SINAMICS S120在上懸卸料離心機(jī)上的應(yīng)用

(青島理工大學(xué)琴島學(xué)院、青島高校重工機(jī)械制造有限公司，山東 青島 266106) 張鐵力

(青島理工大學(xué)琴島學(xué)院,山東 青島 266106) 李曉佳

1 引言

XJZ離心機(jī)是一種機(jī)械卸料的全自動(dòng)上懸離心機(jī)，凡與物料接觸部分均采用不銹鋼或耐腐蝕材料制造，保證分離后產(chǎn)品的清潔衛(wèi)生；氣動(dòng)機(jī)械刮刀卸料，使卸料安全可靠。主要用于制造工業(yè)中的甲糖膏的分離，也適用于乙糖膏、葡萄糖膏或類似的結(jié)晶物料的固、液分離。

由于上懸全自動(dòng)卸料離心機(jī)具有中低速進(jìn)料、高速分離、低速卸料及循環(huán)周期短的特點(diǎn)，且要求轉(zhuǎn)鼓在60～1200r/min范圍內(nèi)能無(wú)級(jí)調(diào)速，因此通常采用變頻器，并配備能量回饋單元，制動(dòng)能量回饋電網(wǎng)，可節(jié)省電能，使離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓能平滑、無(wú)沖擊的啟動(dòng)或停止。但這種控制方式在轉(zhuǎn)鼓快速降速，能量回饋電網(wǎng)時(shí)會(huì)給電網(wǎng)造成污染，其中所含的高次諧波會(huì)對(duì)工廠電網(wǎng)或其它用電設(shè)備造成影響，使電子部件發(fā)熱有損壽命，對(duì)弱電信號(hào)造成干擾，使控制器接收錯(cuò)誤信號(hào)程序混亂。為了解決這些問(wèn)題離心機(jī)廠家普遍采用6SE70變頻器，并在此基礎(chǔ)上為了節(jié)約成本、提高回饋能量的利用率，采用“一拖二”的控制方式，即拖動(dòng)兩臺(tái)離心機(jī)變頻器的逆變器共用一個(gè)整流單元，當(dāng)一臺(tái)離心機(jī)處于降速制動(dòng)發(fā)電時(shí)，要求另一臺(tái)處于升速狀態(tài)，將制動(dòng)的能量不用回饋電網(wǎng)就能利用起來(lái)，這需要兩臺(tái)PLC通過(guò)外部信號(hào)交換，相互通知各自狀態(tài)協(xié)調(diào)工作，但也存在如下問(wèn)題，首先，在電網(wǎng)突然斷電時(shí)會(huì)發(fā)生回饋顛覆問(wèn)題，造成燒硅，由于西門子已將6SE70系列變頻器退市，所以配件的價(jià)格不斷升高，維護(hù)、維修成本越來(lái)越大。其次，兩臺(tái)離心機(jī)能否協(xié)調(diào)工作是由外部信號(hào)決定的，當(dāng)外部線路發(fā)生短路、松動(dòng)或受到干擾都會(huì)給兩臺(tái)離心機(jī)的工作造成影響，從而影響產(chǎn)量。再者，既然兩臺(tái)設(shè)備分成一組，用兩臺(tái)觸摸屏操作起來(lái)就顯得非常不方便。同時(shí)，離心機(jī)數(shù)量越多，用WinCC等數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控軟件進(jìn)行組態(tài)的要求就越高，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就越復(fù)雜。因此我們提出用新的控制方式來(lái)解決上述問(wèn)題，而S120系列變頻器的問(wèn)世，為我們解決上述問(wèn)題帶來(lái)新的契機(jī)。

SINAMICS S120可以勝任各個(gè)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中要求苛刻的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，其模塊化的系統(tǒng)組件設(shè)計(jì)，使大量部件和功能相互之間具有協(xié)調(diào)性，可進(jìn)行組合使用從而構(gòu)成最佳方案。在機(jī)械制造和工廠工程的許多應(yīng)用中，都需要使用共同完成驅(qū)動(dòng)任務(wù)的協(xié)調(diào)式驅(qū)動(dòng)裝置，例如高端上懸全自動(dòng)卸料離心機(jī)，屬于大慣性負(fù)載，由于工藝要求離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓升速、降速非常頻繁，為了節(jié)能高效，可以將兩臺(tái)離心機(jī)分成一組協(xié)調(diào)工作，為此需要使用帶有耦合式直流母線的驅(qū)動(dòng)，這樣就能以節(jié)省成本的方式，在制動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)軸之間實(shí)現(xiàn)能量交換。SINAMICS S120擁有大功率范圍的電源供應(yīng)裝置（Line Module：電源模塊）和逆變器模塊（Motor Module：電機(jī)模塊），這些模塊可以進(jìn)行無(wú)縫安裝并節(jié)約多軸驅(qū)動(dòng)裝置的空間。調(diào)節(jié)型電源模塊（Active Line Module）是作為升壓器工作的自控供電/再生饋電裝置，可以產(chǎn)生一個(gè)受控的直流母線電壓，是額定電壓的1.5倍，這樣相連的電機(jī)模塊便可以和電源電壓隔開，電網(wǎng)容差或電網(wǎng)波動(dòng)都不會(huì)對(duì)電機(jī)電壓產(chǎn)生影響，進(jìn)而提高了動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力并改善了控制性能，此外必要時(shí)調(diào)節(jié)型電源模塊還具有無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)墓δ?，其功率因?shù)可以達(dá)到1.0（基波）。

2 SINAMICS S120項(xiàng)目配置

本文以MSWord2003(中文版)平臺(tái)為例，具體給出了論文格式說(shuō)明。SINAMICS S120的項(xiàng)目配置及調(diào)試是通過(guò)集成的DP接口來(lái)完成的，所以在編程器或PC機(jī)上必需插有DP接口卡（CP5511/CP5512/CP5611/CP5613等）或編程電纜（PC Adapter）。通過(guò)STARTER或SCOUT軟件創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目的形式來(lái)進(jìn)行的，共有兩種創(chuàng)建項(xiàng)目的方式，離線方式和在線方式。

離線創(chuàng)建方式是所有的項(xiàng)目數(shù)據(jù)都在離線的方式下輸入的，即在離線的狀態(tài)下創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，選擇相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)單元，根據(jù)圖形化的提示一步一步地手動(dòng)輸入或選擇各模塊和電機(jī)的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)全部輸入完后，存儲(chǔ)項(xiàng)目并下載到驅(qū)動(dòng)裝置中，即完成項(xiàng)目的創(chuàng)建。

在線創(chuàng)建方式是將編程器和驅(qū)動(dòng)單元在線連接，控制系統(tǒng)（CU320）通過(guò)DRIVE-CLIQ將相連接的各模塊和電機(jī)數(shù)據(jù)讀入裝置，再通過(guò)DP接口傳到編程器中，即在在線方式下將各模塊的參數(shù)從裝置上載到編程器中，無(wú)需手動(dòng)輸入，但如果電機(jī)不帶DRIVE-CLIQ接口，編碼器參數(shù)仍需手動(dòng)配置。

這里重點(diǎn)討論在線方式，由于STEP7、STARTER軟件同裝在一臺(tái)PC上，所有STARTER軟件可以集成到STEP7中，在STEP7中創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，將S120_CU320作為S7-300 PLC的一個(gè)從站，配置從站地址及與S120通訊的報(bào)文方式。雙擊Commissioning，即可打開STARTER軟件，項(xiàng)目名稱與STEP7中創(chuàng)建的項(xiàng)目名稱一致。需要注意的是SINAMICS S120的版本及DP地址的設(shè)置（打開CU320前端的BOP面板會(huì)發(fā)現(xiàn)地址開關(guān)），詳細(xì)內(nèi)容可參考參考文獻(xiàn)[3]，這里不再詳述。

2.1 SINAMICS S120在線調(diào)試

2.1.1 編程器與驅(qū)動(dòng)器的連接

前面在STEP7中已經(jīng)創(chuàng)建了S120_CU320子站，雙擊Commissioning，打開STARTER軟件，點(diǎn)擊工具欄內(nèi)的“connect to target system”圖標(biāo)，將SIMANICS S120與編程器連接起來(lái)。

需要注意的是，控制單元CU320上的CF卡內(nèi)可能含有原來(lái)的舊的項(xiàng)目配置，系統(tǒng)在連接時(shí)會(huì)對(duì)新建項(xiàng)目和原有舊的項(xiàng)目的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，如果二者存在差別，那么連接后會(huì)出現(xiàn)提示對(duì)話框，將不同之處標(biāo)出。

表格下方有兩個(gè)按鈕，“Download”（下載）和“Load to PG”(上載)，由于我們要進(jìn)行自動(dòng)配置，所以都不選，直接點(diǎn)擊最下面“Close”按鈕即可。

2.1.2 恢復(fù)工廠設(shè)置

點(diǎn)擊工具欄內(nèi)的“Restore factory settings”圖標(biāo)，將SINAMICS S120恢復(fù)工廠設(shè)定。選擇“Save factory settings to ROM”并點(diǎn)擊OK，系統(tǒng)開始進(jìn)行工廠復(fù)位。

2.1.3 自動(dòng)配置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

在窗口左側(cè)項(xiàng)目導(dǎo)航欄中，雙擊S120_CU320下的“Automatic Configuration”，此時(shí)彈出一個(gè)對(duì)話框。當(dāng)該對(duì)話框的第一行“Status of the drive unit”顯示“First conmmissioning”時(shí)，點(diǎn)擊“Configure”按鈕。系統(tǒng)會(huì)讓用戶選擇軸的控制類型——伺服或矢量控制，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇矢量控制，點(diǎn)擊“Create”。

此時(shí)系統(tǒng)開始自動(dòng)配置，將可以識(shí)別的組件（即帶有Drive_CLiQ接口的組件）上裝到編程器中，但不能識(shí)別的組件，例如我們選擇的是通過(guò)SMC模塊連接的編碼器接口的電機(jī)，電機(jī)不帶Drive_CliQ接口，所以需要我們離線手動(dòng)配置驅(qū)動(dòng)參數(shù)。系統(tǒng)提示自動(dòng)配置結(jié)束，但有兩個(gè)軸的電機(jī)參數(shù)需要離線配置，點(diǎn)擊按鈕“Go OFFLINE”，SINAMICS S120與編程器斷開連接。

2.1.4 手動(dòng)配置不帶Drive_CLiQ接口組件

兩個(gè)矢量軸都需要手動(dòng)配置，配置流程一樣。在項(xiàng)目導(dǎo)航欄中找到要手動(dòng)配置的組件，雙擊“Configuration”,然后在右側(cè)的窗口中點(diǎn)擊黃色按鈕“Configure DDS…”。在向?qū)У闹敢?，配置完成如下?nèi)容，（1）Control structure ；（2）Power_unit；（3）Power unit BICO technology；（4）Power unit supplementary data；（5）Drive setting；（6）Motor；（7）Motor data；（8）Optional Motor Data；（9）Equivalent Circuit Diagram Data ；（10）Calculation of the Motor/controller data；（11）Motor holding brake；（12）Encoder；（13）Drive functions；（14）Process data exchange(drive)，此項(xiàng)選擇報(bào)文方式，要與SETP7項(xiàng)目中設(shè)定的報(bào)文類型一致，這里選擇標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文1，發(fā)送控制字與速度給定，接收狀態(tài)字與實(shí)際速度值；（15）Important parameters；（16）Summary，是前15步的總結(jié)，可以拷貝到剪切板上然后存檔。

2.1.5 在線、下載配置

在工具欄內(nèi)選擇在線，然后選擇下載。需要注意的是，在線情況下，用戶所看到的內(nèi)容都存儲(chǔ)在控制單元CU320的RAM中，并沒有存儲(chǔ)在CF卡上或計(jì)算機(jī)的硬盤里。如果系統(tǒng)斷電，這些內(nèi)容都會(huì)立即丟失，等下次上電時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將CF卡中舊的數(shù)據(jù)讀到RAM中，CF卡上的數(shù)據(jù)是斷電保持的。所以用戶需要將新的內(nèi)容拷貝到CF卡中，執(zhí)行工具欄中的“Copy RAM to ROM”。如果想將當(dāng)前的內(nèi)容存到計(jì)算機(jī)的硬盤中，就需執(zhí)行“Load to PG”，將RAM區(qū)中的內(nèi)容讀到當(dāng)前項(xiàng)目中，然后執(zhí)行“Save and compile”，保存到硬盤上。

2.2 利用STARTER軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化

SINAMICS S120從V2.4版本起，開放了對(duì)電機(jī)的優(yōu)化功能，可優(yōu)化的電機(jī)包括普通感應(yīng)電機(jī)和同步伺服電機(jī)，無(wú)論是對(duì)Siemens電機(jī)還是對(duì)第三方電機(jī)都可以達(dá)到最優(yōu)的控制特性。對(duì)電機(jī)的優(yōu)化可分為靜態(tài)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

2.2.1 電機(jī)的靜態(tài)優(yōu)化

選擇需要優(yōu)化的軸，點(diǎn)右鍵，從彈出的菜單中選擇“Expert”，再選擇“Expert list”，右側(cè)工作區(qū)會(huì)顯示專家列表。具體優(yōu)化過(guò)程如下：

（1）選擇電機(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算參數(shù)P 3 4 0，將參數(shù)值改為“[1]Complete calculation”，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算電機(jī)參數(shù)，計(jì)算完成后P340自動(dòng)恢復(fù)為0。在這個(gè)過(guò)程中不必使能變頻器。

（2）電機(jī)數(shù)據(jù)靜態(tài)識(shí)別參數(shù)P1910設(shè)為“[1]Complete identi fi cation and acceptance of motor data”，右鍵選擇需要優(yōu)化的軸，選擇“Commissioning”，再選擇“Control panel”，打開控制面板。選擇“Assume control priority!”按鈕， 會(huì)獲取控制權(quán)，點(diǎn)“Enables”，使能軸，點(diǎn)“I”啟動(dòng)軸，系統(tǒng)開始靜態(tài)識(shí)別，會(huì)改變定、轉(zhuǎn)子主抗、漏感等參數(shù)。變頻器有輸出電壓、輸出電流，電機(jī)可能最大轉(zhuǎn)動(dòng)90度，且會(huì)發(fā)出“吱吱”的聲音。識(shí)別結(jié)束，P1910會(huì)自動(dòng)變?yōu)?。

2.2.2 動(dòng)態(tài)識(shí)別

由于上懸離線機(jī)屬于大慣性負(fù)載，且為了設(shè)備與人身安全這里不要求帶載優(yōu)化，只進(jìn)行電機(jī)空載優(yōu)化即可滿足要求，識(shí)別方法如下：

設(shè)定電機(jī)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)識(shí)別參數(shù)P1960為“[2]Rotating measurement with encoder”，在控制面板啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)會(huì)旋轉(zhuǎn)，優(yōu)化完成P1960會(huì)自動(dòng)變?yōu)?。

在STARTER中，還可以使用“Trace/function generator”或“measuring function”功能來(lái)對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行調(diào)試，由于我們采用的是矢量控制方式，對(duì)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別即可滿足要求，其他功能不詳述。

3 STEP7 項(xiàng)目的構(gòu)建

在這里我們將詮釋西門子所提出的全集成自動(dòng)化的概念，在SMATIC Manager的平臺(tái)上將S7-300 PLC，MP277、SINAMICS S120、WinCC集成于同一項(xiàng)目下完成硬件的配置及用戶程序的編輯，然后分別下裝到相關(guān)的硬件中。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

項(xiàng)目配置步驟如下：

（1）在SIMATIC Manager中創(chuàng)建S120項(xiàng)目；

（2）插入S7-300站，做硬件配置，建立Pro fi Bus網(wǎng)絡(luò)；

（3）插入S120_CU320子站，配置報(bào)文方式，根據(jù)CU320上的撥碼開關(guān)設(shè)置地址；

（4）編寫工藝程序及控制程序，寫控制字及速度給定利用SFB15，讀狀態(tài)字及實(shí)際速度值用SFB14。需要注意的是，可先在OB100中向控制字1中送入047E，或在設(shè)備啟動(dòng)前先送入047E，用于設(shè)備運(yùn)行準(zhǔn)備，送入047F電機(jī)啟動(dòng)。對(duì)于非周期參數(shù)讀寫用SFC58、SFC59；

（5）在SIMATIC Manager下進(jìn)入STARTER，對(duì)S120做相關(guān)配置，具體步驟在上文中提到；

（6）在SIMATIC Manager 窗體S120項(xiàng)目下插入SIMATIC HMI Station ，進(jìn)入相應(yīng)的硬件配置，選擇MP277，進(jìn)入SIMATIC WinCC fl exible 2008軟件，可以創(chuàng)建與S7-300站的MPI連接或DP連接（在硬件配置NetPro中設(shè)置為MPI連接），可以創(chuàng)建畫面對(duì)S7-300PLC中的變量進(jìn)行監(jiān)控與設(shè)置，完成對(duì)離心機(jī)的整體操作。

（7）插入SIMATIC PC Station或OS站，可對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，在WinCC軟件中可做進(jìn)一步設(shè)置、添加驅(qū)動(dòng)連接、監(jiān)控畫面等。

（8）保存項(xiàng)目，在線連接，將項(xiàng)目下載到相關(guān)的設(shè)備中。

（9）通過(guò)MP277及WinCC進(jìn)行測(cè)試。

4 存在的問(wèn)題與解決方法

本文的亮點(diǎn)在于：SINAMICS S120 DC/AC 共直流母線的多軸驅(qū)動(dòng)器在上懸式自動(dòng)卸料離心機(jī)上的應(yīng)用，其控制方式在上懸式離心機(jī)領(lǐng)域是一種新的突破；并采用一臺(tái)S7-300 PLC控制兩臺(tái)離心機(jī)的工藝過(guò)程，操作方便且相互獨(dú)立，兩臺(tái)設(shè)備可同時(shí)協(xié)調(diào)工作，離心機(jī)升、降速可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部互鎖，使一臺(tái)離心機(jī)降速時(shí)產(chǎn)生的能量被另一臺(tái)設(shè)備使用，可至少節(jié)約30%的電能，也可單獨(dú)啟用一臺(tái)設(shè)備；對(duì)于多臺(tái)設(shè)備使用WinCC集中監(jiān)控，便于組態(tài)、通信與擴(kuò)展。

同樣設(shè)備在使用中也不可避免存在各種問(wèn)題，我們將許多問(wèn)題都做了人性化處理：（1）根據(jù)工藝及現(xiàn)場(chǎng)要求可單獨(dú)操作某臺(tái)設(shè)備或兩臺(tái)設(shè)備協(xié)調(diào)工作；（2）當(dāng)需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)、檢修時(shí)，單停一臺(tái)設(shè)備，在相應(yīng)電機(jī)功率模塊輸出及PLC輸入、輸出處做斷電保護(hù)；（3）當(dāng)S120的電源模塊損壞時(shí)，斷開總電閘、檢查線路，確定其它器件無(wú)問(wèn)題后換上配件，再將壞的電源模塊送西門子維修；（4）當(dāng)電機(jī)模塊損壞時(shí)，斷開總電閘、檢查線路，確定其它器件無(wú)問(wèn)題后換上配件，再將壞的電機(jī)模塊送西門子維修；（5）當(dāng)觸摸屏故障或意外損壞，換上灌好程序的觸摸屏，觸摸屏停止會(huì)影響操作但不會(huì)影響工藝過(guò)程，它的更換不會(huì)影響產(chǎn)量；（6）PLC故障（故障率很低），兩臺(tái)設(shè)備停止后，檢查故障來(lái)自于外部線路還是PLC本身，如線路無(wú)問(wèn)題，更換灌好程序的PLC。

從以上問(wèn)題中可以看到，應(yīng)用企業(yè)需備些配件，以節(jié)省時(shí)間提高產(chǎn)量，不僅因?yàn)樗⒄`時(shí)間生產(chǎn)的產(chǎn)值要遠(yuǎn)高于配件，還有一個(gè)主要問(wèn)題，即一般企業(yè)不具備專業(yè)維修人員。對(duì)于PLC故障更換問(wèn)題會(huì)有人提出異議，認(rèn)為不如使用兩臺(tái)PLC好，這樣一臺(tái)出問(wèn)題另一臺(tái)不用停止工作，首先西門子S7-300 PLC在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)問(wèn)題概率很低，其次兩臺(tái)設(shè)備協(xié)調(diào)工作時(shí)，內(nèi)部互鎖信號(hào)的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外部互聯(lián)信號(hào)的穩(wěn)定性，可使設(shè)備工作周期最優(yōu)化，所提高的產(chǎn)值累積起來(lái)非?？捎^。

5 總結(jié)

本文采用SINAMICS S120 DC/AC 共直流母線的多軸驅(qū)動(dòng)器拖動(dòng)兩臺(tái)上懸式全自動(dòng)卸料離心機(jī)；采用一臺(tái)S7-300 PLC控制兩臺(tái)離心機(jī)的工藝過(guò)程；采用一臺(tái)觸摸屏對(duì)兩臺(tái)設(shè)備進(jìn)行操作。在上懸式自動(dòng)卸料離心機(jī)領(lǐng)域中是一個(gè)很大的突破，不僅可以使廠家在上項(xiàng)目初期節(jié)約成本，更重要的是在實(shí)際的使用中做到了穩(wěn)定、高效、節(jié)能，因此這種控制方式具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]西門子. SINAMICS S120裝機(jī)裝柜型功率部件[Z]，2006.

[2]西門子. SINAMICS S120 產(chǎn)品目錄[Z]2008.

[3]西門子. SINAMICS S120 & SIMOTION D快速入門[Z]，2005.

[4]西門子. SINAMICS S120調(diào)試手冊(cè)[Z]，2006.