西門子變頻器

 西門子新一代變頻器SINAMICS G150 在鍋爐風機中的應用

引言
風機是工礦企業的主要動力設備，據有關部門的統計，全國風機，水泵電動機裝機容量約35000MW，耗電量約占全國電力耗電量的40% 左右。目前，風機和水泵運行中還有很大的節能潛力。在風機運行中應用變頻器調速，其節電率一般可在20%~60%，投資回收期為1~3 年，不僅節電*，而且能滿足生產工藝的要求，保產品質量,經濟效益十分顯著。
風機在鍋爐中也是重要設備，工業鍋爐根據采用的燃料不同，通常分為燃煤，燃油和燃氣三種。這三種鍋爐的控制系統基本相同，只是燃料量的調節手段有所區別。變頻器在控制系統中可以調節送風機的送風量，引風機的引風量和燃料的進給量，即實現對鍋爐的精確控制，又達到了節電和節省燃料的目的。

西門子變頻器特點
G150 是西門子新一代變頻器SINAMICS 家族中的一員，它不僅繼承了Master Drive 的特點，而且具有自身的優點。G150 是柜體式單傳動的變頻器，功率范圍75KW~2700KW，進線電壓分為380V~480V，500V~600V，660V~690V 三個電壓等級，控制方式為無速度傳感器的矢量控制 (sensorless vector control) 和矢量控制。無速度傳感器的矢量控制是矢量控制的一種，只是沒有速度傳感器，通過電機模型的計算來估測電動機的速度反饋值。無速度傳感器的矢量控制的控制精度和系統的動態性能不如帶速度閉環的矢量控制，但也有系統簡單，無需維護速度傳感器，價格便宜的優點，尤其適用于風機泵類電機。
傳統的V/f 控制也無需速度傳感器，但對于大功率的風機泵類電機，如用V/f 控制無電流環控制，容易引起電流的波動。無速度傳感器的矢量控制，不僅有速度閉環而且有電流閉環, 電機的穩態電流更穩定。
G150 具有豐富的客戶端子，包括8 個數字量輸入(DI)，4 個雙向輸入/輸出(DI/DO)，2 點繼電器輸出(DO)，2 個模擬差分輸入(AI)，2 個模擬輸出(AO)，1 個KTY84 溫度傳感器或PTC 敏電阻，±10V 輔助電源用于模擬給定輸入，24V 輔助電源用于數字量輸入，所有的DI/DO ，AI/AO 都可以自由編程定義功能。與MasterDrive 不同，G150 的客戶端子，不在控制板上，而是在客戶端子板TM31 上。當有端子損壞時，只須更換TM31，節約了維修成本。
PROFIBUS 接口是G150 的標準配置，無需選件。通過PROFIBUS 可以將G150 連接到更高層的自動化系統。通過PROFIBUS 可以與調試軟件Starter 連接，便于調試和存儲參數。G150 的程序和參數存儲于Flashcard 中，Flashcard 中的數據可用Flashcard 適配器讀取，存儲在硬盤中，或刻成光盤存檔。如有相同功率，相同功能的設備，可將數據直接拷貝
到新的Flashcard 中，不需設置任何參數.。另外如舊設備的參數被調亂，或Flashcard 損壞也可用以上的方法進行恢復。

3系統簡介
在這個鍋爐中共有四臺電機使用了G150 變頻器，分別控制蒸汽、熱油、熱煙氣。熱煙氣由2 臺315KW 的電機控制，經管道送入主風機，用于干燥木漿。2 臺315KW 的G150 變頻器分別控制這兩臺風機，通過調節G150 的輸出頻率，來控制風機的輸出功率，實現對熱煙流量的精確調控，不僅滿足了工藝的要求，而且比用擋風板調節熱煙流量更節能。另兩臺132KW 的電機分別將蒸汽發生器中的蒸汽和熱油發生器中的熱油送入混合室中。蒸汽發生器中的蒸汽輸出量的調節可以控制蒸汽發生器中的壓力和溫度，熱油發生器中的熱油輸出量的調節可以控制熱油發生器的溫度。G150 也是通過控制電機的輸出功率來調節蒸汽輸出量和熱油輸出量，實現對蒸汽發生器的壓力和溫度，熱油發生器的溫度的控制。

2 臺132KW 的電機參數和變頻器型號如下:
132KW 電機參數:
額定功率: 132KW 額定電壓:400V 額定頻率:50HZ
額定電流: 228A 額定轉速:1485 r/min 功率因數:0.88
選用的G150 型號:
6SL3710-1GE32-6CA0-Z
輸入: 380V~480V 294A
輸出: 0~480V 260A

2 臺315KW 的電機參數和變頻器型號如下:
額定功率: 315KW 額定電壓:400V 額定頻率:50HZ
額定電流: 585A 額定轉速:990 r/min 功率因素:0.81
選用的G150 型號:
6SL3710-1GE36-1CA0-Z
輸入: 380V~480V 639A
輸出: 0~480V 605A

2 臺132KW 電機用端子控制啟停和模擬量輸入頻率給定。2 臺315KW 電機PROFIBUS 控制，PLC 使用西門子公司的S7-300。

3.1用端子控制的G150 的端子圖如下:
端子X520:1 是DI0 用于控制變頻器的啟/停(即ON/OFF)。端子X542:5， X542:6 是DO1，輸出變頻器的故障信號 (DO1 是繼電器輸出)。 端子X522:1， X522:2 是AO0， 輸出實際速度值。端子X522:4、 X522:5 是AO1，輸出實際電機電流值。端子X521:1，X521:2 是AI0，作為頻率給定.這些端子的功能是出廠設定，無需修改參數。
(1) Main Setpoint
(2) ON/OFF command
(3) Analog output actual speed
(4) Analog output motor current
(6) Inverter release
(7) Converter no fault

模擬輸入0(AI0)默認是-10V~10V 的電壓輸入，用戶需要4~20mA 的輸入，所以修改一些參數。P4056[0]=3，將模擬輸入0 設置為4~20mA， 因為該模擬輸入波動較大,會影響系統的穩定性，所以我加了10mS 的濾波(P4053[0]=10)，從而給定值相對穩定。這些設置如用調試軟件Starter 修改就十分的簡單、清晰、明了。如下圖所示:

1. 選擇模擬輸入的類型
2. 模擬輸入的端子
3. 模擬輸入的自由標定
4. 一階濾波

 如何應用S7-1500CPU的ProDiag在STEP7(TIA Portal)插入變頻器消息

SINAMICS (G110/G120 and S110/S120)消息可以應用ProDiag功能實現通過WEB服務器或應用WinCC Advanced/Professional 直接顯示，而不需要在HMI內做任何配置。

說明
這部分介紹如何進行ProDiag監控配置， 監控消息不存在HMI系統中，而是存在S7-1500CPU內，HMI設備不需要做任何配置。

SINAMICS系列變頻器消息由字母（A:警告，F：錯誤）和相應數字組成，可以到相關文件里找到報錯或者警告的原因。

SINAMICS G110/G120 和S110/S120消息使用XML文件格式，參見：47520881 條目介紹了如何為每個變頻器下載XML文件 

下一步需要將XML文件轉換成CSV文件的格式導入到EXCEL， 77467239 條目介紹了下一步需要處理的信息

• 下載 與使用SINAMICS XML 解析器信息
• 應用解析器將XML文件轉換成CSV文件
• 將CSV文件導入到微軟的EXECL里 

示例
庫中包含的FB”SinamicsAlarms”可以用來實現SINAMICS消息的診斷。輸入參數“faultTextNo”和“warnTextNo”分別對應變頻器的錯誤和報警編號。 FB”SinamicsAlarms”分為2個程序段，使用SCL編寫。

• 程序段1為監控錯誤的程序
• 程序段2為監控警告的程序

可在博途窗口（"報警顯示"）或Web服務器中查看消息文本。 為此，在FB“SinamicsAlarms”中為兩個靜態變量“statFaultProDiag”和“statWarnProDiag”組態了監視類型“錯誤消息”。

下表是輸入參數的信息:
  

需求
接下來創建一個項目，配置一個S7-1500CPU并添加驅動器，為了配置驅動器需要事先安裝SINAMICS Startdrive軟件或者安裝GSD/GSDLM文件。

注意

在Startdrive中只支持固件版本V4.8以上的SINAMICS S120。

為了在STEP 7 (TIA Portal)顯示的消息，需要按照如下步驟將Excel列表導入到STEP 7 (TIA Portal)的消息列表中：

1. 在項目S7站總覽視圖中找到“PLC報警文本列表”。
2. 插入新文本列表，用粘貼功能分配一個名字，比如說“SINAMICS G120消息文本”。
3. 在“選擇欄”下拉菜單選擇”“Decimal”選項，插入新的文本列表。
4. 選中新建的文本列表，在其下面的窗口中，應用粘貼功能為新建的文本列表輸入范圍0到3（某某的文本列表條目）。
5. 打開Excel列表，選中并復制ProDiag需要配置的消息信息，例如”Error Number decimal”與“Long Name”列。
6. 在STEP7(TIA Portal)的“某某文本列表條目”窗口， “結束范圍” 右擊在彈出的菜單第二列內選擇粘貼。
     

   
   圖. 1
    

7. Execl內您選擇的消息就被粘貼到STEP7 (TIA Portal)里您新建的“SINAMICS G120消息文本”中，保存并編譯PLC站。 
     

   
   圖. 2
    

8. 在STEP7(TIA Portal)中打開全局庫"109749790_SinamicsProDiag_Lib_STEP7_TIA-Portal_V14".其中功能塊“SinamicsAlarms”在主模板的文件夾里。
9. 把“SinamicsAlarms”功能塊從全局庫中拖拽到PLC站內的程序塊里。
10. 在塊內（比如OB1）調用“SinamicsAlarms”，并為其輸入參數分配全局DB變量。
11. 改變背景DB的名字至"instSinamicsAlarmsDB"。
12. 在STEP7(TIA Portal)程序中創建ProDiag功能塊，并為起名“SinamicsDiagFB”。關于配置ProDiag的詳細信息可參見例程“利用 ProDiag 進行機器設備診斷”，
13. 右擊背景DB"instSinamicsAlarmsDB"從彈出菜單里面選擇”屬性”
14. 在屬性窗口的屬性選項卡中分配ProDiagFB. 設置：分配ProDiagFB為“SinamicsDiagFB”。
15. 點擊確定關閉窗口，打開功能塊“SinamicsAlarms”。
16. 在塊接口標記靜態變量"statFaultProDiag".可監視的錯誤信息用于此變量。
17. 在窗口選擇監控標簽，下拉菜單下面的“詳細文本域”改變詳細文本域的內容，名稱必須與文本列表*。
    • 在這個例子里選擇名稱 "SINAMICS G120 Meldetexte" SINAMICS G120 消息文本
    • 詳細文本域需寫入: "@4%4d@: @4%t#"SINAMICS G120 Meldetexte"@
18. 重復16到17步為靜態變量 "statWarnProDiag"寫入詳細文本信息。
      

    
    Fig. 3
     

19. 保存并編譯STEP7(TIA Portal)項目并下載項目至CPU。
20. 打開OB1或者是調用“SinamicsAlarms”功能塊的塊，轉至在線監控。
21. 現在通過DB變量可以分別讀取到"faultTextNo" 和 "warnTextNo"兩個參數的錯誤和報警數據。可以在窗口“診斷”>“報警顯示”中看到相應消息的顯示信息。
     

圖. 4

在描述過程中有一下幾點好處：

• 不需要在HMI設備進行配置
• 配置過程與WinCC Advanced, WinCC Professional and WinCC V7獨立
• The消息可以用于WEB服務器,SIMATIC NET和OPC UA AC
• 時間戳和循環周期相匹配