西门子变频特点及热连轧传动控制研究
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作者: 韩珂
摘 要：变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率采达到交流电动机调速目的的技术。变频调速器应用于电机传动调速，以其优异的调速和启动、制动性能，高效率、高功率因数，显著的节电效果，进而可以改善工艺流程，提高产量质量，改善工作环境，推动技术进步，以及广泛的适用范围等许多优点而成为电动传动的中枢，该文重点介绍了西门子Sinamics S120的技术特点，以及在热连轧系统中的传动控制应用。
关键词：变频器 西门子 传动控制 热连轧
中图分类号：TN2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（a）-0074-01
变频器是一种电源转换装置，将输入给变频器固定频率，固定电压的三相交流电，转换成可调频率和可调电压的三相交流电。改变电动机的转速，使之适合生产工艺设备的要求，是电力电子技术、微电子技术、计算机技术、电力拖动技术的结晶。是强电和弱电相结合的产物。
Sinamics S120 是西门子公司推出的全新的集V/F、矢量控制及伺服控制于一体的驱动控制系统，它不仅能控制普通的三相异步电动机，还能控制同步电机、扭矩电机及直线电机。其强大的定位功能将实现进给轴的绝对、相对定位。内部集成的DCC（驱动控制图表）功能，用PLC的CFC编程语言来实现逻辑、运算及简单的工艺等功能。
1 Sinamics S120的特点及优势
1.1 模块化设计
DC/AC设备中的电机模块包括书本紧凑型、书本型和装机装柜型，将所有的驱动器智能组织在控制单元中，由控制单元来执行变频调速柜的所有闭环控制功能，并处理驱动器相关的功能（配备PROFIBUS DP或PROFINET中央接口、I/O互连），以便与更高级别的自动化系统相连接。电源模块可以集中为电压源直流链路提供能量，电源模块可选择配备经过调节的馈电/再生反馈功能，以提供恒定的直流连接电压和高度的供电兼容性。电机模块从直流连接为电机供能。AC/AC设备中功率模块集合了馈电和电机电源功能，包括块型和装机装柜型。
多轴驱动是控制单元如CU320通过DRIVE-CLiQ接口控制驱动器工作，而单轴驱动是通过安装在功率模块上的特殊控制单元CU310来控制驱动器工作，CU适配器安装在代替控制单元的功率模块上。
1.2 自动化平台
西门子所有的全集成自动化TIA能够为所有行业提供完整范围的产品，行业特定自动化解决方案为满足客户的个性化要求而量身定制，可基于TIA有效地执行。可明显提高生产率和投资安全性。
SINAMICS是TIA的核心组件之一，STARTER调试工具是TIA平台的集成元件。从而可以使用标准化工程平台参数化、编程和调试自动化系统中的所有组件，不会有所遗漏。全系统数据管理功能确保数据一致性，简化整个设备项目的归档。SINAMICS S120支持PROFIBUS DP――TIA系统的标准现场总线，它提供高性能、全系统通信网络，可连接所有自动化组件：HMI、控制器、驱动器和I/O设备。SINAMICS S120还配备PROFINET接口（增强的性能和开放式IT通信）。这种基于以太网的总线可以通过带有IRT或RT的PROFINET IO高速交换控制数据，使SINAMICS S120成为最高性能多轴应用集成的合适选择。同时，PROFINET还使用标准的IT机制（TCP/IP）将信息传输至更高级别的系统。因此，带这种接口的SINAMICS S120可以轻松地集成到工厂IT网络中。
1.3 数字式接口
DRIVE-CLiQ是一种全新的传动接口，所有SINAMICS S120部件（包括电机和编码器）和传动之间均通过DRIVE-CLiQ的串行连接接口进行相互连接和通讯。DRIVE-CLiQ属于器件级智能网络连接，采用标准化电缆和连接器，降低了不同部件的种类，并削减了库存成本。对于其它厂商的电机或者改造应用，可使用变换器标准组件（传感器模板）将常规编码器信号转换成DRIVE-CLiQ。
2 Sinamics S120在热连轧系统的传动控制
以某钢铁公司4300m新厚板生产线为例，该生产线通过西门子sinamics s120系列变频全数字矢重控制系统来控制两台轧机的电动压下系统。
2.1 s120传动系统的硬件构成
在精轧机的egc系统中采用570 kW功率的两台三相交流电机，分别由一台逆变单元控制。将两台1000 kW整流回馈单元并联来进行变频控制，整流回馈单元和逆变单元都对应的由各自的控制单元cu320进行集中控制，cu320是驱动系统的大脑，负载控制和协调整个驱动系统中的所有模块，完成各轴的电流环、速度环甚至位置环的控制，并且一块cu320控制的各轴之间能相互交换数据，即任意一根轴能够读取控制单元上其它轴的数据，这一特征广泛被用作多轴之间的简单的速度同步。
2.2 通讯方式
drive cliq通讯实现由cu320到整流单元，逆变单元，i/0端子模块tm31，编码器接口模块smc30等模块之间的通讯，由四芯电缆构成，两根用于数据传送，两根用于数据接收；PROFIBUS DP通讯实现TDC到三个CU320的通讯，因为TDC与传动系统之间相距300 m以上，可以通过rs485中继器来加强信号。
2.3 调试软件
运用simotion scout软件进行调试与维护，该软件系统配置有固定的配置步骤，形象且连贯的功能图，集成了实时的trace波形跟踪，能监控任何一个参数的实时数据，在调试过程中可以根据波形图监控到电机运行的精确状态，从而能对传动系统进行精确的调试。SCOUT工程开发系统的具有良好的用户友好性。运动控制、逻辑控制与工艺控制的工程开发，以及驱动器的组态与调试，均是由一个系统完成的。
2.4 控制方式
在轧机压下系统中要求egc在电机高速运行时，电机速度能够与给定值能达到实时的高度吻合，能够满足egc精确的定位功能和较高的动态响应。因此对于单个电机来说在egc控制方式上采用速度控制方式。
为了在egc中能让两个压下缸达到同步、平衡的目的，利用电磁离合把两台电机的轴连接在一起，让两台电机输出同样大的力矩且两电机轴之间不存在扭矩。因此对于两台压下电机采用主一从控制方式：主电机采用速度控制，从电机采用力矩控制。主电机的速度控制采用pi调节器来进行操作和优化，从电机的速度控制采用p调节器来运行操作。主电机速度调节器的i部分的力矩输出，通过连接器传输，作为一个有利的辅助力矩，输入给从电机的i部分。
参考文献
[1] 逯志宏，缪卫东.西门子SINAMICS S120传动系统在轧机EGC中的应用[J].变频器世界，2011（1）.
[2] 朱延俊.西门子Sinamics变频器在单机架可逆轧机主传动中的应用[J].电气时代，2011（12）.
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