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1 引言
西门子在自动化领域是个享有盛誉的品牌，PLC、人机界面、变频器、伺服产品、自动化仪表等等，几乎涉及了自动化控制的所有领域，西门子变频器以其稳定的性能，丰富的组合功能，良好的力矩特性，在各行业中赢得了良好的口碑，在中国变频器市场占据着重要的地位。
唐钢冷轧薄板厂是个现代化的大型钢铁企业，分为三期工程共12条生产线。它集酸洗、冷轧、镀锌、彩涂多项生产工艺于一体,其技术、设备先进。在电气传动中，大量应用着高质量技术先进的不同容量的知名品牌变频器，它们在唐钢的生产中发挥着十分重要的工作。其中大多数为西门子simovert masterdrives vc简称6se70系列的变频器传动产品，主要应用于三条镀锌线、两条酸洗线、重卷和全氢罩式退火线中。下面着重介绍一下simovert masterdrives vc变频器在镀锌、酸洗连续生产线中的应用。
2 简要介绍
公司使用的西门子6se70系列传动系统是西门子公司开发的一种多用途的交流变频调速器，全数字控制。采用了当前最先进的控制理论和技术，如矢量变换技术、三电平逆变器电路、pwm控制、高功率因数控制等。主回路由整流器和逆变器两部分组成，功率元件采用igbt。逆变器由中间回路直流电压利用脉冲宽度调制方法(pwm)输出变频变压的三相交流电。其输出频率从0hz至最大600hz。内部的24v直流电压通过一个集成供电单元供电。装置由内部闭环控制，可通过操作控制面板pmu，舒适型操作控制面板op1s，端子排或总线系统的串行接口进行操作控制。
simovert masterdrives vc系列变频传动产品具有高精度的工艺控制功能和完善的保护功能，具有矢量控制方式；五种开环或闭环控制方式；完善、开放、多种类的通讯功能(profibus，simolink，uss等)；简易便捷的参数设定及监控调试软件（simovis，drive monitor）;标准软件中包括应用场合的各种开环、闭环控制功能，它包括：
(1) 在简单应用时的v/f特性曲线的控制；
(2) 用于中等或高动态性能要求的传动装置的矢量控制；
(3) 具体有下列开、闭环控制功能；
●带测速机的矢量控制特性；
●通用的v/f 特性；
●纺织工业用的v/f 特性；
●无测速机的闭环频率控制或磁场定向控制；
●带测速机的磁场定向控制作为闭环速度控制；
●带测速机的磁场定向控制作为闭环转矩控制。
3 变频器控制系统的组成
3.1 中心控制单元
西门子6se70系列变频器的中心控制单元有cuvc和cur两种。cuvc为专用于矢量控制的中心控制单元，cur为专用于整流单元的中心控制单元。在cuvc和cur上，有多个开关量和模拟量端子，可通过软件编程，对每个端子进行任意的功能设定。变频器的中心控制单元cuvc有x101、x102、x103端子排及扩展单元端子排eb1、eb2。这些端子只有在进行了功能设定后，才能对变频器的运行进行控制。变频器的输入和输出端子在进行功能设定时，要通过控制字、状态字、开关量连接器、模拟量连接器来进行设定。
3.2变频器的功能
变频器的功能一般是通过功能码来进行设定的。西门子6se70系列变频器的功能码用p和r表示。其中p是用于设定和修改的功能参数，r是用于显示的只读参数。由于变频器的功能码多，而其输入输出端子有限，所以需要用开关量b连接器和模拟量k/kk连接器来进行选择、设定输入输出端子的功能。系统组态时，根据实际负载需求，将符合要求的功能数据组和功能单元块经过某种组合，最后形成一个完整的控制系统。其中功能数据组和功能单元块有：bico（开关量连接）数据组、fds（变频器控制系统功能）数据组、mds(电动机)数据组、计算和控制模块、逻辑单元块。
3.3 主要控制方式
高性能变频器的主要控制方式是矢量控制。它的基本控制思想是根据电动机的动态模型，将用于产生转矩的电流和用于产生磁场的电流进行解耦，然后分别进行控制。它分为有速度传感器的矢量控制器和无速度传感器的矢量控制变频器。利用有速度传感器的矢量控制变频器驱动电动机时一般适用于单机传动和较低转速时有较高的动态特性和较高的转速控制精度的场合。笔者使用的大多数都是属于这种控制方式。无速度传感器的矢量控制变频器的控制模式是在有速度传感器矢量控制模式的基础上，去掉速度检测环节，通过计算来估测电动机速度的反馈值。
3.4矢量控制的系统组态
以有速度传感器的矢量控制系统为例，西门子6se70系列变频器的编程单元有三种，即功能设置和操作单元pmu、手持式编程单元opis和计算机编程单元。在实际的现场操作中，计算机编程单元的应用最为方便、快捷，它和变频器之间采用点对点通讯方式。其有速度传感器的矢量控制系统由设定值通道、速度控制器、转矩电流限幅单元、电流控制器、矢量控制器单元和功率单元组成。
(1) 设定值通道
设定值通道由速度给定单元和速度反馈单元两部分组成。用速度给定单元进行组态时，需设定的功能参数有：主设定、附件给定1、附件给定2、速度的正限幅、转矩给定的正限幅和负限幅、给定积分器的加速时间和减速时间、用于转矩前馈控制的系统启动时间和比例增益。用速度反馈单元进行组态时，需设定的功能参数有：脉冲编码器脉冲数或模拟测速发电机的最大转速值、速度传感器的类型、实际速度滤波时间常数等。
(2) 速度控制器
速度控制器主要对系统速度进行动态调节，为了消除速度静差和提高系统控制精度，采用pi控制器，通过功能码设置比例增益、积分增益、速度反馈的滤波时间常数等来实现。
(3) 转矩/电流限幅单元
为了防止变频器启动、运行和停止时过电流，设置了转矩/电流限幅单元。
(4) 电流控制器
矢量控制模式系统仿照了直流调速系统控制模式，将通入交流电动机中产生的转矩电流和产生的磁通电流分离开来，分别进行控制。本系统的电流控制器包括用于控制电动机转矩的电流控制器和用于控制电动机磁通的电流控制器。
(5) 功率单元(主电路)
变频器功率单元中的一些参数已在变频器出厂时设置完毕。如需更改要参阅西门子变频器使用手册。
(6) 矢量控制单元
矢量控制单元是整个控制系统的核心，包括电动机电流模型、电动机emf(电动势)模型、矢量变换模型和磁通调节器。其中包括电动机转子电阻温度系数的设置，电动机emf调节器的比例增益设置，积分增益设置，磁通调节器调制温度系数设置。
3.5各种附加模板
为了满足某些特殊的功能，simovert masterdrives提供各种附加模板。这些模板不仅可以完成与电机有关的控制功能，而且可以完成特殊的过程控制。变频器工艺模版用于实现通传动系统有关的一些控制功能。例如：组成张力闭环系统、流量控制系统等。
3.6故障自诊断功能
6se70系列变频器的所有设备均有故障自诊断功能。6se70装置本身提供了多种可靠有效的故障保护措施。同时也提供了简单实用的故障查询手段，装置可能发生的多个故障(最多达8个)，并可以保存最近8次所发生过的故障代码。装置可以同时记录最多10个变量(即k连接量)的变化过程，并提供了灵活的记录触发方式。利用driver monitor软件可以方便地观察所记录变量的波形。
4 变频器的主要调试过程
变频器参数设定：
(1) 功率部分的定义(p060=8)
p60=8；
p70=输入相关设置的订货号。
为了检查输入数据，在回到参数菜单以后，检查p071变频器输入电压值和p072变频器电流值。它们必须同铭牌额定数据一致。
(2) 电子板定义(p060=4)
p60=4；
p918=对应的profibus dp 地址号。
(3) 系统定义(p060=5)
需设定的主要参数有：
p68，p71，p95，p100，p101，p102，p103，p105，p106，p107，p108，p109，p113，p114，p128，p130，p151，p350，p351，p352，p353，p354，p380，p381，p382，p383，p462，p464，p466等，详细步骤要参阅变频器使用手册大全。
(4) 功能调整
针对生产工艺的不同，调整变频器内部参数，实现生产工艺提出的各种功能。
5 与plc的网络通讯
高性能变频器一般带有很多功能模板来完成高性能高精度控制和多功能操作，西门子6es70系列变频器根据通讯方式的不同，有三种通讯模板。通过它可将变频器连接到上一级自动化系统中，cbp装在cuvc所在的电子箱中，由基本装置提供电源，cbp采用现场总线的profibus-dp应用型，可在上一级自动化系统和变频器之间进行快速、周期性的交换数据。
profibus dp是现场应用的西门子标准总线系统的传动系统。传动系统控制装置与电气控制系统的plc之间可通过多种串行接口进行通讯，如基本方案com1和com2(uss协议)，通讯板cbp2或cbc实现profibus-dp现场总线的连接，实现数字控制方案，以减少控制电缆的数量并提高可靠性。每个变频器装置和plc之间的交换都是相同的。采用pp05的通讯协议，各控制字和状态字的分布如附表所示。
6 常见故障处理
对于6se70系列变频器，由于质量好，而且自诊断功能、报警及保护功能也非常齐全，故障率低，笔者经常会碰到的故障现象有f008(直流电压低)，由于直流母线电压是直接通过电阻降压来取得采样信号的，所以故障f008的出现主要是由于采样电阻的损坏而导致的。此外还会碰到f025，f026，f027关于输入端相缺失的报警，故障原因是由于6se70系列本身带有输入相检测功能，输入检测电路的损坏会导致输入缺相报警，如排出此故障原因，报警信号还不能消除，那故障很有可能就是cu板的损坏或功率模块的烧毁了。f011(过电流)故障也是一个常见的故障，电流传感器的损坏是引起此故障的原因之一，在使用中经常会碰到驱动电路和开关电源上的一些贴片的滤波电容的损坏也会引起f011现象，要特别注意由于这种原因而引起的故障报警。对于不同的报警信息，应结合现场实际运行情况，参考变频器使用大全手册所列的检查要点和处理方法进行。
7 变频器的备件管理
变频器停机超过一年，中间回路电容必须重新充电。如果不这样做，当中间回路上电时，传动装置将被损坏。当变频器出厂后一年内工作时，直流母线上电容器可以不重新充电。装置的出厂日期可以从系列号中读出。在充电时，变频器中间回路同一组整流器、一个滤波电容和一个电阻相连接。通过充电，使中间回路电容器具有一定电压和一个限值电流，且中间回路电容器的功能所需的内部条件得以恢复。
其步骤为：
(1) 在装置充电以前，须将所有电源线拆开；
(2) 必须切断变频器进线电源；
(3) 按照电路图连接所需元件；
(4) 充电时间同变频器闲置时间的关系如附图所示。
附图 充电时间同变频器闲置时间的关系
8 结束语
随着变频技术的不断发展和提高，变频器应用的迅速普及，作为生产一线的工程技术人员来说，了解和熟悉变频器调速技术、选好用好变频器、充分发挥变频器中各种功能的作用，使其做得更好，更全面、更完善地服务于广大的用户，尽量少出问题、不出问题，出了问题能及时解决，这正是我们的期望所在。
作者简介
李斌（1968-） 男 工程师/科员， 现在唐钢设备机动处工作，主要从事自动化设备的选型订货与现场服务。 |
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