西门子Sinamics S120系列变频器在炼钢转炉倾动上的使用探讨和总结

2013-01-22成都市金自天正智能控制有限公司

电子世界 2013年19期

成都市金自天正智能控制有限公司陈华

一、引言

Sinamics S120系列是西门子近年来主推的更新一代变频器，在集成了前代6RA70及6SE70系列变频器优点的基础上，更更新了调试软件starter的软件画面，让调试人员更直观调试，并查找故障问题。同时，相对于其它变频器系列，S120更在内部集成了DCC（驱动控制图表）功能，可使用CFC编程语言来实现逻辑、运算以及简单的工艺等功能，让变频器的使用更灵活。

广西贵港钢铁厂在其新建炼钢转炉工程中采用了Sinamics S120系列变频器对其转炉倾动、氧枪等重要设备进行控制。本文就本次项目中Sinamics S120用在转炉的情况做一定的阐述和总结。

二、工艺要求

转炉倾动系统采用4台电机驱动转炉，与连接轴采用齿轮刚性连接。根据工艺，转炉本体应可以作360°倾动。在正常情况下4台电机同时动作，由1台作为主电机另外3台作为从电机给与转炉倾动力矩旋转。4台电机可以设置为任意一台作为主电机，当4台电机其中一台出现故障时，余下3台电机可以临时性的继续生产，当4台电机故障超过2台时，系统停止。

三、系统配置

本倾动转炉系统配置选用4台西门子Sinamics S120功率单元，分别驱动4台转炉倾动电机。每个功率单元使用一个CU320-2 D P 控制单元来单独控制。同时，每个CU320-2DP控制单元在配置一块CBE20通讯板，使用Profinet协议在4台控制单元间进行通讯，通过它们之间的数据交换来实现主从控制功能。主电机采用速度闭环控制，从电机取主电机的力矩输出作为自己的力矩输出，跟随主电机动作，从而实现主从控制功能。

四、具体控制设计方案

本系统设计的控制方案如图1所示：

图1

1.主从控制方案介绍

自动化PLC通过Profibus协议分别链接各个控制单元，作为自动化控制通道，读取各台电机运转状态，并给主电机控制单元发送如运行、速度等控制信号，控制倾动主电机用速度闭环控制方式运行。而各台控制单元之间使用SINAMICS Link协议进行链接通讯，作为主电机的控制单元将自身接收到的PLC控制命令通过SINAMICS Link发送给其余三台从电机的控制单元，作为从电机的控制命令，同时也把经过处理的实际力矩输出一并发送给其余三台从电机的控制单元，作为从电机的力矩给定，而从电机则使用力矩控制方式进行控制。每台电机的控制参数设置都有主从两种控制方式备选，并使用一个数字量输入作为主从切换，当此输入为1时，本电机作为主电机，使用主电机的控制参数，其余3台电机主从切换的数字量输入则为0，使用从电机的控制参数。要选择4台倾动电机的主从关系，只需要更改主从切换这个数字量输入的状态就可以了。此时PLC可以按实际情况进行逻辑判断，切换4台中的主从关系即可。

2.主从通讯连接的设置

为了将4台倾动电机连为一起，我们需要使用sinamics Link通讯协议，通过CBE20来实现4个控制单元CU320-2DP之间的数据交换。发送及接收数据常用的节点包括带有CU的驱动单元及连接的驱动对象（DOs）。SINAMICS Link的报文为16个固定的过程数据空间（PZD），每个PZD为一个字节长度。不需要的部分填零。

每个节点发送一个16个PZD的报文。一个驱动对象从每个连接的其它DO处最多可以接收16个PZD。可接收或发送单字和双字。双字需要2个连续的PZDs。

传送时间：当使用SINAMICS Link（对于一个控制周期，最大0.5ms；总线周期2.0ms）时，传送时间可以为3.0ms。

此时每台CU320-2DP有两路通讯，一路为IF1 Profibus-DP通讯，用于与自动化上位机进行通讯。一路为IF2 Profinet通讯，用于4台变频器控制单元之间的通讯。在设置主从通讯时，要给4台倾动控制单元分别设置1号～4号4个装置的站地址。同时，每台倾动控制单元都将各自的控制字、转矩给定发送到自己Profinet通讯的发送区等待其余3台倾动控制单元读取，同时，将另外3台控制单元的控制字和转矩给定数据读到自己的接收字缓存区待用。

3.具体主从逻辑判断设置

在各个倾动控制单元内我们设有主从两组不同参数，通过主从控制选择数字量输入来进行切换，当主从选择数字量输入为1时，控制单元切换到主参数进行控制，即选择PLC传送过来的控制信号作为控制命令。当主从选择数字量输入为0时，控制单元切换到主参数进行控制，即通过内部使用DCC编程后的逻辑判断来自动选择取哪一台为主的电机控制信号作为自身的控制命令。

DCC（drive control chart）是在Sinamics系列变频器可使用的可编程环境，可通过图形化的可编程语言（CFC）来编程满足驱动系统的相关功能。DCC包含很多逻辑编程的基本功能，如：算术、闭环控制、字符转换、逻辑、系统、工艺指令等。在本次倾动项目上我们主要选择使用其逻辑里的选择功能块。当电机为从状态时，我们通过逻辑程序编程实现对主电机控制源的有效选择，具体编程如图2、图3所示：

图2

图3

在以上程序中，我们选用NSW功能块（量选择器，见图2）来选择应该接收到的力矩给定，用BSW功能块（位选择器，见图3）来选择应该接收到的控制给定，用另外三台倾动控制单元的主从选择传送过来的位信号，三个叠加选择后来判断应选择的力矩给定和控制给定来源。因4台控制单元有且仅有一台的控制位为主状态，故最终选择只能选到唯一的主控制给定，不会出现多台主的冲突而导致输入值混乱。