西門子S120變頻器在新天鋼連退機組的應用

王耀東，王 巍，張 亮

（天津市新天鋼冷軋薄板有限公司，天津 300308）

0 引言

西門子S120是針對全球客戶研發的一款低壓變頻驅動控制裝置，主要應用在各種工業自動化生產線中的低壓電器驅動控制。西門子S120變頻器具備很多優勢，如：過程優化簡潔、高可靠性、節能、成本低、體積小、無污染等。西門子S120變頻器在工業自動化生產線中的應用中，其典型結構是多臺S120逆變器共用同一個整流裝置，所有的逆變器通過直流銅排接入到公共直流母線上。西門子S120變頻系統的所有的部件，無論是整流側，還是傳動側，組態的都非常清晰，安裝于各自的電氣柜內，組態、安裝都很靈活，能夠滿足客戶的特種需求。這也是西門子S120變頻器在國內得以廣泛應用的重要原因。

本文結合西門子S120變頻器在新天鋼連退機組的實際應用情況，介紹了S120變頻器的特點、功能及系統組成。以現場實際應用的例子講解了S120變頻器參數的設置及系統的維護，根據使用、維護經驗歸納出了現場易出現的問題及問題處理方法。

1 西門子S120變頻器簡介及系統組成

1.1 西門子S120變頻器簡介

S120變頻器是西門子公司推出的集V/F、矢量控制及伺服控制于一體的驅動控制裝置，能實現多類型低壓電機的驅動控制，應用范圍廣泛，適應各種復雜工況的能力強。

西門子S120變頻調速裝置具有結構緊湊、功能強大、可靠性高、組態安裝靈活以及操作調試簡單等特點，另外該系統還配備有編程軟件，使得系統參數的設定和驅動控制過程的監控變得更加容易。正是基于這些特點，西門子變頻器S120系列越來越多地被應用于冶金領域自動化生產線上，并且為用戶帶來了理想的驅動控制解決方案。

1.2 西門子S120系統組成

西門子S120和其他品牌變頻器系統組成結構大致相同，其結構組成主要包括整流單元、直流母線、逆變單元、輔助電源、控制單元等。西門子S120變頻器系統組成如圖1所示。

圖1 西門子S120變頻器系統組成

2 西門子S120變頻器在新天鋼的應用

2.1 西門子S120變頻器組態結構

新天鋼連退機組于2010年投產，產品規格涵蓋厚度為0.3～2.0mm、寬度為900～1250mm的冷軋帶鋼，以生產家電板、汽車內板等產品為主。全線采用了西門子電控系統，變頻調速裝置全部是西門子S120變頻器。按照結構特點，全線共分為VVVF-DRIVES GROUP 1～5號、VVVF-DRIVES GROUP 9號，共六個整流組。以1號整流組為例，其余5個整流組結構相同，不一一列舉，新天鋼連退機組變頻調速系統1號整流組結構如圖2所示。

圖2 新天鋼連退機組變頻調速系統1號整流組結構

在整流部分，新天鋼連退機組使用的是西門子SLM整流回饋系統。這個系統的優點是除了整流作用外，還可以將直流電回饋到電網，具有節能環保優勢[1]。西門子S120變頻裝置在新天鋼連退機組中用于輥子調速使用，以矢量控制為主，每一臺電機都有編碼器實現速度閉環控制。S120的控制單元的CPU為CU320，它與功率單元之間是通過DRIVE-CLiQ方式實現通信的。圖3為西門子S120的DRIVE-CLi Q通信拓撲結構，其中粗實線部分為DRIVE-CLiQ通信線纜。

圖3 西門子S120的DRIVE-CLiQ通信拓撲結構

西門子S120變頻器內部各模塊間的通信都是通過DRIVE-CLiQ實現的，現場的實際連接狀態要和西門子開發的STARTER軟件界面上的拓撲結構保持一致，否則系統就會報錯，無法通信。通過STARTER軟件，可以實現對S120變頻器進行參數設定或修改。但CU320不能夠作為主站訪問PROFIBUS網絡中的ET200或者其他設備，DRIVECLiQ的通信最長距離為70m。

2.2 西門子S120變頻器主要功能

西門子S120變頻器的控制器里有很多功能可供編程使用，其中包括加法器、乘法器、與或非門等一些邏輯功能，每個CPU里最多有240個功能塊可供使用，其使用的是CFC編程語言，與其他系統的兼容性強。控制器里CU320相當于西門子S120變頻器的大腦，是S120變頻器的核心部件，而系統中的整流組和逆變器都只是其中的執行機構，是功率器件。西門子S120變頻器能夠根據不同生產線的要求，具有多種控制模式，其控制模式的設定都是集成在CU320中。CU320中有速度控制、轉矩控制、負載平衡等多種控制模式可以設置，以滿足不同生產線的需求。

2.2.1 連退機組速度控制

連退機組全線分成了不同的速度區域，以活套作為分界點。不同速度區域都有一個速度主令輥，該區域的其他輥都按照主令輥的速度轉動。為滿足連退機組不同的工藝要求，S120變頻裝置內部集成了一個速度控制的比例積分控制器，比例控制器產生輸出后，作為積分控制器的輸入，積分控制器能夠按照設定值去調整，這樣可就有效抑制速度控制過程中的超調發生。速度控制模型參數設置正確后，能夠達到速度設定值和速度實際值基本一致。

2.2.2 連退機組恒張力控制

為了保證機組的張力穩定，還有一部分傳動處于非速度控制模式下的矢量控制，其功能在基礎自動化的PLC中設置。通過轉矩限幅作用，使它們的速度環飽和，電流環直接控制，用這種方法可實現機組的恒張力控制。轉矩的設定值一般通過PROFIBUS以百分數的形式下發，轉矩的設定值直接作用在轉矩限幅值上。

2.2.3 連退機組張力輥力矩平衡控制

新天鋼連退機組共有8套張力輥，張力輥之間的力矩都需要平衡分配，在西門子S120中叫做負荷平衡，負荷平衡通常指的是一組傳動輥通過帶鋼把各個輥子機械地連接在一起（例如：張力輥），其中的一個輥子作為主輥，設定額定轉矩，其他的輥子作為從輥。主輥的控制器是一個PI控制器，用于速度控制。其他從輥的速度控制器是一個P控制器。在控制過程中，主輥的速度PI控制器的積分分量以附加給定的形式發送給從輥P控制器。從輥就會按照這個積分分量進行調節。這樣能夠保證一組的張力輥力矩平衡，不至于互相牽制、互相抵消，保證了張力輥的出力。

2.3 西門子S120調試流程

西門子S120和其他的變頻器一樣，并不是拿來就能夠使用的。需要有專業的知識儲備，需要通過一步一步的參數設置、變頻器與電機的匹配優化以及通信參數和控制字狀態的優化來實現的。下面結合西門子S120變頻器多年的調試經驗，對S120變頻器基本設置流程進行介紹，以供初學者參考。西門子S120變頻器基本設置流程如圖4所示。

按照圖4所示流程對變頻器進行設置，就能夠完成一臺S120變頻器的基本調試。一般用一臺安裝STARTER的PG調試工具更為簡便。

圖4 西門子S120變頻器基本設置流程

3 西門子S120變頻器的日常故障分析及處理

西門子S120變頻器在新天鋼連退機組的使用過程中，運行比較穩定，但偶爾也會出現報錯，但大部分都是外界因素造成的。在使用的10多年之間，也遇到了一些故障，下面就把遇到的故障和處理方法列出來，供大家參考。

（1）故障碼F01000，軟件內部故障。處理方法是：斷掉所有元件的控制電，再重新上電；升級更新固件；更換控制單元CU320。

（2）故障碼F07902，電機堵轉[2]。處理方法是：檢查機械是否有卡阻；檢查編碼器是否運行正常；檢查編碼器模板SMC30是否運行正常。

（3）故障碼F08700，通信故障。處理方法是：檢查通信電纜是否破損；檢查通信板CBC運行是否正常；檢查波特率設置是否正確；檢查地址設置是否正確。

（4）故障碼F07802，整流或者功率單元沒有準備好。處理方法是：增加監視時間P0857；確定是否直流母線有電壓；更換整流或者功率單元的信號模塊。

（5）故障碼A07805，功率單元過載。處理方法是：降低張力、減小速度，減少持續過載時間；檢查核對電機的額定電流、電壓等參數是否正確。

以上故障碼都是在實際生產過程中遇見的，故障和處理方法也是經過實踐檢驗的，在這里可供參考。隨著經驗的積累和不斷的學習，一些故障均會迎刃而解的，但在生產中也有一些怪異的問題發生。例如：當現場輥子的聯軸器斷了，變頻器就會報警“設定速度和實際速度偏差過大”；還例如：現場軸承卡死，西門子S120變頻器就會報警“堵轉”等等這些問題。所以變頻器報警不一定是變頻器本身的問題。

4 結語

綜上所述，西門子S120變頻器具有功能強大、操作簡單、穩定性高、應用靈活等優點，可為用戶在生產線電機驅動控制中提供理想的解決方案。用戶可以根據實際需求進行選擇和配置，使得整個生產線變頻驅動控制裝置優化、簡潔、高效。實踐表明，西門子S120變頻器完全內適應鋼鐵行業各種復雜工況，尤其對于連退生產線的速度、張力及扭矩的控制。

西門子S120變頻器在新天鋼連退機組投產使用以來，很少出現故障，工作穩定性強。在多年的使用中，工藝人員獲得了許多S120變頻器使用、調試、維護經驗，在日常的使用中經常對其參數進行修改，另外為滿足工藝需求，也經常對變頻器的控制邏輯進行優化。目前新天鋼連退機組工藝人員逐漸熟悉了S120變頻器的操作系統，對其功能掌握得越來越全面。本文將新天鋼連退機組多年來西門子S120變頻器的使用維護經驗分享給大家，以供參考和借鑒。