西門子變頻特點及熱連軋傳動控制研究

摘 要：變頻調速技術是一種以改變交流電動機的供電頻率采達到交流電動機調速目的的技術。變頻調速器應用于電機傳動調速，以其優異的調速和啟動、制動性能，高效率、高功率因數，顯著的節電效果，進而可以改善工藝流程，提高產量質量，改善工作環境，推動技術進步，以及廣泛的適用范圍等許多優點而成為電動傳動的中樞，該文重點介紹了西門子Sinamics S120的技術特點，以及在熱連軋系統中的傳動控制應用。

關鍵詞：變頻器 西門子 傳動控制 熱連軋

中圖分類號：TN2文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（a）-0074-01

變頻器是一種電源轉換裝置，將輸入給變頻器固定頻率，固定電壓的三相交流電，轉換成可調頻率和可調電壓的三相交流電。改變電動機的轉速，使之適合生產工藝設備的要求，是電力電子技術、微電子技術、計算機技術、電力拖動技術的結晶。是強電和弱電相結合的產物。

Sinamics S120 是西門子公司推出的全新的集V/F、矢量控制及伺服控制于一體的驅動控制系統，它不僅能控制普通的三相異步電動機，還能控制同步電機、扭矩電機及直線電機。其強大的定位功能將實現進給軸的絕對、相對定位。內部集成的DCC（驅動控制圖表）功能，用PLC的CFC編程語言來實現邏輯、運算及簡單的工藝等功能。

1 Sinamics S120的特點及優勢

1.1 模塊化設計

DC/AC設備中的電機模塊包括書本緊湊型、書本型和裝機裝柜型，將所有的驅動器智能組織在控制單元中，由控制單元來執行變頻調速柜的所有閉環控制功能，并處理驅動器相關的功能（配備PROFIBUS DP或PROFINET中央接口、I/O互連），以便與更高級別的自動化系統相連接。電源模塊可以集中為電壓源直流鏈路提供能量，電源模塊可選擇配備經過調節的饋電/再生反饋功能，以提供恒定的直流連接電壓和高度的供電兼容性。電機模塊從直流連接為電機供能。AC/AC設備中功率模塊集合了饋電和電機電源功能，包括塊型和裝機裝柜型。

多軸驅動是控制單元如CU320通過DRIVE-CLiQ接口控制驅動器工作，而單軸驅動是通過安裝在功率模塊上的特殊控制單元CU310來控制驅動器工作，CU適配器安裝在代替控制單元的功率模塊上。

1.2 自動化平臺

西門子所有的全集成自動化TIA能夠為所有行業提供完整范圍的產品，行業特定自動化解決方案為滿足客戶的個性化要求而量身定制，可基于TIA有效地執行。可明顯提高生產率和投資安全性。

SINAMICS是TIA的核心組件之一，STARTER調試工具是TIA平臺的集成元件。從而可以使用標準化工程平臺參數化、編程和調試自動化系統中的所有組件，不會有所遺漏。全系統數據管理功能確保數據一致性，簡化整個設備項目的歸檔。SINAMICS S120支持PROFIBUS DP——TIA系統的標準現場總線，它提供高性能、全系統通信網絡，可連接所有自動化組件：HMI、控制器、驅動器和I/O設備。SINAMICS S120還配備PROFINET接口（增強的性能和開放式IT通信）。這種基于以太網的總線可以通過帶有IRT或RT的PROFINET IO高速交換控制數據，使SINAMICS S120成為最高性能多軸應用集成的合適選擇。同時，PROFINET還使用標準的IT機制（TCP/IP）將信息傳輸至更高級別的系統。因此，帶這種接口的SINAMICS S120可以輕松地集成到工廠IT網絡中。

1.3 數字式接口

DRIVE-CLiQ是一種全新的傳動接口，所有SINAMICS S120部件（包括電機和編碼器）和傳動之間均通過DRIVE-CLiQ的串行連接接口進行相互連接和通訊。DRIVE-CLiQ屬于器件級智能網絡連接，采用標準化電纜和連接器，降低了不同部件的種類，并削減了庫存成本。對于其它廠商的電機或者改造應用，可使用變換器標準組件（傳感器模板）將常規編碼器信號轉換成DRIVE-CLiQ。

2 Sinamics S120在熱連軋系統的傳動控制

以某鋼鐵公司4300m新厚板生產線為例，該生產線通過西門子sinamics s120系列變頻全數字矢重控制系統來控制兩臺軋機的電動壓下系統。

2.1 s120傳動系統的硬件構成

在精軋機的egc系統中采用570 kW功率的兩臺三相交流電機，分別由一臺逆變單元控制。將兩臺1000 kW整流回饋單元并聯來進行變頻控制，整流回饋單元和逆變單元都對應的由各自的控制單元cu320進行集中控制，cu320是驅動系統的大腦，負載控制和協調整個驅動系統中的所有模塊，完成各軸的電流環、速度環甚至位置環的控制，并且一塊cu320控制的各軸之間能相互交換數據，即任意一根軸能夠讀取控制單元上其它軸的數據，這一特征廣泛被用作多軸之間的簡單的速度同步。

2.2 通訊方式

drive cliq通訊實現由cu320到整流單元，逆變單元，i/0端子模塊tm31，編碼器接口模塊smc30等模塊之間的通訊，由四芯電纜構成，兩根用于數據傳送，兩根用于數據接收；PROFIBUS DP通訊實現TDC到三個CU320的通訊，因為TDC與傳動系統之間相距300 m以上，可以通過rs485中繼器來加強信號。

2.3 調試軟件

運用simotion scout軟件進行調試與維護，該軟件系統配置有固定的配置步驟，形象且連貫的功能圖，集成了實時的trace波形跟蹤，能監控任何一個參數的實時數據，在調試過程中可以根據波形圖監控到電機運行的精確狀態，從而能對傳動系統進行精確的調試。SCOUT工程開發系統的具有良好的用戶友好性。運動控制、邏輯控制與工藝控制的工程開發，以及驅動器的組態與調試，均是由一個系統完成的。

2.4 控制方式

在軋機壓下系統中要求egc在電機高速運行時，電機速度能夠與給定值能達到實時的高度吻合，能夠滿足egc精確的定位功能和較高的動態響應。因此對于單個電機來說在egc控制方式上采用速度控制方式。

為了在egc中能讓兩個壓下缸達到同步、平衡的目的，利用電磁離合把兩臺電機的軸連接在一起，讓兩臺電機輸出同樣大的力矩且兩電機軸之間不存在扭矩。因此對于兩臺壓下電機采用主一從控制方式：主電機采用速度控制，從電機采用力矩控制。主電機的速度控制采用pi調節器來進行操作和優化，從電機的速度控制采用p調節器來運行操作。主電機速度調節器的i部分的力矩輸出，通過連接器傳輸，作為一個有利的輔助力矩，輸入給從電機的i部分。

參考文獻

[1]逯志宏，繆衛東.西門子SINAMICS S120傳動系統在軋機EGC中的應用[J].變頻器世界，2011（1）.

[2]朱延俊.西門子Sinamics變頻器在單機架可逆軋機主傳動中的應用[J].電氣時代，2011（12）.