S120 在WK-55 电铲上的应用研究

李兆轩

（神华北电胜利能源有限公司，内蒙古锡林浩特 026015）

0 引言

WK-55 电铲是我国自主研发的大型露天采矿机械，具有较高的技术水平，已在国内外多个矿井得到应用，相比较早期的WK-35 电铲，其电气系统得到提升，特别是变频驱动系统从之前的6SE70 系列变频升级改造为S120 变频系统，其功能数据及各项指标都得到极大的提升，不论从硬件还是软件上，两者都有跨时代的差距。S120 系统在我国应用时间较晚，因此其还有更大的应用发展空间，同时其应用性能上还值得通过实践去摸索、研究。

1 WK-55 电铲控制系统

WK-55 电铲同样也是采用交流变频技术，他采用目前国内广泛应用的S7-400 PLC，该型号PLC 在我国应用较为成熟，变频器采用SINAMICS S120 系列，该型号变频器是对WK-35 电铲6SE70 型变频器的升级改造版本。

1.1 驱动系统

电铲的提升、推压、回转、行走等功能，全部由SINAMICS S120 系统实现。SINAMICS S120 驱动系统采用独立的功率单元和控制单元，可有效进行配置，满足各种不同驱动任务的需要。用户可根据要控制的驱动数量和所需的性能等级来选择控制单元，而功率单元的选择则必须满足系统的能量要求。控制单元和功率单元之间的连接非常简单方便，采用数字量系统接口DRIVE-CLiQ。

1.1.1 控制单元

CU310-2 PN 和SIMOTION D4x5-2 控制单元CU310-2 控制单元主要用于控制单驱动。控制单元CU310-2 标配以下连接和接口实际接续如图1 所示。包括现场总线接口，CU310-2PN：1个PROFINET 接口，带2 个端口（RJ45 插座），符合PROFIdrive V4 行规；CU310-2 DP：1 个PROFIBUS 接口，符合PROFIdrive V4 行规；1DRIVE-CLiQ 插口，用于与DRIVE-CLiQ 电机或其他DRIVE-CLiQ 设备（例如，传感器模块或端子模块）进行通信；1个编码器接口，可检测增量编码器TTL/HTL，SSI 编码器、不带增量信号；1 个PE（保护地）连接；1 个开关电源连接，通过24 VDC 电源连接器连接；1 路温度传感器输入（KTY84-130 或PTC）；1 路可设定的故障安全（通过V4.5 和更高版本的固件提供）隔离数字量输入或6 路可设定的隔离数字量输入。故障安全数字量输入可通过PROFIsafe 连接到上级控制器；1 路可设定的隔离数字量输入；1 路可设定的故障安全（通过V4.5 和更高版本的固件提供）隔离数字量输出或1 路隔离数字量输出；8 路可设定的双向非悬空数字量输入/输出；1 路模拟量输入，10 V（分辨率12 位+符号位）或20 mA（11 位+符号位）；1 个以太网接口（RJ45 插口），适用于调试和诊断；1 个CF 卡插槽，CF 卡存有固件和参数；1 个PM-IF 接口，用于和模块型功率模块通信；3 个测试插口和1 个参考接地，用于调试支持；1 个用于连接BOP20 基本操作面板的接口。

控制单元CU310-2 的状态通过多色LED 来显示。BOP20基本操作面板还可直接卡装到CU310-2 控制单元上以执行诊断。由于固件和参数设置保存在可插拔的CF 卡中，因此无需软件工具便可以方便地更换控制单元。

CU310-2 控制单元集成主要包括以下几个方面：控制单元CU310-2 通过PMI-IF 接口控制模块型功率模块。DRIVE-CLiQ电机或传感器模块（SMC）也可连接到集成RIVE-CLiQ 插口，以便使用不带DRIVE-CLiQ 接口的电机；可通过BOP20 基本操作面板直接更改设备上的参数。BOP20 基本操作面板也可在运行期间卡装到CU310-2 控制单元以进行故障诊断；使用STARTER 调试工具来调试和诊断控制单元CU310-2 和其他连接组件。控制单元CU310-2 要求使用固件版本不低于V4.5 的CF 卡；CU310-2 PN 控制单元和上级控制系统通过PROFINET IO 和PROFIdrive V4 行规进行通信。

带有CU310-2 PN 控制单元的SINAMICS 120 驱动系统构成1 个PROFINET IO 设备，可以执行以下功能：PROFINET IO 设备；全双工传输100 Mbit/s 支持PROFINET IO 实时通信类别包括实时RT、IRT（Isochronous Real-Time，同步实时），最短发送周期500 s；作为1 个PROFINET IO 设备连接到控制系统，符合PROFIdrive 行规V4；标准TCP/IP 通信，用于采用STARTER 调试工具的工程设计；集成双端口交换机，带2 个RJ45 插口，基于ERTEC ASIC。因此，无需外部附加交换机便可以配置最佳拓扑结构（线形、星形、树形）。

图1 CU310-2 接线示意图

CU320-2 控制单元主要用于控制多驱动。CU320-2 控制单元可控制多达12 个驱动（V/f 控制模式）或者6 个驱动（伺服或矢量控制模式）；CU320-2 控制单元可用于控制1 组单驱动来执行基本的驱动工艺功能；SIMOTION D 控制单元用于需要协调运动控制的应用，如同步运行、电子齿轮、凸轮盘或复杂工艺功能等。SIMOTION D 控制单元提供多种不同性能的型号；STARTER调试工具用于通过控制单元调试和诊断不同类型的SINAMICS驱动装置；SIMOTION D 控制单元需要包含STARTER 工具的SCOUT 工程系统。

1.1.2 功率模块

SINAMICS S120 驱动系统的独立版本由1 个CU310-2 控制单元和1 个功率模块组成。在这个功率模块中集成1 个电源整流器、电压源直流母线和为电机供电的逆变器；功率模块用于无法再生电能的单轴驱动。他可将制动时产生的电能可通过制动电阻转换成热量；功率模块也可以和CU320-2 控制单元、SIMOTION D4x5-2 或CX32-2 扩展控制器组合使用，例如将单轴驱动添加到多轴驱动组的配置中。此时，模块型功率模块必须配备CUA31/CUA32 控制单元适配器。该适配器通DRIVECLiQ 与CU320-2 控制单元、SIMOTION D4x5-2 或CX32-2 扩展控制器相连。装置型功率模块则直接通过DRIVE-CLiQ 电缆连接到多轴控制单元。

1.1.3 电机模块

在电机模块中集成1 个电压源直流母线和为电机供电的逆变器。电机模块用于多轴驱动系统，由CU320-2 控制单元、SIMOTIOND4x5-2 或CX32-2 扩展控制器进行控制。电机模块通过公共直流母线互连。由于电机模块共用1 个直流母线，所以2 个模块间可以交换能量。也就是说，如果1 个电机模块正在产生电能（发电机模式），另1 个电机模块可以使用该电能（电动模式）。电压源直流母线由电源模块提供进线电压。电机模块通过DRIVE-CLiQ 与控制单元通信。

1.1.4 电源模块

电源模块将进线电压转换为直流电压，通过电压源直流母线向电机模块供电。模块类型有3 种，基本电源模块、回馈电源模块和有源电源模块。

（1）基本电源模块。基本电源模块仅用于供电，无法将再生电能回馈到电网中。如果产生了再生电能（如驱动制动时），必须通过制动模块和制动电阻将其转化为热量。如果基本电源模块用作电源，必须安装配套的进线电抗器。也可以选择安装1 个进线滤波器，将干扰信号限制到 C2 类极限值内（EN 61800-3）。

（2）回馈电源模块。回馈电源模块可以提供电能并将再生电能反馈到电网中。仅当需要在电网掉电后（即电能无法反馈到电网时）控制驱动减速停止时，才需要使用制动模块和制动电阻。如果回馈电源模块用作电源，必须安装配套的进线电抗器。也可以选择安装1 个进线滤波器，将干扰信号限制到C2 类极限值内（61800-3）。

（3）有源电源模块。有源电源模块可以提供电能并将再生电能反馈到电网中。仅当需要在电网掉电后（即电能无法反馈到电网时）控制驱动减速停止时，才需要使用制动模块和制动电阻。不过，和基本电源模块与回馈电源模块相比，有源电源模块产生稳定的直流电压，在进线电压出现波动时，该电压仍能保持恒定。此时，进线电压必须在允许的容差范围内。有源电源模块从电源中产生1 个近似正弦波形的电流，可限制任何有害谐波。要想运行有源电源模块，必须使用配套的有源接口模块。也可以选择安装1 个进线滤波器，将干扰信号限制到C2类极限值内（EN 61800-3）。

1.1.5 冷却方式

根据外形尺寸，主要有内部风冷、外部风冷、冷却板式冷却和液体冷却4 种。

1.1.6 系统能效方面

SINAMICS S120 驱动系统采用节能设计：反馈轴的能量、在多轴配置的直流母线组内利用该能量，并将它反馈回电网。即使在达到最高的供电能力时，也不会在控制柜内产生多余的热量。由于有源电源模块可防止电容性和电感性无功电流，SINAMICS S120 还同时确保供电中不会出现多余的功率损耗，不会出现电流谐波。他不仅可以防止对其他负载产生不良影响，而且还可以减少控制柜内产生的热量。

1.1.7 系统组件

系统组件主要有以下几种：直流母线组件，如制动模块和制动电阻；输出侧的功率组件，如出线电抗器；附加系统组件，如端子模块、操作面板和通信板；编码器系统接口，用于将不同类型的编码器连接到SINAMICS S120 上。

1.1.8 工程软件

人性化调试工具STARTER 可以用于调试、优化和、诊断。该软件不仅可以作为单独的PC 应用程序运行，也可通过Drive ESBasic 集成到兼容TIA 的SIMATIC STEP 7 中，或集成到SCOUT 工程系统中（适用于SIMOTION）。但是，在这两种情况下它的基本功能和操作都保持不变。除了SINAMICS 驱动系统，STARTER 还支持MICROMASTER 4 设备。

其应用上有以下几个特性：BICO 工艺，每个驱动对象均包含大量的输入和输出变量，可通过BICO（Binector Connector Technology）自由独立地相互连接。Binector 是逻辑信号，值可以是0 或1。连接器是1 个数值，如实际速度或当前设定值；驱动控制图（DCC），驱动控制图（DCC）通过免费提供的闭环控制模块、计算模块和逻辑模块扩展设备功能范围，借助他还可实现图形化配置SINAMICS S120 驱动系统的工艺功能。DCC 作STARTER 调试工具的附加应用程序安装；SINAMICS S120 的DCC 驱动控制图可实现在驱动级对控制、逻辑和计算功能进行简单的图形化配置。他使SIMOTION 运动控制系统和SINAM原ICS S120 驱动系统的工艺功能配置变得更简单。DCC 编辑器简单易用，可对控制环结构方便地进行图形化配置以及清晰地进行呈现。其关联块库包含大量闭环控制模块、计算模块和逻辑模块以及更复杂的开环和闭环控制功能。因此，用于SINAMICS S120 的驱动控制图为直接在变频器中便捷处理驱动级开环和闭环控制任务奠定了基础。

1.1.9 功能模块

在所有SINAMICS S120 控制单元上，基本定位器EPos 都可作为可另外激活的功能模块进行调用。基本定位器可用于解决基本的运动控制任务，无需驱动本身消耗其它外部工艺支出。工艺控制器被设计成1 个PID 控制器。适用于对液位、温度、张力、压力、流速和跳舞辊位置等调节变量进行控制；集成安全功能（安全集成），控制单元支持众多的安全功能。集成安全功能是指安全集成基本功能，STO=安全转矩关闭、SBC=安全制动控制、SS1=安全停机1。需要许可证的安全集成扩展功能，SS2=安全停机2、SOS=安全操作停止、SLS=安全限速、SSM=安全速度监视、SDI=安全方向、SLP=安全限位。如果使用扩展的集成安全功能，则必须要有许可证、TM54F 端子模块等附加系统组件或适当的安全控制装置；CF 卡，SINAMICS S120 驱动的功能存储在1 张CF 卡上。所有驱动的固件和参数设置都在卡中以项目形式存储。该CF 卡也可以包含其他项目，这样便可以在调试不同机床系列时迅速访问正确的项目。控制单元启动后，将读取CF 卡上的数据并将其加载到RAM 中；固件以“对象”的形式进行管理。驱动对象用于对电源模块、电机模块、功率模块和其他通过DRIVE-CLiQ 连接的系统组件执行开环和闭环控制；通过跟踪功能提供最佳诊断支持，驱动对象的输入和输出变量的时间特性可以通过集成的跟踪功能测量，并通过STARTER 调试工具显示。跟踪功能最多可以同时记录4 个信号。记录操作可以根据可自由选择的边界条件（如输入或输出变量的值）进行触发。

1.2 自动控制系统

电铲的各项控制功能主要由S7-400PLC 完成。电铲触摸屏则为与操作者之间的媒介，S7-400PLC 主要起到功能包括：各限位节点，电铲集中润滑系统，辅助功能，包括消防，控制变频器与机械动作的起停。触摸屏的作用包括：与S7-400PLC 自动通讯，自动诊断记录显示。

2 系统故障案例分析

在电铲长时间运行中，频繁报F07900 故障代码，经过多次处理分析，下面将次故障处理过程总结如下。

电机长时间以转矩极限值工作，超出P2177 中设置的时间，且转速低于P2175 中设置的转速阈值，S120 驱动就会发出F07900 电机堵转报警。可以按照以下流程进行故障排查：脱开负载，电机是否带有抱闸（如有则看抱闸能否正常打开关闭，如果不能则检查并改正抱闸控制逻辑，如能则继续向下走）看电机是够带有编码器，编码器接线配置是否正确，设置P1300=20，看电机能否正常运转，如不能，则观察R1538、R1539 是否为0 或者很小的数值，检查并修改转矩限幅相关数据，重新测试。如果不能，观察R60 和R61 是否大小相等符号一致，如果大小不等则检查EMC（Electromagnetic Compatibili原ty，电磁兼容性）干扰，再次确认编码器配置和接续，如符号相反，则修改参数P410.0 或者修改编码器接续。实际生效的转矩限幅为电流限幅、转矩限幅、功率限幅换算为转矩的最小值，所以在观察到R1538，R1539 为0 或很小的时候应该判断哪个限幅生效并修改；如果空电机不带负载运行正常，带载运行报故障F7900，此时应该核算驱动器和电机是否过载，如过载，需要更换大的电机及驱动器或减小负载；如未过载，可以通过减小P2175 或增大P2177 解决；对S120 驱动第三方伺服电机的情况，有可能出现P1300=20 能正常运行，且此时R60 与R61 大小相同符号一致，但P1300=21 运行报故障F7900 的情况，此时应该进行绝对值编码器调校P1990=1（对绝对值编码器和带有C/D 信号的增量编码器）或磁极位置识别P1982=1（对增量编码器）

3 结束语

随着S120 系列变频器在电铲上的广泛应用，极大提高电铲的各项性能，同时越来越多的问题需要相关技术人员去处理，对S120 分别从硬件和软件方面进行系统的剖析研究，为今后处理和解决S120 系列电铲的相关问题提供详实的技术资料，达到促进维修效率和设备出动率的良好效果，创造更高的经济效益。