西門子G150變頻器主從控制方式應(yīng)用一例

馮曉輝，郭 穎

(1.西門子工廠自動化工程有限公司，沈陽 110013;2.北方重工集團(tuán)裝卸設(shè)備分公司，沈陽 110000)

1 引言

西門子SINAMICS G150變頻器是將G130變頻器和所需要的輸入和輸出側(cè)組件集成到專門設(shè)計的機(jī)柜中而組成的變頻柜解決方案，是針對恒轉(zhuǎn)矩及平方轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載的，具有中等性能要求，但無需再生反饋的傳動應(yīng)用所開發(fā)的一款單機(jī)應(yīng)用的變頻調(diào)速柜。具有結(jié)構(gòu)緊湊，模塊化設(shè)計，維修方便的特點，并可通過選配多種選件來滿足客戶的特定需求，應(yīng)用非常廣泛。

主從控制是當(dāng)一個傳動設(shè)備由兩個或多個電機(jī)驅(qū)動時，為保證各電機(jī)負(fù)荷的均勻分配就需要采用主從控制方式以滿足控制精度要求。

某廠新上生產(chǎn)線選用G150變頻器驅(qū)動木材破碎機(jī)。這里介紹G150變頻器主從控制在木材破碎機(jī)上的應(yīng)用及調(diào)試經(jīng)驗。

2 主從控制的工作原理

主從應(yīng)用中主傳動是典型的速度控制，而從傳動是速度控制或者轉(zhuǎn)矩控制，一般情況下可分為:

當(dāng)主傳動和從傳動的電機(jī)軸通過減速機(jī)，鏈條等相互固定的剛性連接時，從傳動與主傳動之間不能有速度差，從傳動使用轉(zhuǎn)矩控制，其工作時只負(fù)責(zé)輸出與主傳動相同的轉(zhuǎn)矩以分擔(dān)主傳動的負(fù)荷，整個傳動系統(tǒng)的速度控制由主傳動來完成。

當(dāng)主傳動和從傳動的電機(jī)軸通過傳輸帶等設(shè)備柔性地連接時，從傳動與主傳動之間允許有細(xì)微的速度差，從傳動使用速度控制。

在一些特殊應(yīng)用中，從傳動既需要速度控制，也需要轉(zhuǎn)矩控制，原因是兩個電機(jī)軸工作時有的時候是剛性連接，有的時候是柔性連接，一般有主從控制性能的變頻器都有自由切換這兩種控制方式的功能。

主從控制的關(guān)鍵問題是如何把主傳動裝置的速度信號或轉(zhuǎn)矩信號高速和精確地傳送到從傳動裝置，實現(xiàn)方法因產(chǎn)品規(guī)格型號不同會有所差別，并且在各種應(yīng)用場合中由于傳動控制精度的要求不同也可以通過不同的方法來實現(xiàn)，主要有:通過模擬量輸入/輸出口，及各種通訊模塊。

本例中用模擬量輸入/輸出口可以完全滿足工藝要求。

3 系統(tǒng)配置

兩臺G150變頻器做主/從控制，分別控制兩臺剛性連接的電機(jī)組成木材粉碎機(jī);如圖1所示。

圖1 驅(qū)動系統(tǒng)示意圖

主/從間的通訊通過端子模塊TM31的數(shù)字和模擬通道來實現(xiàn)。上位機(jī)采用PLC控制。

4 調(diào)試中出現(xiàn)的問題及對策

4.1 控制方式

G150的轉(zhuǎn)矩控制方式有兩種，一是轉(zhuǎn)矩控制的直接選擇，二是轉(zhuǎn)矩控制的間接選擇。轉(zhuǎn)矩控制的直接選擇是指參數(shù)P1300=22/23，控制方式設(shè)定為無編碼器或者帶編碼器的轉(zhuǎn)矩控制，轉(zhuǎn)矩設(shè)定值是P1503，P2003是參考轉(zhuǎn)矩;轉(zhuǎn)矩控制的間接選擇是指參數(shù)P1300=20/21，控制方式設(shè)定為無編碼器或者帶編碼器的速度控制，速度控制切換到轉(zhuǎn)矩控制的信號源P1501被置1，轉(zhuǎn)矩設(shè)定值是P1503，P2003是參考轉(zhuǎn)矩。本例應(yīng)用中采用轉(zhuǎn)矩控制直接選擇且無編碼器反饋，即P1300=22。

G150可以在無編碼器的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，對于工藝要求不高的場合，降低了硬件成本。但其在低速時即開環(huán)控制期間，性能不高，不能實現(xiàn)真正意義的閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制(即自動進(jìn)行速度設(shè)置)，而是轉(zhuǎn)矩給定值通過斜坡積分器改變給定速度。因此只適用于低速時有加速轉(zhuǎn)矩?zé)o負(fù)載轉(zhuǎn)矩的場合。而帶編碼器的轉(zhuǎn)矩控制并沒有此限制。對于本例中的應(yīng)用，采用無編碼器的轉(zhuǎn)矩控制完全可以滿足工藝要求。功能框圖如圖2所示。

4.2 速度限幅

從功能圖中看，雖然速度限幅在轉(zhuǎn)矩給定的前端，好像對轉(zhuǎn)矩控制的從動裝置的速度不應(yīng)該有限制，但實際上，當(dāng)速度超過P1082所設(shè)的最高速度后，速度限制調(diào)節(jié)器可以通過降低轉(zhuǎn)矩限幅來防止失速。

圖2 轉(zhuǎn)矩控制功能圖

事實證明，P1082能有效地限制轉(zhuǎn)矩控制的從動裝置的最大速度，以防止飛車。因此對從動裝置來說，即使是無負(fù)載并且脫軸的情況下，只要正確設(shè)置了P1082，也無飛車危險(但速度可能會有超調(diào))。

4.3 啟動/停車存在的問題

對于從動裝置是轉(zhuǎn)矩控制的情況(P1300=22)，如果同一個啟動命令分別控制主和從的ON/OFF1信號，會出現(xiàn)雖然兩臺變頻器同時啟動，但停車時主的按OFF1斜坡下降時間停車，而從的因無速度環(huán)控制，而將立即脈沖封鎖和斷電，即慣性停車(OFF2);即停車時不能實現(xiàn)主/從負(fù)載的均勻分配。而如果為使主動和從動裝置同時停車，而用主的脈沖使能信號控制從的ON/OFF1信號，雖然能實現(xiàn)同時停車，但又會出現(xiàn)主的啟動信號來之后，主動裝置啟動，經(jīng)過主的合閘和激磁時間延時后，脈沖使能信號才發(fā)出，從的才能啟動;即雖然能實現(xiàn)同時停車，但又不能實現(xiàn)啟動過程的同步;為了解決這個矛盾，可以將從的ON/OFF1與OFF3配合使用;因為用轉(zhuǎn)矩控制時(P1300=22)，OFF3命令可以實現(xiàn)從轉(zhuǎn)矩控制到速度控制的切換。那么如果只是簡單用主的ON/OFF1信號作為從的ON/OFF1，同時用主的ON/OFF1信號控制從的 OFF3，又會出現(xiàn)因為OFF3優(yōu)先級高于ON/OFF1，導(dǎo)致啟動時，從動裝置無法檢測到啟動信號上升沿，從而導(dǎo)致無法啟動的現(xiàn)象。為了解決這個矛盾，可以將從的ON/OFF1與OFF3及其狀態(tài)字配合使用;具體地說，就是用主的啟動信號(ON/OFF1)控制從的OFF3，再用從的OFF3狀態(tài)字(R898.2)控制從的ON/OFF1;同時將從動裝置的OFF3停車時間設(shè)成與主的OFF1停車時間一致。即停車用OFF3控制，再用OFF3的狀態(tài)字控制啟動ON/OFF1，這樣就可以實現(xiàn)主/從裝置的可靠的同步啟動和停止。

上述功能也可以通過將從動裝置設(shè)置成速度控制(P1300=20)，再用P1501實現(xiàn)速度控制和轉(zhuǎn)矩控制之間的切換，而不用OFF3命令;

也可以將上述的邏輯關(guān)系用自由功能塊來實現(xiàn)。

4.4 使能控制

為保證主/從同步操作的更加可靠，可以將二者的脈沖使能信號相連。

4.5 故障信息

SINUMICS系列變頻器每個對象都有自己的故障狀態(tài)信息，如果分別向外發(fā)送會很麻煩，這時可以用一個全局變量R3114.10(V2.5版本以后)，任何一個對象有故障，它都可以被置位，因此只要一個信號就可識別裝置的任何一個對象是否有故障。

為保證從動裝置出現(xiàn)故障，主動裝置也要停車，可以將從的“R3114.10”信號連到主的CU的“外部故障”，以保證從的有故障，主的也停車。

主/從裝置主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。主/從裝置間TM31接線如圖3所示。

4.6 自由功能塊

使用自由功能塊，首先要激活 FREE FUNCTION的功能，然后才能看到P20000以后的參數(shù)，然后在P20000中為RUN－TIME GROUP選擇采樣時間，再在所用功能中分配RUN－TIME GROUP即可。

表1 主要參數(shù)設(shè)置

圖3 主從驅(qū)動間接口

如果無特殊要求，其他可用默認(rèn)設(shè)置。

首次激活并使用自由功能塊要離線配置，然后再下載，以后則可以在線配置和修改。

4.7 電機(jī)優(yōu)化

完成項目組態(tài);輸入電機(jī)銘牌數(shù)據(jù);啟動變頻器進(jìn)行靜態(tài)辨識和動態(tài)優(yōu)化;

優(yōu)化完成后必須及時將參數(shù)保存到CF卡上，否則裝置斷電后參數(shù)不保存還需再次優(yōu)化。

5 結(jié) 束 語

G150變頻器作為西門子新一代變頻器，功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛，結(jié)合全新的圖形化的調(diào)試軟件STARTER，極大地方便了調(diào)試過程，可以根據(jù)不同的工藝要求靈活實現(xiàn)各種功能。

［1］天津電氣傳動設(shè)計研究所.電氣傳動自動化技術(shù)手冊(第二版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社出版社，2005.

［2］孟曉芳，李策，王玨.西門子系列變頻器及其工程應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社出版社，2008.

［3］西門子公司.SINAMICS S120功能手冊［Z］.西門子公司，2011－01.