西門子變頻器在木片配比螺旋設備上的應用

李先會，馬連杰，龍真生，農紅麗，吳騰宇，姚遠

（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.廣西大學行健文理學院，廣西 南寧 530005；4.賽富電力集團股份有限公司，廣西 南寧 530031；5.廣西電網有限責任公司河池供電局，廣西 河池 547000）

0 引言

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

中密度纖維板（Medium Den-sity Fiberboard），是通過樹脂或粘結劑將木質或非木質纖維在高溫狀態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、車輛船舶等行業應用極為廣泛中高密度纖維板的生產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、預蒸煮、熱磨、調膠、加蠟、施膠、干燥、纖維鋪裝、預壓、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入生產線進行生產。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，無法按生產工藝要求的木片配比出料，對纖維板的性能產生一定的影響，嚴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。除此之外，液壓缸、液壓系統較大，每次更換，維修不方便。由于木塞螺旋機的液壓系統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，考慮到設備的通用性和備件通用性，項目中采用西門子G120變頻器進行改造。

1 硬件設計

SINAMICS系列變頻器是西門子全面適用于各種傳動應用的變頻器家族，包括G110、G120、G150/G130、S120、S150低壓變頻器，以及GM150/SM150高壓變頻器。考慮到木塞螺旋原有液壓控制的具體情況，結合生產工藝控制要求，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的最佳方案。

（2）集成了故障安全保護功能。安全保護包括人員的保護、設備保護、自動檢測、連續監控等。

（3）具有再生能量回饋功能。G120變頻器實現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。變頻控制柜不再需要外加冷卻風扇，節省能量，減少接線成本。

（4）增強環境適應性和耐受性。采用智能冷卻設計理念，冷卻風只流過散熱片，風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冷卻方式，從而延長設備使用壽命。

（5）具有豐林的型號規格和功率范圍。具有0.37～132 kW的功率范圍，那組各種驅動調試解決方案應用。

（6）無故障的安裝、運行維護和簡便的維護。工廠組態和調試軟件采用Starter軟件，可以快速調試變頻器，節約安裝時間，迅速投運設備。

現場木塞螺旋系統有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現場的控制需求。

1.1 電氣圖紙設計

在項目設計階段，電氣設計包括主回路設計和控制回路設計，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控制方案，系統不匹配進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/遠程旋轉開關，實現功能切換。在正常情況下，系統處于遠程控制狀態，由中控室發出控制信號，通過Profibus協議實現對主-從CPU通信，進而實現對變頻器的控制。如遇到網絡故障問題，或者生產現場的測試需要，切換到本地控制，通過控制柜的啟停按鈕，電位計等，便可在本地現場測試和運行設備。本地和遠程，需要設定2組變頻器的參數組，通過選擇開關，實現兩組參數組的切換。

在命令源的設計上，采用本地按鈕變頻器I/O端子排中，模擬量AI0通道負責連接電位計信號；在速度源的設計上，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。遠程/本地控制模式切換。

1.2 主要硬件構成

由于原來的木塞螺旋是液壓控制，存在送料不穩定、不均勻的問題，因此采用變頻器控制，可以實現送料的曲線平穩。因此，采用的標準的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變頻器作為驅動器構成的控制柜。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，節約項目成本。在標準的PLC硬件從站改造中，常規的是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系列產品，實現I/O模塊空間更小，項目成本有效控制，但是又不影響系統的穩定和可靠。

（3）采用威圖柜。在大量的工業現場的一般自動化改造中，很多項目采用的控制柜都是國產柜體，本項目考慮到現場的使用環境，粉塵多、戶外等原因，采用了標準威圖柜，確保了良好柜內設備工作環境。

（4）進線主開關采用西門子3VT系列塑殼斷路器。考慮到現場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。斷路器具有標準交換容量N Icu=35 kA，415/440 VAC 3極，系統保護熱磁性脫扣器，IR=250 A，過載保護II=2500 A，短路保護，完全滿足現場需求。主要硬件配置見表1。

表1 硬件配置表

（5）以Profibus-DP作為子系統網絡結構。目前，Profibus是國際上通用的現場總線標準之一。其具有獨特的技術特點、嚴格的認證規范、開放的標準、眾多廠商的支持和不斷發展的應用行規，成為現場級通信網絡的最優解決方案。Profibus-DP是主站和從站之間采用輪詢的通信方式，指出高速的循環數據通信，在制造業自動化系統中的現場級通信用具有廣泛的應用[5]。由于原系統采用的是西門子S7-400控制器，系統網絡結構為Profibus DP協議，因此本項目繼續援用CPU313-2DP作為從站控制器，負責管理現場各種信號，通過profibus把數據上傳到主站，通過網絡連接到中控室工程師或者操作員站，實現對現場木塞螺旋設備的遠程控制。是現場變頻器改造后的控制柜（圖2）。

2 軟件設計

2.1 變頻器參數設定

G120調試主要包括基本調試、恢復工廠設置、數據備份等。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中去，是西門子SINAMICS變頻器調試和圖形啟動工具軟件，運行在Win7/Win10系統環境下，實現對變頻器的“參數表”進行讀取、修改存儲、讀寫和打印等操作。在項目的工程組態時，可以通過STARTER內部的各種驅動元器件的電子模塊來完成。

（2）集成了Tia Startdrive的TIA博途軟件。西門子工業自動化集團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變頻器系列的驅動產品都可以通過TIA博途設置參數，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制和訪問西門子自動化設備和驅動系統的配置、編程、調試、維修的工程設計工具進行了更新，如用于控制器的SIMATIC STEP 7 V14、用于HMI系統（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，實現了對變頻器的參數設定。博圖TIA Starterdrive軟件提供了頻器參數設置，包括了基本設置、輸入輸出端、通信設定值、運行方式、驅動功能、安全集成、應用功能、通訊、連接等參數的設定。

2.2 PID設定

木塞螺旋機負責木片的輸送，屬于原料輸送機械設備。系統采用變頻器后，通過中控室人機界面給定變頻器輸出，從而實現木塞螺旋機的轉速控制，因此，穩定的木片輸送，對生產配比有著重要的要求。在博圖TIA Starterdrive軟件中，我們需要設定PID模塊。根據變頻器輸出的電流值iq_實際值，與系統給定的iq_設定值相比較，經過PI計算器后，從而調整變頻器PWM輸出，實現對木片螺旋機的閉環控制。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，節約了硬件成本，實現了無反饋的矢量控制。

2.3 畫面設計

由于原來的項目是由中密度纖維板專業制造企業地芬巴赫公司設計，原系統采用了西門子S7-400系列PLC模塊，人機界面采用了RSview32組態軟件。RSview32是美國AB公司開發的基于組件的用于監視與控制自動化設備和過程的人機界面軟件[6]。RSVIEW32通過開放的技術達到與羅克維爾軟件產品、微軟產品和其他應用軟件間空前的兼容性。整個項目已經運行了近20年，系統穩定可靠。

本次改造中，通過主CPU S7-400讀取遠程木片配比螺旋機的變頻柜中從站CPU313-2DP，實現對G120變頻器的控制和數據狀態讀取。

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

圖2 畫面設計1號倉

3 結語

本項目通過木塞螺旋機的驅動方式改造為變頻器G120，解決了原有液壓驅動的缺點，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的任務資源，實現了高效穩定的木片配料輸送。通過改造，主要有以下3方面的優點：

（1）實現了通過變頻器調節變頻電機，讓木塞螺旋得到不同的轉速，得到相應的木片送料量；

（2）可按生產工藝要求進行木片配比，使得木片配比操作簡單，配比結果較為準確，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。

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

通過升級改造木塞螺旋驅動系統，采用西門子G120控制，實現了中密度纖維板生產裝備的升級，提高了生產的技術水平，具有廣泛的應用意義。