFF1信號(hào)控制從的 OFF3，又會(huì)出現(xiàn)因?yàn)镺FF3優(yōu)先級(jí)高于ON/OFF1，導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)，從動(dòng)裝置無(wú)法檢測(cè)到啟動(dòng)信號(hào)上升沿，從而導(dǎo)致無(wú)法啟動(dòng)的現(xiàn)象。為了解決這個(gè)矛盾，可以將從的ON/OFF1與OFF3及其狀態(tài)字配合使用;具體地說(shuō)，就是用主的啟動(dòng)信號(hào)(ON/OFF1)控制從的OFF3，再用從的OFF3狀態(tài)字(R898.2)控制從的ON/OFF1;同時(shí)將從動(dòng)裝置的OFF3停車時(shí)間設(shè)成與主的OFF1停車時(shí)間一致。即停車用OFF3控制，再用OFF3的狀態(tài)字控制啟動(dòng)ON/OFF1，這樣就可以實(shí)現(xiàn)主/從裝置的可靠的同步啟動(dòng)和停止。

上述功能也可以通過(guò)將從動(dòng)裝置設(shè)置成速度控制(P1300=20)，再用P1501實(shí)現(xiàn)速度控制和轉(zhuǎn)矩控制之間的切換，而不用OFF3命令;

也可以將上述的邏輯關(guān)系用自由功能塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.4 使能控制

為保證主/從同步操作的更加可靠，可以將二者的脈沖使能信號(hào)相連。

4.5 故障信息

SINUMICS系列變頻器每個(gè)對(duì)象都有自己的故障狀態(tài)信息，如果分別向外發(fā)送會(huì)很麻煩，這時(shí)可以用一個(gè)全局變量R3114.10(V2.5版本以后)，任何一個(gè)對(duì)象有故障，它都可以被置位，因此只要一個(gè)信號(hào)就可識(shí)別裝置的任何一個(gè)對(duì)象是否有故障。

為保證從動(dòng)裝置出現(xiàn)故障，主動(dòng)裝置也要停車，可以將從的“R3114.10”信號(hào)連到主的CU的“外部故障”，以保證從的有故障，主的也停車。

主/從裝置主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。主/從裝置間TM31接線如圖3所示。

4.6 自由功能塊

使用自由功能塊，首先要激活 FREE FUNCTION的功能，然后才能看到P20000以后的參數(shù)，然后在P20000中為RUN－TIME GROUP選擇采樣時(shí)間，再在所用功能中分配RUN－TIME GROUP即可。

表1 主要參數(shù)設(shè)置

圖3 主從驅(qū)動(dòng)間接口

如果無(wú)特殊要求，其他可用默認(rèn)設(shè)置。

首次激活并使用自由功能塊要離線配置，然后再下載，以后則可以在線配置和修改。

4.7 電機(jī)優(yōu)化

完成項(xiàng)目組態(tài);輸入電機(jī)銘牌數(shù)據(jù);啟動(dòng)變頻器進(jìn)行靜態(tài)辨識(shí)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化;

優(yōu)化完成后必須及時(shí)將參數(shù)保存到CF卡上，否則裝置斷電后參數(shù)不保存還需再次優(yōu)化。

5 結(jié) 束 語(yǔ)

G150變頻器作為西門子新一代變頻器，功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛，結(jié)合全新的圖形化的調(diào)試軟件STARTER，極大地方便了調(diào)試過(guò)程，可以根據(jù)不同的工藝要求靈活實(shí)現(xiàn)各種功能。

［1］天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)(第二版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社出版社，2005.

［2］孟曉芳，李策，王玨.西門子系列變頻器及其工程應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社出版社，2008.

［3］西門子公司.SINAMICS S120功能手冊(cè)［Z］.西門子公司，2011－01.