基于SIEMENS SINAMICS S120的驅動器試驗裝置研究與應用

張 侃，鄧忠彬，丁 輝，竇連勝

(中海油能源發展裝備技術有限公司 天津300452)

近年來，隨著海洋修井機技術的不斷發展，交流變頻電驅動修井機已逐步在新建平臺上配備，其具備數字化、自動化、節能環保、良好的操作環境等優勢，在海洋石油裝備中逐步占據了主導地位。時至今日，渤海自營油田已有50%,電驅動修井機采用了S120驅動技術。鉆修井作業的日益頻繁，為海洋電驅動修井機的維修保養能力以及對系統故障的快速響應帶來了嚴峻考驗。通過對SIEMENS SINAMICS S120驅動器試驗裝置的研究與應用分析，以求在最短時間、最大程度、更加具體地掌握S120驅動技術，實現自主維修，降低維修成本，保證鉆修井作業順利進行，實現降本增效的目的。

1 S120驅動器試驗裝置總體設計

1.1 系統結構設計

S120驅動器試驗裝置的設計制造本著“先進、可靠、方便、經濟”的原則，充分考慮防潮、防塵等因素，其控制特性、操作邏輯和各種保護功能等滿足試驗裝置工作要求和性能指標。

本試驗裝置主要包括：①試驗操作臺臺體和輔助控制設備；②西門子書本型S120變頻器；③工業平板電腦；④I/O Control Panel；⑤試驗變頻電機(帶編碼器)和磁粉制動單元。

本試驗裝置把西門子S120變頻器、工業平板電腦等集成設計安裝在試驗臺上，所有設備及元器件布局合理，電氣控制元件及輔助配件均安裝在操作臺內部，S120變頻器模塊以壁掛的形式安裝在試驗臺前面板，便于調試時檢查各模塊狀態指示燈和調整通訊模式，工業平板電腦和I/O Control Panel安裝于試驗臺前面板便于操作，變頻電機和磁粉制動單元固定在試驗臺底座上，試驗臺面板上設置觀察口，方便觀察電機運行情況。總體布局如圖1、2所示。

圖1 總體布局圖(正視圖)Fig.1 Overall layout(Front view)

圖2 總體布局圖(后視圖)Fig.2 Overall layout(Rear view)

1.2 系統電氣回路設計

本S120驅動器試驗裝置電氣回路為三相五線制系統，設計滿足S120驅動器的使用工作要求。系統電氣回路如圖3所示。

圖3 系統電氣回路圖Fig.3 System electrical circuit diagram

2 S120驅動器試驗裝置選型與實現

SINAMICS S120是集矢量控制、V/F控制、伺服控制為一體的驅動系統，具有模塊化的設計。各模塊之間(包括控制單元模塊、整流/回饋模塊、電機模塊、傳感器模塊和電機編碼器等)通過高速驅動接口DRIVE-CLIQ 相互連接[1]。

2.1 裝置硬件選型與實現

本試驗裝置的S120驅動系統設計采用公共直流母線形式，模擬海洋電驅動修井機的矢量控制模式，將海上裝機、裝柜型轉化成5,kW書本型變頻器，仿真實現絞車、轉盤、泥漿泵主電機的工作模式和功能。

本裝置硬件由以下部分組成[2]：控制單元CU320-2DP(訂貨號：6SL3040-1MA00-0AA0)，作為S120驅動系統的控制單元，CU320-2DP負責控制和協調系統中所有的模塊，完成各軸的電流環、速度環的控制，并且控制各軸之間能相互交換數據；SLM智能型整流模塊(訂貨號：6SL3130-6AE15-0AB1)，完成交流電源轉換為直流母線電壓，整流橋由二極管與IGBT組成，可以通過IGBT實現能量回饋；電機模塊(訂貨號：6SL3120-2TE13-0AA4)，實現直流逆變以驅動電機；SMC30編碼器轉換模塊(訂貨號：6SL3055-0AA00-5CA2)完成模擬量、開關量信號及編碼器的數據采集；變頻電機，采用鼠籠型、F級絕緣結構，輸出軸通過聯軸器與空心軸聯結、與止口支撐式的磁粉制動器連接，另一端通過聯軸器與增量編碼器連接，同時保證安裝接口與海上實際使用編碼器安裝接口尺寸一致。

磁粉制動單元包括手動張力控制器和磁粉式制動器[3]。磁粉制動器與電機傳動軸水平安裝，安裝同軸度為+0.03,mm，手動張力控制器可模擬海上變頻電機帶負載短時運行，控制精度高，保證磁粉制動器力矩輸出穩定可靠。磁粉制動器允許轉速可達到1,500,r/min，制動力矩0～50,N·m，額定電流1,A。

①I/O Control Panel：創新設計的一體化I/O Control Panel采用316L不銹鋼腐刻制成，表面鍍膜處理，集成了選擇開關、LED指示燈、高精度電位器和高精度數顯表，配置的I/O Control Panel與CU320-2DP的數字輸入/輸出、TB30模擬輸入的I/O點相連接。選擇開關實現控制電機啟停、轉向、電機勢能、故障復位，LED指示燈指示當前設備運行狀態，高精度電位器用于給定變頻電機轉速，并通過高精度數顯表顯示電機運行實時轉速及電流值。

通過CU320和TB30端子擴展板對I/O Control Panel的 I/O點進行數據采集，高度仿真了海洋鉆修井機絞車等設備控制開關和操作手柄的特性，外觀精致美觀，控制功能清晰、穩定、精確。I/O Control Panel如圖4所示。

圖4 I/O控制面板Fig.4 I/O Control Panel

②其他組件：SITOP電源、TB30端子擴展板、電源濾波器、進線電抗器和工業平板電腦等。裝置硬件配置示意圖如圖5所示。

圖5 裝置硬件配置示意圖Fig.5 Hardware configuration diagram

S120各模塊之間通過DRIVE-CLIQ通訊方式進行連接，實時串行通訊，用于連接所有的SINAMICS驅動組件，在搭建驅動系統DRIVE-CLIQ網絡時要滿足圖6中的配置規則[4]。

2.2 系統軟件實現

圖6 DRIVE-CLIQ網絡配置規則Fig.6 DRIVE-CLIQ network configuration rules

STARTER軟件用于SINAMICS S120驅動裝置的現場調試，能夠實現在線監控、修改裝置參數、故障檢測、電機優化和復位，以及跟蹤記錄等強大調試功能，因此應用十分廣泛。S120驅動器試驗裝置使用的是CU320-2DP控制單元，因此PC機可以通過STARTER軟件與S120驅動系統實現3種通信方式，即PROFIBUS-DP通信、以太網通信和RS-232串口通信。

STARTER軟件對S120的調試首先要通過對系統的配置，系統配置完成后，就可以用STARTER軟件對S120進行調試。調試功能包括數據跟蹤記錄、功能函數發生器、伯德圖測量、控制器自動優化等[5]。

3 S120驅動器試驗裝置調試與實際應用

3.1 裝置控制系統調試

I/O Control Panel和STARTER都可以實現控制電機啟停、轉速、轉向、使能、復位，可以實現變頻器參數的更改、優化電機等功能[6]。

S120控制系統調試內容包括以下部分：①通過DP接口、PN接口實現PC與S120之間的通訊、設備間參數的讀取及寫入；②SINAMICS S120項目在線/離線配置；③STARTER控制面板控制電機；④I/O Control Panel配置開關量及模擬量對電機啟、停及速度控制；⑤使用Trace功能進行電機動態特性的調試；⑥通過r945和r949參數確認故障及故障處理方法。

3.2 實際應用

結合SIEMENS SINAMICS S120驅動器試驗裝置，有效開展了人員技術培訓和技術研究工作，取得的應用成果如下：①公司電驅動修井機電控技術攻關人員熟練掌握了STARTER、I/O Control Panel控制變頻電機的基本原理和操作技巧，培訓后均可獨立完成海上電驅修井機S120傳動系統電機靜態/動態辨識、變頻器參數修改設置、程序備份等工作，徹底解決了關鍵技術點無法試驗模擬和不敢下手的窘境。②通過將程序的上裝和下載等方式，結合試驗裝置，模擬現場電驅動修井機運行故障，檢查現場修井機變頻器各參數并進行比對，采取有效方法解決了海上電驅修井機S120驅動系統通訊故障、絞車/轉盤變頻電機編碼器故障、現場變頻器參數被無故修改導致絞車主電機無故停車等棘手問題，以此實現了陸地與海上S120變頻器設備運行狀態及運行參數的交互。

4 結 語

通過對SIEMENS SINAMICS S120驅動器試驗裝置的研究與應用，模擬海上電驅動修井機S120驅動系統，積累廣泛的知識和經驗，制定全生命周期預防性維護和故障性維修方案，并在實際工作中得到有效應用，確保其長期可靠運行。同時在陸地開展更加具體、有針對性的技術培訓工作，提高員工技術能力，培養電驅動修井機維護技術骨干，確保維護能力和質量，為海上油田電驅修井機提供優質的服務與支持，使其成為公司持續發展的源泉和未來的核心競爭力。■

［1］米玉柱. SINAMICS S120在生產設備中的應用[J]. 科技傳播，2012(14)：133-134.

［2］SIMENS SINAMICS S120 設備選型手冊[Z]. 2013.

［3］KADYLBEK ZHALYN(加棱). 電力拖動典型負載模擬系統設計與實現[D]. 上海：東華大學，2016.

［4］施坪， 桯程 ，王軼，等. 西門子 S120變頻裝置的調試應用[J]. 變頻器世界，2014(9)：91-94.

［5］謝麗蓉，高磊，路朋，等. 基于 SINAMICS S120的運動控制系統實踐教學平臺建設[J]. 實驗技術與管理，2017，34(2)：132-135.

［6］SIMENS SINAMICS S120 安裝調試手冊[Z]. 2013.