西门子S120变频器在转炉氧枪中的应用

2022-08-25牛旭红

科学与信息化 2022年16期

牛旭红

长治市长钢工程建设有限公司山西长治 046031

引言

氧枪是转炉氧气顶吹炼钢工艺中的关键设备，在钢水吹炼过程中，氧枪要随工艺要求提升或下降，过程中要求速度可调、定位准确、传动可靠，变频调速是其驱动的理想方式，负荷属于重物提升、下放性质，对变频器性能要求较高，且要求调试质量要能满足生产工艺需求，西门子S120系列变频器是一款高性能矢量控制变频器，且有STARTER调试软件与之配套，使得调试直观、高效，是理想之选。

1 控制要求分析

控制系统为西门子S7-300PLC，通过Profibus DP现场总线来控制氧枪变频器的启停、提升、下降及输出不同的频率来调速。负载为重物提升、下降特性，传动系统必须输出足够的转矩，不能有溜枪现象。有机械抱闸配合保证准确定位，且开闸时电机应建立磁场，输出一定的转矩保证不溜枪，关闸时既要保证定位准确还要尽可能减小机械冲击。具有紧急提枪控制功能，当突然停电时，系统由UPS供电，通过紧急操作，变频器能够快速将氧枪提起，避免事故发生。

2 控制实现

2.1 硬件选型

S120变频器的硬件组成：

CU控制单元：CU310-2DP，6SL3040-1LA00-0AA0；

功率单元：PM340 6SL3210-1SE31-5AA0；

SMC30编码器模块：6SL3055-0AA0-5CA2；编码器为HTL单极，600脉冲/转，24VDC供电。

模块型功率模块已集成制动模块，可直接连接制动电阻进行能耗制动，选配合适的制动电阻。

2.2 变频器与PLC通信

S7-300PLC通过PROFIBUS周期性通信方式将控制字和主设定值发给变频器，将变频器状态、速度实际值、电流输出值、转矩输出值读至PLC做上位机显示及控制用，选择标准报文2即可满足控制要求。

2.3 抱闸控制

正常工作时，抱闸控制由PLC控制，当电动机励磁结束后，电流大于30A，力矩大于24%时打开抱闸。紧急提枪时，抱闸输出端子为X121：7端子，DI/DO8，该输出链接R20031.0（P738），启用了自由功能块，当励磁结束（vector-2：r56.4），和X121：1端子（cu-s：r722.0）DI0置1时打开抱闸。

2.4 紧急提枪控制

当需要紧急提枪时，X121：1端子（cu-s：r722.0）DI0置1，驱动单元的参数P810链接cu-s：r722.0，当置1时，选择CDS1，即正常工作时用CDS0，紧急情况下用CDS1。P2900=60%的速度给定。

2.5 进线接触器控制

外部进线接触器控制：由X121：8端子，DI/DO9，P739链接vector-2：r899.1运行就绪时输出，进线接触合闸。

3 调试实践

3.1 Starter调试软件与S120变频器在线连接

CU310-2 DP集成有X127以太网网口，可以通过TCP/IP的方式与PG/PC进行通信，设置 PG/PC为TCP/IP，点击STARTER工具栏中的来搜索在线节点，在搜索到的在线节点上点击右键，点击“Edit Ethernet Node”为该驱动重新分配一个与PG/PC 同网段IP地址，点击“Accept”即可在线连接驱动。

3.2 建立项目及硬件组态按上述第2步已建立了PG/PC与S120的在线连接，自动读取驱动装置。在正确插入驱动装置后，应该在线项目：①选中Drive_unit_01，点击在线，在线后装置前端的符号变成绿颜色。②同样选中Drive_unit_01，点击恢复工厂设定。③双击 “ Automatic Configuration” ，系统会自动弹出自动组态界面。④点击“Start automatic configuration”进行自动组态。

对于不集成DRIVE-CLIQ 接口的电机，电机数据与编码器数据都为空，因此必须手动设定，离线进行配置。离线配置完成后，编译保存。在线后发现Drive_unit_01 前面的符号半红半绿，表示离线项目与在线实际项目不符，需要将离线项目下装到装置中。具体步骤[1]：①在线；②驱动状态；③下装；④同时拷贝到ROM 区。如下图：

图1 项目下载步骤图

通过以上操作完成了对驱动的基本配置，可以通过驱动中的控制面板转动电机，以保证电机与编码器实际转向与设计相一致。

3.3 电机优化

3.3.1 上电前检查。上电前一定要仔细检查设备接线是否正确，各电压等级供电回路是否存在短路，电压幅值是否正常；测试电机相间和相对地的绝缘，以及电缆对地绝缘。完成上电前检查后，在线连接已经配置好的项目，若无故障和报警则可进行模拟运行测试。打开CU310-2DP中Input/output 接口界面，在隔离的数字量输入中使用 Simulation仿真功能。将Digital input 0作为逆变装置的启动命令源，连接到驱动装置的P0840参数，手动起动逆变装置。通过固定给定值通道P2900调节速度给定，测试变频器输出电压。

3.3.2 电机辨识。p1910=1 ，电机辨识的条件：电机冷态，脱开机械负载。电机辨识是指电机在相对静止的情况下，用p1910=1进行静态测量[2]。主要是完成对异步感应电动机的等效电路的测量. IGBT的通态压降. IGBT的死区时间。电机辨识修改以下参数：p0350：定子电阻；p0354：转子电阻；p0356：定子漏感；p0358：转子漏感；p0360：主电感；p1825：IGBT的通态电压；p1828…p1830：IGBT的死区时间。设置p1910=1，CU报警A07991提示已激活电机辨识；然后启动变频器，自动执行电机辨识，电机辨识过程完成后，p1910 自动恢复为0。r0047可显示测量电流状态。

3.3.3 旋转测量。旋转测量P1960=2（1=无编码器/2=带编码器），旋转测量的条件：电机冷态，抱闸打开，脱开机械负载。对于带编码器应用，先通过VF方式启动电机，查看编码器反馈速度R61与设定速度的方向、大小是否一致。旋转测量主要用于对异步感应电动机的励磁电流. 磁化曲线以及电机转动惯量的测量。执行旋转测量时电机空载转动，此时可以测得更加准确的额定励磁电流和磁化曲线数据。

3.3.4 旋转控制器优化。P1960=4（3=无编码器/4=带编码器），控制器优化的条件：电机冷态，抱闸没有闭合。连接机械负载（需确保电机转动过程中机械系统无危险）[3]。对于带编码器应用，先通过VF方式启动电机，查看编码器反馈速度R61与设定速度的方向、大小是否一致。电机连接可以自由旋转的有效负载后，需要用 p1960=3（不带编码器）或 p1960=4（带编码器）来激活速度控制器优化，该过程可以测量整个系统的转动惯量并优化速度控制器。

执行完优化后，需要执行Copy RAM to Rom对参数进行永久保存，并执行一次上载。确保CF卡，RAM和离线项目数据保持一致。

3.4 变频器与PLC通信。在STEPT7中组态从站S120设置DP地址与Starter中的地址相同，在S7-300/400硬件配置时根据需要配置报文结构，配置结束后进行编译保存，之后打开Starter，核对报文结构是否一致，报文结构与STEP7K中一致时显示“√”，S7-300/400PLC通过PROFIBUS周期性通信方式将控制字和主设定值发给变频器。

3.5 抱闸控制。正常工作时，抱闸控制由PLC控制，当电动机励磁结束后，电流大于30A，力矩大于24%时打开抱闸[4]。紧急提枪时，抱闸输出端子为X121：7端子，DI/DO8，该输出链接R20031.0（P738），启用了自由功能块，当励磁结束（vector-2：r56.4），和X121：1端子（cu-s：r722.0）DI0置1时打开抱闸。控制逻辑如下图：