西門子SM150在4300寬厚板軋機上的應用及維護策略分析

李英杰

摘 要：通過介紹4300寬厚板粗軋機及精軋機控制系統及傳動系統配置，主要介紹西門子SMl50的IGCT功率元件、水冷系統、勵磁系統及控制系統的結構組成、硬件配置、主要功能等，說明西門子SMl50在4300寬厚板粗軋機及精軋機的重要作用。以精軋機SM150傳動系統預防性深度維護保養為例，通過對元器件的清掃與檢測、對相模塊進行徹底清潔與檢測、進行系統檢查與測試、對內部電路板、功率器件進行拆解清潔，設備在機調試等過程中發現的主要設備隱患，介紹了SM150主傳動深度維護的方法步驟及檢測方法，提出合理的解決方法。通過預防性深度維護保養中發現的故障隱患及維護后的使用效果，說明預防性維護保養的重要性，預防性維護是消除設備故障隱患，保障設備運行可靠性的重要方法，以期為今后的使用維護提供一些幫助。

關鍵詞：4300寬厚板；SM150；維護策略

APPLICATION AND MAINTENANCE STRATEGY ANALYSIS OF SIEMENS SM150 ON 4300 WIDE AND HEAVY PLATE MILL

Li Yingjie

（SD Steel Rizhao Co.， Ltd.? ? Rizhao? ? 276800， China）

Abstract：By introducing the control system and transmission system configuration of 4300 wide and thick plate roughing mill and finishing mill， this paper mainly introduces the structure， hardware configuration and main functions of Siemens SMl50 IGCT power element， water cooling system， excitation system and control system， and explains the important role of Siemens SMl50 in 4300 wide and thick plate roughing mill and finishing mill. Taking the preventive in-depth maintenance of SM150 drive system of finishing mill as an example， through the cleaning and testing of components， the thorough cleaning and testing of phase module， the system inspection and testing， the disassembly and cleaning of internal circuit board and power components， and the main equipment hidden dangers found in the process of equipment debugging on the machine， this paper introduces the methods， steps and testing methods of in-depth maintenance of SM150 main drive， and puts forward reasonable solutions. Through the hidden trouble found in the preventive in-depth maintenance and the use effect after maintenance， the importance of preventive maintenance is explained. Preventive maintenance is an important method to eliminate the hidden trouble of equipment and ensure the reliability of equipment operation， in order to provide some help for future use and maintenance.

Key words：4300 wide and thick plate; SM150; maintenance strategy

1? ? 4300寬厚板軋機控制系統及傳動系統配置

4300寬厚板粗軋機及精軋機主電機控制系統配置了2套TDC自動化控制系統（L1級）、2個HMI操作站、2個工程師站、1臺模型計算機及1臺數據庫計算機（L2級）、4套西門子SMl50傳動系統。西門子SMl50通過Profibus—DP與TDC自動化控制系統控制器通信，實現現場設備的主從連接。

粗軋機傳動系統主要由2臺粗軋機主電機、2套主傳動系統西門子SMl50、2套主電機冷卻水系統、1套電機潤滑油系統、1套工程師站組成。2臺粗軋機主電機均為雙繞組結構，各由1套西門子SMl50控制，配備1套水冷裝置和1套勵磁裝置。粗軋機主電機控制主回路如圖1所示[1]。

精軋機傳動系統跟粗軋機配置相同，區別是精軋機主電機均為三繞組結構。精軋機主電機控制主回路如圖2所示。

2? ? 西門子SMl50主要配置及控制功能

SM系列為中壓系列，功率元件主要采用IGCT（IGCT為模塊結構，拆裝方便且非常適用于大功率環境）。主要包括整流器和逆變器兩部分。其中整流器用于將變壓器二次側恒頻恒幅交流電壓轉化為直流電壓，此直流電壓有三個等級分別為“AM”（+）、“M”、“KM”（-）。逆變器用于將直流電壓轉化為頻率和幅度可變化的三項交流電壓并供給電機定子線圈。交流變頻單元的控制器主要由控制傳動部分的SIMOTION D445和控制整流部分的SIMOTION CX32組成[2]。

2.1? ? 主要配置

1）IGCT功率元件。

整流器和逆變器都由三個相同的相模塊組成（見圖3），每個相模塊包含四個IGCT（見圖4）。在相位模塊的上下側均有導軌，方便模塊故障時快速更換。IGCT功率元件的觸發單元安裝在相位模塊前端。為提高通信穩定性和快速性，CPU和觸發模板通過光纖進行數據傳輸。冷卻水流過IGCT功率元件兩側對其實施雙面冷卻。

2）水冷系統。

每套SM150傳動系統配備1套水冷系統，水冷系統由內、外循環水系統組成，為water-water冷卻模式，水溫保持在25 ℃左右。在內循環水系統中，水的導電率（冷卻水導電率低于0.7 tLS／cm）由特制的去離子劑降低。冷卻水經內循環冷卻后被循環泵送入功率單元對IGCT功率元件進行冷卻。

3）勵磁系統。

由于主傳動電機為交流同步電機，要求有單獨的勵磁回路。西門子SMl50采用外部勵磁模式，勵磁控制單元主要由西門子6RA70直流調速裝置組成，勵磁電流由D445控制器控制。勵磁單元主要為電機勵磁線圈提供勵磁電源。

4）控制系統。

SM150主傳動控制系統主要由D445模塊、SMC30、AVT、VSM10及IBA數據記錄模塊組成。

D445控制器有8個數字量I/O接口，其中4個為快速輸出接口，2個為以太網網絡接口，2個為Profibus-DP通信接口（一個接主機，一個作為DP和MPI的通用接口）；現場總線包含了2個Profibus-DP（DP網絡通信）、2個Profinet（網絡通信）和4個DRIVE-CLIQ（傳動內部通信）； D445處理器集成了4個CPU芯片，通過光纖實現對功率單元的控制。

SMC30是速度檢測模塊，主要用于接收電機編碼器反饋回來的速度信號，從而掌握電機實際運行速度。電壓、電流檢測模塊AVT主要用于將檢測到的模擬信號轉變為數字信號后通過光纖發送給D445控制器。電壓檢測模塊VSMl0主要用于檢測電網側的電壓、頻率和相位狀態。IBA數據記錄模塊用來記錄電樞電流、勵磁電流、速度、溫度等參數，以便實時監控電機并收集電機數據。在西門子SMl50中，IBA數據記錄模塊可收集512個模擬量數據、512個數字量數據，并將這些數據儲存到工程師站。

2.2? ? 控制功能

西門子SMl50的中壓系統采用三電平控制。輸入功率因數高、輸出頻率高、無需無功補償、減少高次諧波，即使是在低速時，輸出的負載電流也連續，可保證最佳正弦波電流和電壓利用率以及較低的開關頻率，由此使電機獲得高效率和低應力。SM150可將轉速和轉矩精確控制到所需的值，即使在負載迅速變化時也一樣。

3? ? 西門子SMl50維護策略分析

4300寬厚板精軋機SM150傳動系統運行中多次出現相模塊損壞故障，造成產線停機故障。設備維護水平直接影響著設備的正常運轉，SM150傳動系統要堅持日常點檢、定期檢修維護，通過日常維護來保障設備運行穩定。除日常維護外，更要定期進行預防性深度維護，徹底消除設備故障隱患，保障設備運行可靠性。以精軋機SM150傳動系統預防性深度維護保養為例，說明預防性維護保養的重要性。

4300寬厚板精軋機主傳動柜采用2套西門子SM150交直交中壓變頻器，2008年在濟南投入使用，2017年搬遷到日照精品基地，此前從未進行過預防性深度維護保養。2021年利用中修時間對精軋機SM150傳動系統進行預防性深度維護保養，主要包括元器件的清掃與檢測、對相模塊進行徹底清潔與檢測、進行系統檢查與測試、對內部電路板、功率器件進行拆解清潔，設備在機調試等。

通過深度維護檢查出許多問題，主要包括整流元件IGCT集成觸發板元件過熱、二極管反向耐壓阻值降低、直流母排絕緣開裂、電抗器鼓包、勵磁裝置內勵磁板絕緣漆老化、相模塊內絕緣片爬電嚴重等，通過更換備件及接線絕緣處理等。采用年修深度維護方式，將發現的隱患問題解決，保障了傳動系統階段性運行穩定。

3.1? ? 現場柜內元器件解體清潔維護

使用毛刷和吸塵器徹底清掃柜內粉塵，無法接觸的位置則使用干燥的壓縮空氣清除。將 IGCT 模塊從柜體內拆除，并進行清潔；對拆解下來的電路板、功率器件等用專用清洗劑進行清洗。對內部連接母排、散熱片等用清洗劑進行深度清潔；對水冷設施及柜體進行必要的清潔。清理電氣柜過濾棉，將柜體原有密封條進行清理并重新密封完好，改善柜體內部環境，防止粉塵等進入。清潔后，效果明顯，如圖所示。

3.2? ? IGCT相模塊檢測

相模塊置于穩固、絕緣底座上，測試二極管

1 000 V 反向耐壓阻值，對電容、電阻元件性能測量，測量光纖質量。檢查發現問題如下：

1）功率單元IGCT集成觸發電路板上，存在元件發熱現象，造成IGCT性能下降，存在工作時損壞隱患（見圖7、圖8）。

2）相模塊內絕緣片爬電嚴重，此絕緣片分隔AM＼KM與M，爬電使絕緣下降，增加AM＼KM與M之間短路的可能。

3）相模塊IGCT反并聯二極管反向耐壓阻值較低，新備件阻值約140～150 MΩ，技術要求在線使用二極管反向耐壓阻值大于50 MΩ，檢測出部分二極管反向耐壓阻值有的已降低至0.8 MΩ，存在擊穿風險（見圖9）。

4）勵磁裝置內勵磁板上絕緣漆老化出現裂痕，導致性能下降（見圖10）。

3.3? ? 功能測試

安裝恢復完成后，主要對柜門限位開關、漏水檢測傳感器、輔助風機等進行測試。對相模塊進行GSV測試，IGCT狀態正常。對水冷系統進行檢查，壓力、電導率、水溫、流量等傳感器正常，無漏水現象。之后對充放電回路測量，測量結果正常，如圖11所示。

4? ? 結束語

SM150傳動系統是軋線最關鍵傳動控制系統，維護人員需做好各方面設備維護工作，通過不斷提高預防性維護的精準性來保障SM150傳動系統運行的穩定性。預防性維護是消除設備故障隱患，保障設備運行可靠性的重要方法。經過本次深度維護后，精軋機傳動系統運行穩定，有效提高了設備作業率，保障產線生產穩定運行。

參考文獻

[1]? ? 李淑芬.西門子SMl50在2050熱軋粗軋機上的應用[J].電工技術，2013（6）：38-39.

[2]? ? 葛鵬.西門子SIMATIC SM150在主傳動上的應用[J].卷宗，2014（10）：304-304.