西門子伺服驅動系統分析

周文

（上海振華重工電氣有限公司，上海 200125）

多年來，西門子公司一直在滿足產品高品質需求的同時追求卓越，希望通過更優化的成本與更快速的產品投放速度占據機械設備市場，成為頂級機械設備制造商。在當今機械設備制造產業中，兼具直觀操作與高效組態系統建設已經成為大勢所趨，所以結構緊湊、功能強大且易用的SINAMICS S210 伺服驅動系統應運而生。

1 西門子SINAMICS S210 伺服驅動系統簡介

1.1 產品基本情況

西門子公司在2017 年全新開發的SINAMICS S210 伺服驅動器與SIMOTICS S-1FK2 電機共同組成了一套完整的伺服驅動系統。系統中就涵蓋了5 個功率等級，分布于50 ～750W 功率范圍。SINAMICS S210 伺服驅動器整體集成了大量豐富的安全功能內容，能夠實現快速工程組態，它主要通過Profinet 連接到上位控制器部分，較好地結合Web 服務器與一鍵優化功能實現了調試工作優化簡化，可與Simotics 伺服電機配合使用，實現小負載狀態下的高動態相應運動與中高負荷超精密運動。在整個設計結構中，SINAMICS S210 伺服驅動器與SIMOTICS S-1FK2 電機相互之間只通過一根電纜連接，真正做到了簡單連接結構承載豐富功能。目前，西門子的這一全新伺服驅動服務系統已經被廣泛應用于機械包裝、物料抓取、木材陶瓷加工、數字印刷等重要加工服務領域。

1.2 產品外觀

圖1 西門子SINAMICS S210 伺服驅動系統產品外觀

圖1 為西門子SINAMICS S210 伺服器驅動系統產品外觀，其中左邊為SINAMICS S210 伺服驅動器，右邊為SIMOTICS S-1FK2 電機，整個產品外觀造型與結構樣式基本上與當前市面上的大部分同類產品類似，屬于典型的單軸獨立型伺服驅動器，其中每臺驅動器都擁有自己相對獨立的AC 電源輸入接口和輸出軸。同時，它的正面接口布局中規中矩，上方黑色翻蓋部分為顯示操作面板，下方為系統的電機動力輸出與編碼器反饋部分，中部偏左位置為動力與控制電源輸入部分，而中部偏右為通訊及I/O 信號端口。

整體來看，該伺服器驅動系統的設計布局相對平淡，但它其中只通過一根電纜連接系統中兩大設備則相對特別，這是之前的伺服器驅動系統設計中所沒有的設計嘗試。

1.3 產品技術參數

在發布SINAMICS S210 伺服驅動系統以后，西門子也隨即發布了該產品的系統技術參數。首先是功率范圍，系統中SINAMICS S210 S210 伺服驅動器的功率范圍包括2 種，分別為1AC 230V，0.1 ～0.75kW；SIMOTICS S-1FK2 電機的功率范圍為0.05 ～0.75kW 以及0.4 ～7kW。

再者是通訊方面，該系統可被應用于PROFINET IRT、PROFisafe 以及PROFlenergy 等多個領域中，整體表現為通訊功能強大易用。同時它目前還可被應用于Web server 以及Startdrive 調試工程中。

最后，該系統擁有電磁波過濾器，其中集成了1AC 230V class C2 以及3AC 400V class C3 兩種形式。

在電機設計方面，系統采用了SPEED-CONNECT 快速鎖定緊固件與緊湊可旋轉插頭設計，其中連接電纜可允許連接最長長度達到50m。電機設計中還采用到了典型控制器SIMATICS S7-1500T-CPU，其中就包含了高動態型地轉子慣量（電機軸高20 ～63mm）以及緊湊型低等轉子慣量（電機軸高30 ～100mm）。另外，在電機選件方面采用到了抱閘、滑鍵、旋轉軸封以及單圈及多圈編碼器系統。

1.4 產品功能優勢

SIMATICS S210 伺服驅動系統之所以能夠獲得德國設計大獎“紅點”殊榮，是因為它在基礎功能方面表現出了諸多驚艷之處。

（1）便捷化連接。如上文所述，連接SIMATICS S210伺服驅動器與SIMOTICS S-1FK2 電機的僅為一根OCC 電纜，該OCC 電纜中為動力電纜，同時兼顧編碼器信號電纜與抱閘電纜功能，整條動力電纜直徑僅為9mm，并附帶一個連接插頭。

OCC 電纜橫截面較小，相比之前西門子推出的伺服驅動系統的電纜更輕、更細、更靈活，這為整個系統的布線過程簡化提供了較大便利。相比傳統牽引鏈導體，該系統的緊湊型單電纜連接將彎曲半徑徹底縮小50%左右。同時，它的連接插頭采用到了堅固耐用設計，高度為25mm，易轉動且操作簡便。在電纜插頭部分該系統專門設置了用戶友好型自鎖插頭，該插頭位于伺服驅動器正面的推進式終端位置，方便日常檢修維護與拆卸，所以整體來看，其系統布線極其簡單。

（2）簡易化調試。SIMATICS S210 伺服驅動系統的整體調試簡便，其中的電機與驅動器兩部分都借助Webserver與一鍵優化來實現系統調試過程簡化。具體來說，首先通過Webserver 調試無須安裝任何軟件，大幅度減少1/3 調試時間。而其調試界面則相當友好人性化，不但可顯示內容豐富，易于輕松上手，而且還專門配置了一鍵優化功能，可實現控制參數自動優化，滿足系統運行的諸多動態性能要求。

（3）安全性優化。SINAMICS S210 伺服驅動器集成了較為強大且多元的安全功能內容，它其中就包含了STO（安全轉矩關斷）、SS1（安全停止1）、STO 以及SS1 等安全功能模塊，它們都能通過PROFIsafe 執行模塊功能內容，而其中的STO 更能通過端子啟動，非常方便。目前系統安全功能體系還在研發升級準備階段，預計在以后還會展示更多的功能。

（4）高度動態控制。SINAMICS S210 伺服驅動器系統的電機軸部分可實現高度動態控制，它能夠與系統中的典型控制器系統相互連接，完成從簡單定位到復雜運動的整個控制過程，這一系列操作所采用的正是集成Web 服務器，在實現對驅動伺服器的動態調試以后，再通過一鍵自動優化功能展現不同機械負載狀態下的動態系數，滿足系統自動優化控制參數要求。目前在系統中，它已經展示的集成安全功能就包括“安全扭矩斷開”與“安全停止SS1”兩項重要動態控制功能。系統的高度動態控制，再配合伺服驅動器的快速采樣功能、智能控制算法、高級編碼器控制、低轉子慣量與高過載操作等就能大幅度提高系統整體運動精度與動態性能。目前系統可配置的電機類型較多，其中就包含了擁有20mm、30mm、40mm 3 種中心高度的伺服驅動系統電機。

2 西門子SINAMICS S210 伺服驅動系統的典型應用簡析

SINAMICS S210 伺服驅動系統是可投入于諸多典型應用生產工作環境中的，例如，它在包裝機械、三坐標機械手搬運抓取、陶瓷、木工加工以及數字印刷等等領域都有廣泛應用，這表現了它極強的生產應用功能兼容性。

2.1 集成運動控制與安全控制功能應用

就以陶瓷、木工加工生產為例，SINAMICS S210 伺服驅動系統就采用了集成總線通訊端口PROFINET IRT 中的以太網時鐘同步功能進行加工作業實時動態控制，再配合上位運動控制器滿足某些復雜動態同步控制功能。在這里，西門子公司采用了相當成熟的SIMOTION CU 控制單元，可完美地配合兼容SIMATIC S7-1500 典型控制器的T-CPU 核心控制部分。

除了合理運用到PROFINET 集成運動控制功能以外，系統還同時集成了安全控制PROFlsafe 與能源管理PROFlenergy 功能，兩項功能可實現系統安全控制組件與系統本身的安全聯鎖連接，為提高陶瓷及木工生產加工安全水平。對整個系統的運營及維護時間成本節約也大有幫助。另外，借助系統所繼承的PROFlenergy 功能，各個伺服軸的運控能耗分析數據也可得以有效整合，確保功能自然合理融入企業生產工廠與生產設備能源管理系統中，它可以幫助對企業生產設備一線運行底層產品元器件的能源使用狀況集中分析、動態監控與精細化管理。

2.2 “一鍵式”整定功能應用

SINAMICS S210 伺服驅動系統的另一生產功能應用就是“一鍵式”整定功能應用，它基于整定運動控制系統特性合理調控復雜控制環參數，有效減少手動控制操作流程，只通過調試界面動態性操作技能形成一整套生產運動控制策略，確保系統在各項典型應用中都能自動完成控制環調整與運控特性參數有效優化。在以前的西門子家伺服驅動系統中，是不具備“一鍵式”整定功能的，所以此次新系統加入該功能實屬一大突破，它提高了伺服驅動系統在工業生產中的產品運控易用性，也相應提高了木工、陶瓷加工的生產安全性。

3 結語

相比之下，這款SINAMICS S210 伺服驅動系統與西門子公司所發布的V90 PN 在外觀、功率段等方面極為類似，但在基本功能應用與典型應用方面有所強化，這為該產品給出了更高的市場定位。目前，它已經被各個工業生產領域所廣泛應用，體現了較高的系統功能應用價值，成為西門子家在機械設備市場的又一成功典范。