姚小寧

（北京首鋼股份有限公司，河北 遷安 064404）

1 緒論

西門子S120變頻裝置是西門子公司變頻器主打品牌之一，它在實際應(yīng)用過程中具有很多優(yōu)勢。由于它具有相對穩(wěn)定的系統(tǒng)性能、極佳的矢量控制技術(shù)以及接觸的市場動態(tài)等特點，使其擁有很高的市場占有率，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)之中，具有非常美好的發(fā)展前景。

2 西門子S120變頻裝置概述

西門子SinamicsS120是一款各項性能都非常突出的全新變頻器，也是順應(yīng)市場多機傳動發(fā)展的產(chǎn)物。此系列中引進了許多革新技術(shù)，并對傳動理念進行了創(chuàng)新，在性能方面也進行了一定的提高，變頻器在運行過程中的噪音被大大降低了，更加符合環(huán)保理念并且其體積也被相應(yīng)縮小了。該系列變頻器的組成硬件比較多，主要有直流中間電路、逆變電路以及整流電路等，對正弦脈沖寬度進行調(diào)節(jié)的一款變頻裝置，當下被積極應(yīng)用于造紙印刷、機床等設(shè)備及試驗臺中[1]。變頻裝置的硬件配置包括外部編碼器、數(shù)據(jù)存儲終端的電機模塊與制動單元等。然而，變頻器的外部編碼器既能有效跟蹤CPU變量，而且還能實現(xiàn)對閉環(huán)系統(tǒng)、驅(qū)動器等執(zhí)行改進和調(diào)試操作，幫助變頻系統(tǒng)實現(xiàn)實時診斷以及對故障進行定時檢測。信號模塊裝置作為對操控器進程進行操作的關(guān)鍵接口，通常比較簡易，不同模擬和數(shù)字量進行融合也不會傳出輸入輸出請求給命令，同時兼具參數(shù)設(shè)定簡易與拼裝密度較高等特點。數(shù)據(jù)/程序儲存器在實際工作過程當中會選出最匹配的CPU，完成這一操縱的關(guān)鍵在于集成作業(yè)存儲區(qū)的巨細。S120系列的變頻器只需要借助很小的啟動電流便能夠獲得相當大的啟動轉(zhuǎn)矩，在實際運行中會將單項及三項交流電轉(zhuǎn)化成直流電隨后再轉(zhuǎn)換回單線及三項交流電，為了促使電機運行曲線一直處于平行下移狀態(tài)，需要對輸出電壓與電流進行變化以達到曲線轉(zhuǎn)速發(fā)生變化的目的。在轉(zhuǎn)速一樣的情況下，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍相對比較寬泛，此時交流異步電機能夠?qū)﹄姍C的電源頻率進行有效改變，進而實現(xiàn)高效控制的目的。

西門子S120變頻器分為DC/AC與AC/AC兩種，同時兼具矢量控制和伺服控制等性能[2]。此系列在復(fù)雜協(xié)同轉(zhuǎn)動、高動態(tài)響應(yīng)和高精度控制等情況也有所應(yīng)用。其中AC/AC單軸驅(qū)動不僅能對常見三相異步電機實行控制時，而且還能控制同步伺服機、異步伺服機、直線電機以及扭矩單機等設(shè)備，與此同時還能確保伺服控制的高精度性，其中包含對一般V/F與矢量進行控制，是集整流與逆變于一體的一款新型驅(qū)動器，可以對進給軸執(zhí)行絕對與相對定位功能。這款驅(qū)動器，其整體結(jié)構(gòu)是由整流與逆變共同構(gòu)成的，而DC/AC驅(qū)動器在整流與逆變部分都是相對獨立的模塊，A其功率處于0.12kW～250kW之間，每個軸都有相應(yīng)的獨立單元進行控制，而DC/AC驅(qū)動器的功率范圍則是在0.9kW～1200kW之間，可以在相同時間有效控制4個矢量軸抑或是1個整流與6個伺服軸。

S120變頻器的驅(qū)動系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)傳遞操作主要是采用了與西門子全新一代PLC研制出來的PROFINET通訊協(xié)議有關(guān)的DRIVE- CLIQ通訊協(xié)議，該通訊協(xié)議的總線纜在傳遞速度方面明顯更快、在抗干擾方面變現(xiàn)出來的性能更強大，其硬件接口所使用的網(wǎng)線全部都是人們所熟知的RJ45型號網(wǎng)線。RJ45網(wǎng)線無論是在通訊速率方面還是在穩(wěn)定性方面都得到了很大程度的提升。無論是想了解驅(qū)動系統(tǒng)的各個細節(jié)，還是對該系統(tǒng)的控制圖紙進行深入探究都必須要借助STARTER軟件才能得以實現(xiàn)，它為相關(guān)研究人員簡化了排查驅(qū)動故障的繁瑣程度?，F(xiàn)階段，越來越多精準傳動行業(yè)如企業(yè)工廠等都強烈推薦應(yīng)用S120系列變頻裝置，選擇的原因都是因為該系列的變頻器在操作方面更加具有人性化，并且簡單易學、方便快捷等優(yōu)點。

3 西門子S120系列變頻裝置在調(diào)試方面的應(yīng)用

變頻器調(diào)試工作主要涉及以下幾個步驟：審查傳動系統(tǒng)、建立傳動系統(tǒng)、構(gòu)建齊全的傳動系統(tǒng)配置項目，設(shè)置有關(guān)參數(shù)、設(shè)定啟動模式、優(yōu)化電機參數(shù)以及設(shè)置調(diào)速值等步驟[3]。其中系統(tǒng)審核、系統(tǒng)創(chuàng)建、系統(tǒng)配置項目的形成都是準備工作范疇。只要S120系列變頻器存在一定的組件，并且設(shè)備各個組件的固件版本信息被完好的儲存到了CF卡中，變頻器才能對傳動系統(tǒng)執(zhí)行調(diào)試操作。在調(diào)試過程中設(shè)備傳動系統(tǒng)的檢查工作又能夠細分為：機器外觀檢查、動力電纜絕緣性能審查以及機器電機的接地絕緣性檢查，必須要讓系統(tǒng)設(shè)備同圖紙配置相一致，同時確保接線接地工作萬無一失。以上檢查工作全部完成以后開始構(gòu)建傳動系統(tǒng)，Drive- C liq網(wǎng)不僅絡(luò)能與系統(tǒng)中的每個組件都進行有效連接，而且還是系統(tǒng)內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)滿足相應(yīng)配置規(guī)則的基準。根據(jù)設(shè)計人員當時的設(shè)計初衷借助Drive - C liq網(wǎng)絡(luò)幫助輸入/輸出接口模塊、功率模塊及控制器等完成連接。相關(guān)工作全部落實完成后，傳動系統(tǒng)的配置項目也就自然而然的生成了。將所有系統(tǒng)組件中含有的固件版本信息全部儲存到CF卡中，控制器就會對它進行有效掃描和必要升級，在此過程中要確保供電正常，完成升級用時大約1min，完成后還應(yīng)斷開控制電源重新給電，然后再使用。這樣一個具有工廠設(shè)置的S120變頻器項目便出現(xiàn)了。對變頻裝置進行基礎(chǔ)調(diào)試操作時，會涉及到對裝置相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置、啟動模式、調(diào)速設(shè)定以及電機相關(guān)參數(shù)的改進等。西門子公司對S120系利變頻裝置進行調(diào)試所使用的軟件為Scout/Starter，其中Starter軟件在使用過程中可以不用授權(quán)。對裝置參數(shù)以及控制形式等進行設(shè)置與讀取時，STARTER軟件所具有的優(yōu)勢更加明顯，最大的優(yōu)點在于便于實現(xiàn)修改跟蹤與監(jiān)控操作，同時還方便執(zhí)行查找與故障處理操作。對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置與監(jiān)控操作主要是通過對PG/PC串口與西門子320系列通訊加以利用來實現(xiàn)的，在實際通訊當中還需要使用標準232電纜才能得以實現(xiàn)。要想讓S120變頻器的DCC發(fā)揮作用，還需要安裝CFC軟件并獲得使用授權(quán)。

對變頻裝置進行調(diào)試的時候，最開始應(yīng)該對需要進行參數(shù)設(shè)置的有關(guān)配置按照實際情況進行設(shè)定，可能會涉及到的參數(shù)項目有：系統(tǒng)控制方式、電源電壓、負載類型、電機額定電壓等參數(shù)[4]。然后還應(yīng)該對變頻器的啟動頻率實行設(shè)置，一般會將啟動頻率設(shè)定為0Hz。如果輸出轉(zhuǎn)換成與啟動頻率相適應(yīng)的交流電壓后，在變頻器啟動頻率未規(guī)定值之前，參照加速曲線持續(xù)提高輸出頻率與輸出電壓。

為了規(guī)避變頻裝置產(chǎn)生過流以及啟動沖擊，應(yīng)該將其啟動頻率控制到適合范圍內(nèi)，可以按照先制動然后再啟動頻率的順序進行，多用于一些無法對負載初始狀態(tài)進行明確的場合。又因為給定速度或者負載變化會影響到轉(zhuǎn)速，為此應(yīng)該借助控制“V/F”或“矢量”的方式方法對速度進行調(diào)整，此時可以對“速度限幅”、“轉(zhuǎn)矩限幅”進行合理設(shè)定，一般來說正向規(guī)定為最大速度、反向也規(guī)定為最大速度，正向最大轉(zhuǎn)矩與反向最大轉(zhuǎn)矩都為100%。停車程序結(jié)束后，還應(yīng)該對系統(tǒng)電機的相關(guān)參數(shù)進行合理優(yōu)化。對電機參數(shù)進行優(yōu)化的時候應(yīng)該滿足以下條件：負載脫開、抱閘閉合以及電機冷態(tài)，只有達到這幾個條件才能進行優(yōu)化操作。優(yōu)化參數(shù)主要有三步驟：生成全新參量，對變頻器進行精準計算；靜態(tài)分析辨識；對電機動態(tài)進行優(yōu)化。在對S120系列變頻器開展靜態(tài)辨識的時候應(yīng)該保障軸端不存在轉(zhuǎn)矩、沒有電壓輸出也不存在電流輸出的狀態(tài)下進行。這些步驟全部完成后意味著調(diào)試工作完成了。

4 西門子S120變頻器常見故障及排除方法

4.1 過電流

過電流問題是S120系列故障中最普通的一種。發(fā)生這類故障時其主要表現(xiàn)為變頻器接通電源后無異常表現(xiàn)，但是運行顯示出過流，哪怕是處于空載狀態(tài)仍舊還是處于這一現(xiàn)象，并且控制面板上顯示出來的故障代碼為F30001。經(jīng)過仔細研究故障代碼說明書發(fā)現(xiàn)，此類故障屬于過電流抑或是變頻器漏電一類。出的原因，一般是因供電電壓波動較大或者是變頻器反復(fù)發(fā)生過載進而導(dǎo)致脈動電流高于主控板電流，并且沒有及時進行保護導(dǎo)致的。為了更好的解決此類故障現(xiàn)象，應(yīng)該對回路器件進行逐一檢查，借助加電測試的形式對回路器件進行檢查分析確定有無問題。如果是電流傳感器存在問題，應(yīng)該及時對其進行更換或者維修；如果是回路輸出存在問題，就應(yīng)該及時對回路中的故障原件進行更換以此來確保變頻器處于正常工作狀態(tài)。與此同時，還可以對變頻器有關(guān)參數(shù)作出適當修改，比如當其發(fā)生過電流問題時，技術(shù)人員可以對變頻器的輸出載頻進行修改以免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象；再比如對輸出頻率進行適當降低抑或是減少高頻消耗等。再一個就是，還能在變頻器的輸出端口安置相應(yīng)的交流電抗器，實行這一操作的目的主要是為了對電流突變進行有效控制，以達到防止過電流的目的。選擇電抗器的過程中應(yīng)該積極與相應(yīng)廠家進行良好溝通，選擇與變頻器功率相適應(yīng)的電抗器。

4.2 過電壓故障與排除辦法

發(fā)生過電壓時的代碼為F3000，當電路中元件發(fā)生故障時，極有可能會出現(xiàn)輸出端持續(xù)呈現(xiàn)高電壓的輸出狀態(tài)，此時就可斷定該變頻裝置的電壓發(fā)生了故障。當對電壓問題實施檢測的過程中，一般會對電路逐個進行診斷。所謂放大電路就是對依照規(guī)定好的比例進行放大后的電壓取樣信號開展故障分析，其主要器件為運放集成電路［5］。發(fā)生電壓故障的原因一般為集成電路故障并輸出高電平，這時候存在的高電平就是S120系列變頻器存在過電壓故障的信號，并且電壓問題將會顯示在控制面板上。對于此類問題，最直接的處理方法就是對運放集成電路進行及時更換，從而幫助系統(tǒng)快速回到正常運行的狀態(tài)。

4.3 欠電壓故障與排除辦法

欠電壓也是常見故障之一。當發(fā)生欠電壓時，控制面板會因為輸出信號不正常而展現(xiàn)出故障情況。如果發(fā)生這類情況應(yīng)該對高壓直流電、低壓直流電集成放大電路以及取樣電路等進行檢查，從而確定發(fā)生故障的準確位置。比如，對集成電路進行檢查時發(fā)現(xiàn)電壓不正常，而對集成放大電路進行檢查卻顯示正常。但是過幾分鐘后停止工作，并且機器內(nèi)部散發(fā)出異味，當斷開電源后，發(fā)現(xiàn)變頻器內(nèi)部帶有的限流電阻存在發(fā)熱的狀況。在此種情形下，能夠斷定此次故障是繼電器與限流電阻發(fā)生短接未發(fā)揮作用造成的。對于這類情況，應(yīng)該及時對集成電路進行有效更換從而達到解除故障的目的。除此之外，限流電阻如果存在發(fā)熱情況還會造成變頻器在實際運行過程中也發(fā)生過熱故障，產(chǎn)生這一故障的主要原因在于繼電器沒有發(fā)生作用，進而致使變頻器不能很好地發(fā)揮作用。

5 結(jié)語

由此可見，西門子S120變頻器是集弱電、強電于一體的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。因為變頻器在運行過程中時常會發(fā)生故障，阻礙了生產(chǎn)過程的有序推進。所以，必須要對變頻器故障以及處理措施加強研究，確保變頻器功能能夠得到良好發(fā)揮。就西門子S120系列變頻器來說，基于其有一定的使用優(yōu)勢，在使用過程中已經(jīng)獲得了極佳的使用效果，所以更應(yīng)該重視分析變頻器問題解決對策，從而更好地保證經(jīng)濟效益。