SINAMICS S120變頻器在造紙機傳動系統中的應用和優化

龍海燕，劉德兵

（成都航空職業技術學院，成都 610110）

0 引言

隨著工業的發展，造紙設備趨向于更大型化，速度更快，自動化程度更高，因此，對控制系統的控制精度和自動化程度提出了更高要求。特別是為了生產質量合格的產品，就必須對電機的實時線速度、轉矩和張力等參數進行精確控制。

本文采用西門子SINAMICS驅動器系列的旗艦產品SINAMICS S120作為驅動器，通過對電機各參數進行優化設置，從而減少操作人員的操作、減少斷紙、提高產品產量。

SINAMICS S120變頻器的一個多軸控制單元CU320能控制多個驅動軸，包括6個伺服控制驅動軸、4個矢量控制驅動軸、8個V/F控制驅動軸；其電源類型豐富，包括單向200－240VAC、三相380－480VAC和三相660－690VAC；主控單元CU320能自動識別各組件；既有高精度的速度控制功能，又具有簡單定位功能，實現軸的相對和絕對定位，還能實現同步、凸輪等復雜的運動控制功能。

1 造紙機傳動控制系統分析

1.1 傳動系統原理

造紙機傳動控制系統硬件包括操作面板、PLC、CU320－2DP、電源模塊、電動機模塊、編碼器轉換模塊等。這些模塊之間都是通過Profibus通信方式連接。其結構原理圖如圖1所示。

圖1 造紙機傳動控制系統原理圖

圖2 造紙機硬件結構圖

該紙機有47個傳動點，分別由18臺交流電機單獨拖動，每臺交流電動機由西門子SINAMICS S120變頻調速裝置驅動，閉環控制。系統的控制采用PLC作為控制核心，由PLC對操作臺上每一傳動點的操作信號進行處理（每個傳動點在操作臺上都設有：速度增加、速度減少、緊紙、爬行/運行等操作按鈕），并把相應的速度信號以通信的方式傳送給變頻器。同時，還對伏輥、驅網；吸移、真空壓榨、一壓、二壓分別進行負荷分配控制。另外，在操作臺上還顯示每一傳動點的車速及工作電流，并具有運行、故障指示。

1.2 控制性能要求

該箱版紙機為三疊網箱板紙機，凈紙幅寬4800mm，設計車速650m/min，傳動系統裝機容量5365kW，共47個傳動點。定量：52～80g/m2；最高車速：350m/min；爬行速度：＜40m/min可調；升減速時間：0.1～1000s可調；工作電壓：額定電壓的±10%；電源頻率：50Hz±5%；靜態精度：≤0.1%；頻率漂移：≤0.1%；頻率分辨率：0.01Hz；頻率控制：0～50Hz ；起動轉矩：額定轉矩的200%。

傳動部分采用西門子SINAMICS S120標準多電機傳動系統；控制部分采用西門子S7-400控制主站；采用西門子MP277人機界面。

1.3 系統配置

網壓部母線段采用BLM基本整流；干部母線段采用SLM回饋整流，能夠將母線的能量100%回饋電網。逆變單元采用SINAMICS S120電機模塊，并配置SMC30光碼模塊，實現速度閉環控制。傳動系統控制由SIMATIC S7-400主站來完成。SIMATIC S7-400通過Profibus-DP與驅動控制單元CU320連接，CU320通過Drive-CLiQ來實現對各逆變單元的控制。

2 造紙機傳動控制系統硬件組成

系統硬件包括OP270操作面板、S7-400PLC、CU320－2DP、電源模塊、電動機模塊、編碼器轉換模塊SMC20等。其硬件組成如圖2所示。

3 造紙機傳動控制系統軟件調試

3.1 編寫程序

啟動SIMATIC Manager；新建項目→插入新對象，SIMATIC 400站點→硬件→插入RACK-400 UR2機架→插入電源、PLC412-2DP、443-5，選擇通訊PROFIBUS 1.5兆→插入SINAMICS S120驅動。操作步驟如圖3和圖4所示。

圖3 硬件組態界面

圖4 程序編寫界面

3.2 變頻器調試與優化

西門子SINAMICS S120變頻器調試采用STARTER軟件對參數進行設置，其設置步驟如下：

1）置控制模式選擇矢量模式（Vector）控制；

2）選擇控制方式（p300=20）；

3）配置功率模塊（P210功率單元電壓（380））；

4）電機配置（P3001、P304電機額定電壓、P305電機額定電流、P307電機額定功率、P308電機額定功率因數、P310電機額定頻率、P311電機額定轉速、P335電機制冷方式）；

5）抱閘配置（P1215抱閘控制方式P922）；

6）編碼器配置；

7）DP通訊報文的配置（352）；

8）檢查輸入電機相關的重要參數（計算數據P340、靜態辨識P1910、動態辨識P1960）；

9）將配置好的變頻器參數保存并保存到ROM中；

10）優化完成后執行copy ROM to RAM。

部分參數設置畫面如圖5～圖7所示。

圖5 車速設置畫面

圖6 速差調整參數設置畫面

3.3 狀態監控界面

利用HMI對設置的參數數據進行監視，同時利用曲線對參數數據進行動態顯示，便于操作人員及時掌握造紙機工作狀態。部分參數數據監控畫面如圖8所示。

圖7 張力參數設置畫面

圖8 數據運行曲線監視畫面

4 場安裝及運行情況

為保證整條生產線工作穩定，控制室選擇在靠近傳動側的傳動邊，控制室安裝大功率的中央空調，將控制室恒溫在變頻器比較有利運行的工作溫度，控制室內安裝靜電地板，保證控制室潔凈度和規范標準。整個控制柜裝機標準按照西門子裝柜標準執行,設備安裝布局合理、散熱良好、運行穩定。控制系統現場安裝如圖9、10所示。

圖9 主傳動單元裝機柜

圖10 現場控制室

5 結束語

SINAMICS S120作為西門子公司新一代的驅動產品，其硬件和軟件都進行了更進一步的優化，在實際的使用中所反映出來的變化就是響應的速度更快，電機運行更加的順暢。經在大型造紙廠的實際運行證明，西門子SINAMICS S120變頻器產品設備運轉平穩，維護簡單方便可靠，系統的穩速精度、動態響應、負荷分配效果、紙頁質量、系統穩定性、可靠性等指標都得到了用戶的肯定。

[1]SINAMICS S120調試手冊[Z].2010.

[2]杜強,李繼方.基于S120驅動控制系統的多電機共直流母線實驗系統的研究[J].通信電源技術,2011,9：36-39.

[3]張池,王新娜.基于西門子S120變頻器造紙機拖動系統設計[J].電氣時代,2016,9：62-65.

[4]湯峰.西門子S120在施膠機上的應用和優化[J].中國造紙,2016,5：64-68.