S120 變頻器在河鋼唐鋼轉爐中的工程設計和應用

李小新 吳 迪 隋大偉 鄧 波

（1、唐山鋼鐵集團有限責任公司信息自動化部，河北 唐山063000 2、天津電氣科學研究院有限公司，天津300180 3、廣西北部灣新材料有限公司，廣西 北海536000）

S120 變頻器是西門子公司推出的全新一代驅動產品，是6SE70 變頻器的升級換代產品，可用于復雜的高端應用，已全面投入市場應用到各個行業的電機驅動系統中。該產品硬件上高度模塊化，極大的方便了更換和故障排查；控制精度和控制功能更加完善，調試軟件在保留原參數表的基礎上增加了圖形化界面，給調試和日常維護帶來了極大的便利。河北鋼鐵集團唐鋼分公司二鋼轉爐傾動設備由四臺電動機驅動，變頻設備升級為S120 單體變頻器，本文對硬件選型、程序設計和實際應用中存在的問題進行詳細的分析。

1 S120 變頻器的硬件選型

項目中通常先選電機，再根據電機選則變頻器，“電流”是變頻器選型需要考慮的關鍵因素之一，一般情況下變頻器拖動恒轉矩負載電機，以電機額定電流為依據選擇變頻器。實際上，電機工作時的電流并不是電機銘牌上標注的額定電流，而是有過負載運行情況，時常短時間過載的電機需要描繪出電流隨時間變化的曲線，所選變頻器的輸出電流要能覆蓋該曲線，變頻器才算選型正常。變頻器容量過大于電機容量會造成控制精度下降。

唐鋼二鋼轉爐傾動設備由四臺電動機驅動，其輸出軸通過齒輪剛性連接，齒輪箱驅動機械結構搖動轉爐。每臺電機容量55KW，額定電流210A，具有1.8 倍過載能力。出于安全生產考慮，每臺電動機由一臺AC-AC 變頻器驅動，每臺變頻器配置獨立的控制單元。變頻器選定容量為110KW，額定電流210A。變頻器具有1.5 倍輕過載、1.6 倍重過載10 秒和1.1 倍輕過載、1.5倍重過載60 秒能力。根據西門子硬件選型手冊選定變頻器對應輸入輸出電抗器、制動單元和制動電阻。

2 主從控制功能介紹

在工業應用中，很多場合需要進行主從控制。當一臺機械設備由兩臺或多臺電機驅動時，需要每臺電動機同步運轉或均勻出力，這時需要對變頻器進行主從控制。主從控制中主傳動是典型的速度控制，從傳動是速度或轉矩控制。當主傳動和從傳動的電機軸通過傳輸帶等柔性設備連接時，從傳動和主傳動之間允許有細微的速度差，從傳動使用速度控制；當主傳動和從傳動的電機軸通過鏈條或齒輪等剛性設備連接時，從傳動和主傳動之間沒有速度差，從傳動使用轉矩控制，負責輸出一定比例的轉矩以均衡主傳動的負荷，整個傳動系統的速度控制由主傳動來完成。對于從傳動為轉矩控制的變頻器來說，轉矩給定來自主傳動速度調節器輸出之后經過限幅的轉矩設定值，自身的速度環不起調節作用，傳動控制命令也來自于主傳動。轉矩給定值和控制命令的傳輸形式根據變頻器的不同而不同。

3 CBE20 通訊板卡功能介紹

CBE20 通訊板卡為SINAMICS 系列控制單元的可選附件，通過該板卡可以把控制單元連接到profinet 網絡，也可以通過該板卡進行SINCMICS LINK 通訊，實現不同控制單元之間的數據交換。

SINAMICS LINK 通過CBE20 通訊板卡可以實現64 個控制單元CU320-2DP 之間的直接數據交換。每個控制單元需要進行站地址分配，站地址通過參數P8836 進行設置，最大值為64。CBE20 插入控制單元后需要為其分配通訊接口，并進行通訊方式設置。P8839 為其選擇通訊接口IF1 或IF2；P8835 用來選擇其通訊功能，例如SINAMICS LINK、PROFINET 等。SINAMICS LINK 的報文為16 個固定的過程數據空間（PZD），可以理解為數據通道，要發送的數據可以通過參數P8871 進行通道選擇，P8871.0-P8871.15 對應PZD1-PZD16，參數值范圍為0-16。例如P8871.0=10，PZD1 通過第10 個數據通道進行發送。每個PZD 為一個字節的長度，每個控制單元最多可以發送和接收16 個數據字。如果CBE20 硬件分配的通訊接口為IF1，所發送的數據內容通過參數P2051 來進行選擇，P2051.0-P2051.15對應PZD1-PZD16。P2051 和P8871 參數設置完成后就完成了數據內容發送。接收的數據通過參數P8872 和P8870 來進行選擇。其中P8872 用來選擇所要接收數據的站地址。P8872.0-P8872.15 的值對應PZD1-PZD16 里接收的數據字來自于哪個站地址，最大值為64。例如P8872.0=1，接收數據PZD1 的內容來自于1 號站；其中P8870 用來選擇要接收數據的通道號，P8870.0-P8870.15 的參數值對應PZD1-PZD16 里接收數據來自于哪個通道，最大值為16。例如P8870.0=10，PZD1 接收的數據來自于通道10。P8872.0=1 P8870.0=10 意思為該節點接收1 號站的第10 個通道的數據，其中具體數據內容在參數r2050.0-r2050.15 中顯示。

不同節點編號要連續，不允許有間隙；同步主的節點編號被自動分配為1；當配置通訊時，特殊節點的站名稱及IP 地址通過分配的節點編號被自動設置并且不能被修改；端口的使用必須按照圖1 所示，意味著n 節點的PORT2（P2）總是與n+1 節點的PORT1(P1)相連接。

圖1 SINAMICS Link 只允許使用的線性拓撲結構

圖2

4 主從控制變頻器參數設定、抱閘控制參數設定、能耗制動功能激活

河鋼唐鋼分公司二鋼轉爐傾動設備由四臺電動機驅動，通過齒輪箱鋼性連接，控制結構采用一主三從模式，控制方式P1300.0=21（帶編碼器的矢量控制），轉矩給定值均為主電機速度調節器輸出后經過轉矩限幅的值r79。從電機通過CBE20 進行通訊，獲取該設定值。P1501.1=1 轉矩選擇源為外部轉矩給定，P1503.1=Control_Unit :r8850.3 轉矩給定源為IF2 通訊接口內容。四臺變頻器同時接收PLC 發送的速度設定值和控制命令。

四臺電機在輸出軸處都設有抱閘裝置，抱閘打開關閉命令由各自對應的變頻器控制單元輸出，抱閘控制邏輯應用裝置內集成的功能框圖。抱閘打開命令源P1220=電流實際值r68，大于閾值30%時發出打開命令；抱閘關閉命令源P1225=速度實際值r63，低于閾值30rpm 時發出關閉命令。機械抱閘打開時間和關閉時間P1216、P1217 均設為100ms。

轉爐傾動設備是頻繁往復式運動設備，對電動機有快速制動的要求。S120 變頻器內整流部分為二極管功率器件，無能量回饋功能，配備制動單元和制動電阻將電機制動時產生的能量消耗掉。制動單元的觸發命令取決于母線電壓值，高于設定值時發出觸發命令，進行能量耗散。變頻器默認配置具有直流電壓保護功能，母線電壓過高時自動對速度設定值進行疊加，使電動機由發電狀態轉為電動狀態，消耗多余能量。此時需要將該功能手動屏蔽P1240=0，變相激活能耗制動功能。

5 應用中存在問題和解決方案

帶有獨立抱閘控制功能的主從應用中，設備運行一段時間后，變頻器在頻繁啟動時會出現F30001 過流故障。對四臺電機驅動電流進行波形采集如圖2 所示。

觀察波形發現故障發生時四臺電機電流和狀態字存在異步現象。出現此種波形的原因是機械設備長時間運行后齒輪間隙變大，精度下降，在變頻器停止時速度實際值不能在同一時刻達到抱閘關閉閾值，進而影響電機去磁時間和變頻器的使能信號，當再次快速啟動時出現抱閘打開混亂，最先建立勵磁的電機會單獨驅動機械設備造成過載現象。解決該問題的方案是每臺電機關閉抱閘的命令源選擇同一臺電機的速度實際值，即通過CBE20 將主電機速度實際值發送到從電機，從電機P1225=主速度實際值r63。