西门子S120变频器在新天钢连退机组的应用

王耀东，王 巍，张 亮

（天津市新天钢冷轧薄板有限公司，天津 300308）

0 引言

西门子S120是针对全球客户研发的一款低压变频驱动控制装置，主要应用在各种工业自动化生产线中的低压电器驱动控制。西门子S120变频器具备很多优势，如：过程优化简洁、高可靠性、节能、成本低、体积小、无污染等。西门子S120变频器在工业自动化生产线中的应用中，其典型结构是多台S120逆变器共用同一个整流装置，所有的逆变器通过直流铜排接入到公共直流母线上。西门子S120变频系统的所有的部件，无论是整流侧，还是传动侧，组态的都非常清晰，安装于各自的电气柜内，组态、安装都很灵活，能够满足客户的特种需求。这也是西门子S120变频器在国内得以广泛应用的重要原因。

本文结合西门子S120变频器在新天钢连退机组的实际应用情况，介绍了S120变频器的特点、功能及系统组成。以现场实际应用的例子讲解了S120变频器参数的设置及系统的维护，根据使用、维护经验归纳出了现场易出现的问题及问题处理方法。

1 西门子S120变频器简介及系统组成

1.1 西门子S120变频器简介

S120变频器是西门子公司推出的集V/F、矢量控制及伺服控制于一体的驱动控制装置，能实现多类型低压电机的驱动控制，应用范围广泛，适应各种复杂工况的能力强。

西门子S120变频调速装置具有结构紧凑、功能强大、可靠性高、组态安装灵活以及操作调试简单等特点，另外该系统还配备有编程软件，使得系统参数的设定和驱动控制过程的监控变得更加容易。正是基于这些特点，西门子变频器S120系列越来越多地被应用于冶金领域自动化生产线上，并且为用户带来了理想的驱动控制解决方案。

1.2 西门子S120系统组成

西门子S120和其他品牌变频器系统组成结构大致相同，其结构组成主要包括整流单元、直流母线、逆变单元、辅助电源、控制单元等。西门子S120变频器系统组成如图1所示。

图1 西门子S120变频器系统组成

2 西门子S120变频器在新天钢的应用

2.1 西门子S120变频器组态结构

新天钢连退机组于2010年投产，产品规格涵盖厚度为0.3～2.0mm、宽度为900～1250mm的冷轧带钢，以生产家电板、汽车内板等产品为主。全线采用了西门子电控系统，变频调速装置全部是西门子S120变频器。按照结构特点，全线共分为VVVF-DRIVES GROUP 1～5号、VVVF-DRIVES GROUP 9号，共六个整流组。以1号整流组为例，其余5个整流组结构相同，不一一列举，新天钢连退机组变频调速系统1号整流组结构如图2所示。

图2 新天钢连退机组变频调速系统1号整流组结构

在整流部分，新天钢连退机组使用的是西门子SLM整流回馈系统。这个系统的优点是除了整流作用外，还可以将直流电回馈到电网，具有节能环保优势[1]。西门子S120变频装置在新天钢连退机组中用于辊子调速使用，以矢量控制为主，每一台电机都有编码器实现速度闭环控制。S120的控制单元的CPU为CU320，它与功率单元之间是通过DRIVE-CLiQ方式实现通信的。图3为西门子S120的DRIVE-CLi Q通信拓扑结构，其中粗实线部分为DRIVE-CLiQ通信线缆。

图3 西门子S120的DRIVE-CLiQ通信拓扑结构

西门子S120变频器内部各模块间的通信都是通过DRIVE-CLiQ实现的，现场的实际连接状态要和西门子开发的STARTER软件界面上的拓扑结构保持一致，否则系统就会报错，无法通信。通过STARTER软件，可以实现对S120变频器进行参数设定或修改。但CU320不能够作为主站访问PROFIBUS网络中的ET200或者其他设备，DRIVECLiQ的通信最长距离为70m。

2.2 西门子S120变频器主要功能

西门子S120变频器的控制器里有很多功能可供编程使用，其中包括加法器、乘法器、与或非门等一些逻辑功能，每个CPU里最多有240个功能块可供使用，其使用的是CFC编程语言，与其他系统的兼容性强。控制器里CU320相当于西门子S120变频器的大脑，是S120变频器的核心部件，而系统中的整流组和逆变器都只是其中的执行机构，是功率器件。西门子S120变频器能够根据不同生产线的要求，具有多种控制模式，其控制模式的设定都是集成在CU320中。CU320中有速度控制、转矩控制、负载平衡等多种控制模式可以设置，以满足不同生产线的需求。

2.2.1 连退机组速度控制

连退机组全线分成了不同的速度区域，以活套作为分界点。不同速度区域都有一个速度主令辊，该区域的其他辊都按照主令辊的速度转动。为满足连退机组不同的工艺要求，S120变频装置内部集成了一个速度控制的比例积分控制器，比例控制器产生输出后，作为积分控制器的输入，积分控制器能够按照设定值去调整，这样可就有效抑制速度控制过程中的超调发生。速度控制模型参数设置正确后，能够达到速度设定值和速度实际值基本一致。

2.2.2 连退机组恒张力控制

为了保证机组的张力稳定，还有一部分传动处于非速度控制模式下的矢量控制，其功能在基础自动化的PLC中设置。通过转矩限幅作用，使它们的速度环饱和，电流环直接控制，用这种方法可实现机组的恒张力控制。转矩的设定值一般通过PROFIBUS以百分数的形式下发，转矩的设定值直接作用在转矩限幅值上。

2.2.3 连退机组张力辊力矩平衡控制

新天钢连退机组共有8套张力辊，张力辊之间的力矩都需要平衡分配，在西门子S120中叫做负荷平衡，负荷平衡通常指的是一组传动辊通过带钢把各个辊子机械地连接在一起（例如：张力辊），其中的一个辊子作为主辊，设定额定转矩，其他的辊子作为从辊。主辊的控制器是一个PI控制器，用于速度控制。其他从辊的速度控制器是一个P控制器。在控制过程中，主辊的速度PI控制器的积分分量以附加给定的形式发送给从辊P控制器。从辊就会按照这个积分分量进行调节。这样能够保证一组的张力辊力矩平衡，不至于互相牵制、互相抵消，保证了张力辊的出力。

2.3 西门子S120调试流程

西门子S120和其他的变频器一样，并不是拿来就能够使用的。需要有专业的知识储备，需要通过一步一步的参数设置、变频器与电机的匹配优化以及通信参数和控制字状态的优化来实现的。下面结合西门子S120变频器多年的调试经验，对S120变频器基本设置流程进行介绍，以供初学者参考。西门子S120变频器基本设置流程如图4所示。

按照图4所示流程对变频器进行设置，就能够完成一台S120变频器的基本调试。一般用一台安装STARTER的PG调试工具更为简便。

图4 西门子S120变频器基本设置流程

3 西门子S120变频器的日常故障分析及处理

西门子S120变频器在新天钢连退机组的使用过程中，运行比较稳定，但偶尔也会出现报错，但大部分都是外界因素造成的。在使用的10多年之间，也遇到了一些故障，下面就把遇到的故障和处理方法列出来，供大家参考。

（1）故障码F01000，软件内部故障。处理方法是：断掉所有元件的控制电，再重新上电；升级更新固件；更换控制单元CU320。

（2）故障码F07902，电机堵转[2]。处理方法是：检查机械是否有卡阻；检查编码器是否运行正常；检查编码器模板SMC30是否运行正常。

（3）故障码F08700，通信故障。处理方法是：检查通信电缆是否破损；检查通信板CBC运行是否正常；检查波特率设置是否正确；检查地址设置是否正确。

（4）故障码F07802，整流或者功率单元没有准备好。处理方法是：增加监视时间P0857；确定是否直流母线有电压；更换整流或者功率单元的信号模块。

（5）故障码A07805，功率单元过载。处理方法是：降低张力、减小速度，减少持续过载时间；检查核对电机的额定电流、电压等参数是否正确。

以上故障码都是在实际生产过程中遇见的，故障和处理方法也是经过实践检验的，在这里可供参考。随着经验的积累和不断的学习，一些故障均会迎刃而解的，但在生产中也有一些怪异的问题发生。例如：当现场辊子的联轴器断了，变频器就会报警“设定速度和实际速度偏差过大”；还例如：现场轴承卡死，西门子S120变频器就会报警“堵转”等等这些问题。所以变频器报警不一定是变频器本身的问题。

4 结语

综上所述，西门子S120变频器具有功能强大、操作简单、稳定性高、应用灵活等优点，可为用户在生产线电机驱动控制中提供理想的解决方案。用户可以根据实际需求进行选择和配置，使得整个生产线变频驱动控制装置优化、简洁、高效。实践表明，西门子S120变频器完全内适应钢铁行业各种复杂工况，尤其对于连退生产线的速度、张力及扭矩的控制。

西门子S120变频器在新天钢连退机组投产使用以来，很少出现故障，工作稳定性强。在多年的使用中，工艺人员获得了许多S120变频器使用、调试、维护经验，在日常的使用中经常对其参数进行修改，另外为满足工艺需求，也经常对变频器的控制逻辑进行优化。目前新天钢连退机组工艺人员逐渐熟悉了S120变频器的操作系统，对其功能掌握得越来越全面。本文将新天钢连退机组多年来西门子S120变频器的使用维护经验分享给大家，以供参考和借鉴。