SINAMICS S120在上悬卸料离心机上的应用

(青岛理工大学琴岛学院、青岛高校重工机械制造有限公司，山东 青岛 266106) 张铁力

(青岛理工大学琴岛学院,山东 青岛 266106) 李晓佳

1 引言

XJZ离心机是一种机械卸料的全自动上悬离心机，凡与物料接触部分均采用不锈钢或耐腐蚀材料制造，保证分离后产品的清洁卫生；气动机械刮刀卸料，使卸料安全可靠。主要用于制造工业中的甲糖膏的分离，也适用于乙糖膏、葡萄糖膏或类似的结晶物料的固、液分离。

由于上悬全自动卸料离心机具有中低速进料、高速分离、低速卸料及循环周期短的特点，且要求转鼓在60～1200r/min范围内能无级调速，因此通常采用变频器，并配备能量回馈单元，制动能量回馈电网，可节省电能，使离心机转鼓能平滑、无冲击的启动或停止。但这种控制方式在转鼓快速降速，能量回馈电网时会给电网造成污染，其中所含的高次谐波会对工厂电网或其它用电设备造成影响，使电子部件发热有损寿命，对弱电信号造成干扰，使控制器接收错误信号程序混乱。为了解决这些问题离心机厂家普遍采用6SE70变频器，并在此基础上为了节约成本、提高回馈能量的利用率，采用“一拖二”的控制方式，即拖动两台离心机变频器的逆变器共用一个整流单元，当一台离心机处于降速制动发电时，要求另一台处于升速状态，将制动的能量不用回馈电网就能利用起来，这需要两台PLC通过外部信号交换，相互通知各自状态协调工作，但也存在如下问题，首先，在电网突然断电时会发生回馈颠覆问题，造成烧硅，由于西门子已将6SE70系列变频器退市，所以配件的价格不断升高，维护、维修成本越来越大。其次，两台离心机能否协调工作是由外部信号决定的，当外部线路发生短路、松动或受到干扰都会给两台离心机的工作造成影响，从而影响产量。再者，既然两台设备分成一组，用两台触摸屏操作起来就显得非常不方便。同时，离心机数量越多，用WinCC等数据采集与监控软件进行组态的要求就越高，拓扑结构就越复杂。因此我们提出用新的控制方式来解决上述问题，而S120系列变频器的问世，为我们解决上述问题带来新的契机。

SINAMICS S120可以胜任各个工业应用领域中要求苛刻的驱动任务，其模块化的系统组件设计，使大量部件和功能相互之间具有协调性，可进行组合使用从而构成最佳方案。在机械制造和工厂工程的许多应用中，都需要使用共同完成驱动任务的协调式驱动装置，例如高端上悬全自动卸料离心机，属于大惯性负载，由于工艺要求离心机转鼓升速、降速非常频繁，为了节能高效，可以将两台离心机分成一组协调工作，为此需要使用带有耦合式直流母线的驱动，这样就能以节省成本的方式，在制动轴和驱动轴之间实现能量交换。SINAMICS S120拥有大功率范围的电源供应装置（Line Module：电源模块）和逆变器模块（Motor Module：电机模块），这些模块可以进行无缝安装并节约多轴驱动装置的空间。调节型电源模块（Active Line Module）是作为升压器工作的自控供电/再生馈电装置，可以产生一个受控的直流母线电压，是额定电压的1.5倍，这样相连的电机模块便可以和电源电压隔开，电网容差或电网波动都不会对电机电压产生影响，进而提高了动态响应能力并改善了控制性能，此外必要时调节型电源模块还具有无功功率补偿的功能，其功率因数可以达到1.0（基波）。

2 SINAMICS S120项目配置

本文以MSWord2003(中文版)平台为例，具体给出了论文格式说明。SINAMICS S120的项目配置及调试是通过集成的DP接口来完成的，所以在编程器或PC机上必需插有DP接口卡（CP5511/CP5512/CP5611/CP5613等）或编程电缆（PC Adapter）。通过STARTER或SCOUT软件创建一个项目的形式来进行的，共有两种创建项目的方式，离线方式和在线方式。

离线创建方式是所有的项目数据都在离线的方式下输入的，即在离线的状态下创建一个新项目，选择相应的驱动单元，根据图形化的提示一步一步地手动输入或选择各模块和电机的数据，当数据全部输入完后，存储项目并下载到驱动装置中，即完成项目的创建。

在线创建方式是将编程器和驱动单元在线连接，控制系统（CU320）通过DRIVE-CLIQ将相连接的各模块和电机数据读入装置，再通过DP接口传到编程器中，即在在线方式下将各模块的参数从装置上载到编程器中，无需手动输入，但如果电机不带DRIVE-CLIQ接口，编码器参数仍需手动配置。

这里重点讨论在线方式，由于STEP7、STARTER软件同装在一台PC上，所有STARTER软件可以集成到STEP7中，在STEP7中创建一个项目，将S120_CU320作为S7-300 PLC的一个从站，配置从站地址及与S120通讯的报文方式。双击Commissioning，即可打开STARTER软件，项目名称与STEP7中创建的项目名称一致。需要注意的是SINAMICS S120的版本及DP地址的设置（打开CU320前端的BOP面板会发现地址开关），详细内容可参考参考文献[3]，这里不再详述。

2.1 SINAMICS S120在线调试

2.1.1 编程器与驱动器的连接

前面在STEP7中已经创建了S120_CU320子站，双击Commissioning，打开STARTER软件，点击工具栏内的“connect to target system”图标，将SIMANICS S120与编程器连接起来。

需要注意的是，控制单元CU320上的CF卡内可能含有原来的旧的项目配置，系统在连接时会对新建项目和原有旧的项目的拓扑结构进行比较，如果二者存在差别，那么连接后会出现提示对话框，将不同之处标出。

表格下方有两个按钮，“Download”（下载）和“Load to PG”(上载)，由于我们要进行自动配置，所以都不选，直接点击最下面“Close”按钮即可。

2.1.2 恢复工厂设置

点击工具栏内的“Restore factory settings”图标，将SINAMICS S120恢复工厂设定。选择“Save factory settings to ROM”并点击OK，系统开始进行工厂复位。

2.1.3 自动配置驱动系统

在窗口左侧项目导航栏中，双击S120_CU320下的“Automatic Configuration”，此时弹出一个对话框。当该对话框的第一行“Status of the drive unit”显示“First conmmissioning”时，点击“Configure”按钮。系统会让用户选择轴的控制类型——伺服或矢量控制，根据实际应用选择矢量控制，点击“Create”。

此时系统开始自动配置，将可以识别的组件（即带有Drive_CLiQ接口的组件）上装到编程器中，但不能识别的组件，例如我们选择的是通过SMC模块连接的编码器接口的电机，电机不带Drive_CliQ接口，所以需要我们离线手动配置驱动参数。系统提示自动配置结束，但有两个轴的电机参数需要离线配置，点击按钮“Go OFFLINE”，SINAMICS S120与编程器断开连接。

2.1.4 手动配置不带Drive_CLiQ接口组件

两个矢量轴都需要手动配置，配置流程一样。在项目导航栏中找到要手动配置的组件，双击“Configuration”,然后在右侧的窗口中点击黄色按钮“Configure DDS…”。在向导的指引下，配置完成如下内容，（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)，此项选择报文方式，要与SETP7项目中设定的报文类型一致，这里选择标准报文1，发送控制字与速度给定，接收状态字与实际速度值；（15）Important parameters；（16）Summary，是前15步的总结，可以拷贝到剪切板上然后存档。

2.1.5 在线、下载配置

在工具栏内选择在线，然后选择下载。需要注意的是，在线情况下，用户所看到的内容都存储在控制单元CU320的RAM中，并没有存储在CF卡上或计算机的硬盘里。如果系统断电，这些内容都会立即丢失，等下次上电时，系统会将CF卡中旧的数据读到RAM中，CF卡上的数据是断电保持的。所以用户需要将新的内容拷贝到CF卡中，执行工具栏中的“Copy RAM to ROM”。如果想将当前的内容存到计算机的硬盘中，就需执行“Load to PG”，将RAM区中的内容读到当前项目中，然后执行“Save and compile”，保存到硬盘上。

2.2 利用STARTER软件对电机进行优化

SINAMICS S120从V2.4版本起，开放了对电机的优化功能，可优化的电机包括普通感应电机和同步伺服电机，无论是对Siemens电机还是对第三方电机都可以达到最优的控制特性。对电机的优化可分为静态优化和动态优化。

2.2.1 电机的静态优化

选择需要优化的轴，点右键，从弹出的菜单中选择“Expert”，再选择“Expert list”，右侧工作区会显示专家列表。具体优化过程如下：

（1）选择电机数据计算参数P 3 4 0，将参数值改为“[1]Complete calculation”，系统会自动计算电机参数，计算完成后P340自动恢复为0。在这个过程中不必使能变频器。

（2）电机数据静态识别参数P1910设为“[1]Complete identi fi cation and acceptance of motor data”，右键选择需要优化的轴，选择“Commissioning”，再选择“Control panel”，打开控制面板。选择“Assume control priority!”按钮， 会获取控制权，点“Enables”，使能轴，点“I”启动轴，系统开始静态识别，会改变定、转子主抗、漏感等参数。变频器有输出电压、输出电流，电机可能最大转动90度，且会发出“吱吱”的声音。识别结束，P1910会自动变为0。

2.2.2 动态识别

由于上悬离线机属于大惯性负载，且为了设备与人身安全这里不要求带载优化，只进行电机空载优化即可满足要求，识别方法如下：

设定电机数据动态识别参数P1960为“[2]Rotating measurement with encoder”，在控制面板启动电机，电机会旋转，优化完成P1960会自动变为0。

在STARTER中，还可以使用“Trace/function generator”或“measuring function”功能来对电机的动态特性进行调试，由于我们采用的是矢量控制方式，对电机进行动态识别即可满足要求，其他功能不详述。

3 STEP7 项目的构建

在这里我们将诠释西门子所提出的全集成自动化的概念，在SMATIC Manager的平台上将S7-300 PLC，MP277、SINAMICS S120、WinCC集成于同一项目下完成硬件的配置及用户程序的编辑，然后分别下装到相关的硬件中。网络结构如图1所示。

项目配置步骤如下：

（1）在SIMATIC Manager中创建S120项目；

（2）插入S7-300站，做硬件配置，建立Pro fi Bus网络；

（3）插入S120_CU320子站，配置报文方式，根据CU320上的拨码开关设置地址；

（4）编写工艺程序及控制程序，写控制字及速度给定利用SFB15，读状态字及实际速度值用SFB14。需要注意的是，可先在OB100中向控制字1中送入047E，或在设备启动前先送入047E，用于设备运行准备，送入047F电机启动。对于非周期参数读写用SFC58、SFC59；

（5）在SIMATIC Manager下进入STARTER，对S120做相关配置，具体步骤在上文中提到；

（6）在SIMATIC Manager 窗体S120项目下插入SIMATIC HMI Station ，进入相应的硬件配置，选择MP277，进入SIMATIC WinCC fl exible 2008软件，可以创建与S7-300站的MPI连接或DP连接（在硬件配置NetPro中设置为MPI连接），可以创建画面对S7-300PLC中的变量进行监控与设置，完成对离心机的整体操作。

（7）插入SIMATIC PC Station或OS站，可对所有设备进行数据采集与监控，在WinCC软件中可做进一步设置、添加驱动连接、监控画面等。

（8）保存项目，在线连接，将项目下载到相关的设备中。

（9）通过MP277及WinCC进行测试。

4 存在的问题与解决方法

本文的亮点在于：SINAMICS S120 DC/AC 共直流母线的多轴驱动器在上悬式自动卸料离心机上的应用，其控制方式在上悬式离心机领域是一种新的突破；并采用一台S7-300 PLC控制两台离心机的工艺过程，操作方便且相互独立，两台设备可同时协调工作，离心机升、降速可实现内部互锁，使一台离心机降速时产生的能量被另一台设备使用，可至少节约30%的电能，也可单独启用一台设备；对于多台设备使用WinCC集中监控，便于组态、通信与扩展。

同样设备在使用中也不可避免存在各种问题，我们将许多问题都做了人性化处理：（1）根据工艺及现场要求可单独操作某台设备或两台设备协调工作；（2）当需要对设备进行维护、检修时，单停一台设备，在相应电机功率模块输出及PLC输入、输出处做断电保护；（3）当S120的电源模块损坏时，断开总电闸、检查线路，确定其它器件无问题后换上配件，再将坏的电源模块送西门子维修；（4）当电机模块损坏时，断开总电闸、检查线路，确定其它器件无问题后换上配件，再将坏的电机模块送西门子维修；（5）当触摸屏故障或意外损坏，换上灌好程序的触摸屏，触摸屏停止会影响操作但不会影响工艺过程，它的更换不会影响产量；（6）PLC故障（故障率很低），两台设备停止后，检查故障来自于外部线路还是PLC本身，如线路无问题，更换灌好程序的PLC。

从以上问题中可以看到，应用企业需备些配件，以节省时间提高产量，不仅因为所耽误时间生产的产值要远高于配件，还有一个主要问题，即一般企业不具备专业维修人员。对于PLC故障更换问题会有人提出异议，认为不如使用两台PLC好，这样一台出问题另一台不用停止工作，首先西门子S7-300 PLC在实际应用中出现问题概率很低，其次两台设备协调工作时，内部互锁信号的稳定性远远高于外部互联信号的稳定性，可使设备工作周期最优化，所提高的产值累积起来非常可观。

5 总结

本文采用SINAMICS S120 DC/AC 共直流母线的多轴驱动器拖动两台上悬式全自动卸料离心机；采用一台S7-300 PLC控制两台离心机的工艺过程；采用一台触摸屏对两台设备进行操作。在上悬式自动卸料离心机领域中是一个很大的突破，不仅可以使厂家在上项目初期节约成本，更重要的是在实际的使用中做到了稳定、高效、节能，因此这种控制方式具有广泛的应用前景。

[1]西门子. SINAMICS S120装机装柜型功率部件[Z]，2006.

[2]西门子. SINAMICS S120 产品目录[Z]2008.

[3]西门子. SINAMICS S120 & SIMOTION D快速入门[Z]，2005.

[4]西门子. SINAMICS S120调试手册[Z]，2006.