西门子S120驱动系统在起重机上的应用

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在大型钢铁厂，由于起重机的工作环境恶劣，工作频率频繁，因而电气系统控制的精确性和电气线路维护的复杂性-直是难以攻克的难题。西门子$120控制器是西门子新-代的驱动控制系统，是集V/F、矢量和伺服控制于-体的驱动系统，多轴资源共享的理念和拈化设计使其能实现高效而又复杂的运动控制，其性能远远超过同类系统。SINAMIcSS120友好的用户操作界面节约了设计与调试时间；高效的动力性能和准确性可使机器平稳运行，从而提高了生产能力。此外，其控制线路简单，故障维修方便快捷，从而大大提高了设备的使用性。

文章围绕我公司为某热轧项目制造的 120吨桥式起重机为例，论述了采用 S120驱动技术的优越l生。

2 电气系统设计方案120吨桥式起重机的电气系统应用PROFIBUS-DP总线技术，采用由上位工业控制计算机PLCSINAMICS S120驱动系统”组成的三级系统。上位工业控制计算机为综合监控系统，监控整车的运行和故障状态，并进行记录；PLC通过 PROFIBUS-DP总线给控制单元传输控制信号以及速度给定，实现整车运行的时序逻辑控制。

SINAMICS$120驱动系统驱动各机构协调动作 ，实现 可控运行 。三 级之 间数 据交换 通过PROFIBUS-DP总线通讯实现，驱动器与控制单元之间的数据传送采用 DRIVE-CLi Q数字化接口通讯。

整机的动力电源先由滑线-集电器受电，经配电保护屏集中控制后，再由非调节型电源拈 SLM(SmaLine Module)将交流电源整流为直流后，驱动各机构电机拈运行。主、副起升、小车、大车机构均采用变频调速系统，其结构配置如图1所示。

图 1 结构酉 置不意图其中，主、副起升和小车机构各用-套变频调速装置，大车机构采用两套变频调速装置，分别驱动大车主梁四角的电机，当-套调速装置或电机有故障时，可由另-套调速装置驱动另外-侧主梁的两台电机完成-个工作循环。

3 SINAMICS S 120驱动系统组成120吨桥式起重机的主要电气设备系统组成如下：(1)s7-300 PLC。采用PROFIBUS-DP网络系统和 ET-200M I，0站处理司机室输入/输出信号。MP277型触摸屏显示并记录故障。

(2)两个控制单元 CU320。-个控制SLM和主起逆变器；另-个控制副起、小车和两个大车逆变器。

(3)集电器输送AC380V三相电源供驱动系统和其他辅助供电使用。

(4)-台380VAC，250kW的 SLM，将 380V交流电源整流成 540V直流电源给逆变器供电。

(5)五套逆变器和七台变频电机。其技术参数和功能见表 1。

电气系统优点为：(1)技术先进、成熟、安全且可靠；(2)取消制动电阻器，便于主梁上机械与电气设备的布置；(3)不同机构的变频装置在同-时刻处于不同工作状态时，SLM既保证了公用直流母线的电压稳定，又可将多余的能量回馈给电网，实现了再生能源的合理利用；(4)电机能够回馈能量，无功功率损失小，因此- 23- 重工与起重技术HEAVY INDUSTRIAL＆ HOISTING MACHINERY表1 逆变器、变频电机技术参数和功能机构 逆变器 编 号 逆变器参数 电机参数 电机数量名称 数 量1 主起 200KW，540VDC l 132KW，380VAC 12 副起升 71KW，540VDC 1 45K、 380VAC l3 小 车 24KW，540VDC l 15KW，380VAC 14 大 车 32KW，540VDC 2 15KW，380VAC 4起重机的整体功率因数可达 0.95以上；(5)公共直流母线平衡了逆变器的直流母线电压，设备的启动、停止对电网造成的冲击明显降低，电网谐波较低。

4 SINAMICS S120系统组态4.1 PLC控制部分4.1.1 PLC控制系统组态120吨桥式起重机的所有操作过程均由PLC程序实现，整机的控制核心选用西门子 STEP-7系列CPU 3 15-2DP。司机的操作指令先输入给ET-200M分散I/O站，再通过PROFIBUS网络输送到CPU。CPU综合运算后将运行指令及速度给定等信号通过PROFIBUS网络传输给控制单元 CU320，CU320则通过DRIVE-CLIQ通讯电缆将信号输送给相应的驱动器(包括整流徊馈单元和逆变器)，从而控制其运行。

由PLC主站、ET-200M从站及两个控制单元CU320构成整个控制系统，PLC硬件系统组态，见图2。

蜀 衄j咧图 2 PLC硬件系统组态4.1.2 DP报文设置S120系列产品适用的报文类型如表 2所示。DP- 24-报文是指通讯过程中，S7-300与SINAMICS S120交换的数据字的数量及各字的含义，可根据不同应用选择相应报文。

120吨桥式起重机选用自由报文 999。选择此报文结构后，驱动器中的所有功能需进行手动链接，为用户提供了更为灵活、开放的结构。

表2 S120系列产品适用的报文类型Drive object 通讯报文格式类型 (p0922)SLM 370，999CU320 390. 391， 999VECTOR 1，2，3，4，20，352，999此外，针对整流单元 SLM拈的控制，需要激活370报文(电源拈专用)。如果使用小功率SLM拈，则不需要再对电源拈进行控制，默认它已经被激活。

4.1.3 S7-300与SINAMICS S120间的 DP通讯PLC通过PROFIBUS周期性通讯方式将控制字1(CTW1)和主设定值(NSETPB)发送至驱动器。在S7-300中对PZD (过程数据)读写参数时需调用SFC14和SFC15系统功能块。SFC14(DPRD-DAT”)用于 读 PROFIBUS从 站 的数 据 。SFC15(DP-W R-DAT”)用于将数据写 PROFIBUS从站。PLC与主起升驱动装置进行读、写数据的交换如图3所示。

4.2 S120组态及参数设置4.2.1 S120的系统组态SINAMICS S120的调试软件为 Starter或者是Scout，常用的DP通讯卡 CP5512等。Starter调试工目n Ro，d C t∞t0” of - St d坤 Sire n r 肿卸.n盯料 into山 D t-m r 主置升起舟 擎∞。蕾∞图 3 PLC与主起升驱动装置进行读、写数据的交换 重工与起重技术HEAVY INDUSTRIAL& H0ISTING MACHINERY具可对部件进行参数化、编程和调试。

Starter主要可实现以下功能：硬件组态和识别(电子铭牌)；参数的设置；动态特性的调试；故障诊断；程序的下装和上载。

区别在于：离线创建方式采用手动输入方式，对其连接的硬件如电源拈、电机拈、编码器及电机等进行逐个配置；在线创建方式采用在线方式，自动读取硬件信息，完成驱动系统的配置。而对于不带DRIVE-CLiQ接口的组件，仍需进行手动配置。

4.2.2 Starter调试软件的其他功能(1)使用控制面板 (Control pane1)进行 电机辩识，控制电机转向以及转速；(2)对 CU320的输入/输出点进行设置；(3)通过参数表直接修改参数功能；(4)根据导航 Drive Navigator来对控制链路的各个环节进行设定以及监控；(5)数据记录(Trace)功能对驱动器以及电机的各种状态参数进行记录，方便故障诊断以及陛能判断。

5 结束语西门子 S120驱动系统已成功应用于 120吨桥式起重机上。各拈间(包括控制单元拈、整流/回馈拈、电机拈、传感器拈和电机编码器等)通过高速驱动接 口DRIVE-CLiQ相互连接。采用DRIVE-CLiQ数字化接口大为简化了线路，降低了配线成本，且各项调速性能均优于传统的绕线异步电动机转子串电阻调速系统。与其它变频调速系统相比，S120驱动器体积明显减小，降低了设备的设计、制造及安装成本；取消制动 电阻，采用能量 回馈，节省了电能，并减少了对电网的干扰。同时，触摸屏和PLC完善的故障诊断和显示功能，使整个调速系统的可靠性及可维修性得到了大幅度提高。