S120 在WK-55 電鏟上的應用研究

李兆軒

（神華北電勝利能源有限公司，內蒙古錫林浩特 026015）

0 引言

WK-55 電鏟是我國自主研發(fā)的大型露天采礦機械，具有較高的技術水平，已在國內外多個礦井得到應用，相比較早期的WK-35 電鏟，其電氣系統(tǒng)得到提升，特別是變頻驅動系統(tǒng)從之前的6SE70 系列變頻升級改造為S120 變頻系統(tǒng)，其功能數據及各項指標都得到極大的提升，不論從硬件還是軟件上，兩者都有跨時代的差距。S120 系統(tǒng)在我國應用時間較晚，因此其還有更大的應用發(fā)展空間，同時其應用性能上還值得通過實踐去摸索、研究。

1 WK-55 電鏟控制系統(tǒng)

WK-55 電鏟同樣也是采用交流變頻技術，他采用目前國內廣泛應用的S7-400 PLC，該型號PLC 在我國應用較為成熟，變頻器采用SINAMICS S120 系列，該型號變頻器是對WK-35 電鏟6SE70 型變頻器的升級改造版本。

1.1 驅動系統(tǒng)

電鏟的提升、推壓、回轉、行走等功能，全部由SINAMICS S120 系統(tǒng)實現。SINAMICS S120 驅動系統(tǒng)采用獨立的功率單元和控制單元，可有效進行配置，滿足各種不同驅動任務的需要。用戶可根據要控制的驅動數量和所需的性能等級來選擇控制單元，而功率單元的選擇則必須滿足系統(tǒng)的能量要求。控制單元和功率單元之間的連接非常簡單方便，采用數字量系統(tǒng)接口DRIVE-CLiQ。

1.1.1 控制單元

CU310-2 PN 和SIMOTION D4x5-2 控制單元CU310-2 控制單元主要用于控制單驅動。控制單元CU310-2 標配以下連接和接口實際接續(xù)如圖1 所示。包括現場總線接口，CU310-2PN：1個PROFINET 接口，帶2 個端口（RJ45 插座），符合PROFIdrive V4 行規(guī)；CU310-2 DP：1 個PROFIBUS 接口，符合PROFIdrive V4 行規(guī)；1DRIVE-CLiQ 插口，用于與DRIVE-CLiQ 電機或其他DRIVE-CLiQ 設備（例如，傳感器模塊或端子模塊）進行通信；1個編碼器接口，可檢測增量編碼器TTL/HTL，SSI 編碼器、不帶增量信號；1 個PE（保護地）連接；1 個開關電源連接，通過24 VDC 電源連接器連接；1 路溫度傳感器輸入（KTY84-130 或PTC）；1 路可設定的故障安全（通過V4.5 和更高版本的固件提供）隔離數字量輸入或6 路可設定的隔離數字量輸入。故障安全數字量輸入可通過PROFIsafe 連接到上級控制器；1 路可設定的隔離數字量輸入；1 路可設定的故障安全（通過V4.5 和更高版本的固件提供）隔離數字量輸出或1 路隔離數字量輸出；8 路可設定的雙向非懸空數字量輸入/輸出；1 路模擬量輸入，10 V（分辨率12 位+符號位）或20 mA（11 位+符號位）；1 個以太網接口（RJ45 插口），適用于調試和診斷；1 個CF 卡插槽，CF 卡存有固件和參數；1 個PM-IF 接口，用于和模塊型功率模塊通信；3 個測試插口和1 個參考接地，用于調試支持；1 個用于連接BOP20 基本操作面板的接口。

控制單元CU310-2 的狀態(tài)通過多色LED 來顯示。BOP20基本操作面板還可直接卡裝到CU310-2 控制單元上以執(zhí)行診斷。由于固件和參數設置保存在可插拔的CF 卡中，因此無需軟件工具便可以方便地更換控制單元。

CU310-2 控制單元集成主要包括以下幾個方面：控制單元CU310-2 通過PMI-IF 接口控制模塊型功率模塊。DRIVE-CLiQ電機或傳感器模塊（SMC）也可連接到集成RIVE-CLiQ 插口，以便使用不帶DRIVE-CLiQ 接口的電機；可通過BOP20 基本操作面板直接更改設備上的參數。BOP20 基本操作面板也可在運行期間卡裝到CU310-2 控制單元以進行故障診斷；使用STARTER 調試工具來調試和診斷控制單元CU310-2 和其他連接組件?？刂茊卧狢U310-2 要求使用固件版本不低于V4.5 的CF 卡；CU310-2 PN 控制單元和上級控制系統(tǒng)通過PROFINET IO 和PROFIdrive V4 行規(guī)進行通信。

帶有CU310-2 PN 控制單元的SINAMICS 120 驅動系統(tǒng)構成1 個PROFINET IO 設備，可以執(zhí)行以下功能：PROFINET IO 設備；全雙工傳輸100 Mbit/s 支持PROFINET IO 實時通信類別包括實時RT、IRT（Isochronous Real-Time，同步實時），最短發(fā)送周期500 s；作為1 個PROFINET IO 設備連接到控制系統(tǒng)，符合PROFIdrive 行規(guī)V4；標準TCP/IP 通信，用于采用STARTER 調試工具的工程設計；集成雙端口交換機，帶2 個RJ45 插口，基于ERTEC ASIC。因此，無需外部附加交換機便可以配置最佳拓撲結構（線形、星形、樹形）。

圖1 CU310-2 接線示意圖

CU320-2 控制單元主要用于控制多驅動。CU320-2 控制單元可控制多達12 個驅動（V/f 控制模式）或者6 個驅動（伺服或矢量控制模式）；CU320-2 控制單元可用于控制1 組單驅動來執(zhí)行基本的驅動工藝功能；SIMOTION D 控制單元用于需要協調運動控制的應用，如同步運行、電子齒輪、凸輪盤或復雜工藝功能等。SIMOTION D 控制單元提供多種不同性能的型號；STARTER調試工具用于通過控制單元調試和診斷不同類型的SINAMICS驅動裝置；SIMOTION D 控制單元需要包含STARTER 工具的SCOUT 工程系統(tǒng)。

1.1.2 功率模塊

SINAMICS S120 驅動系統(tǒng)的獨立版本由1 個CU310-2 控制單元和1 個功率模塊組成。在這個功率模塊中集成1 個電源整流器、電壓源直流母線和為電機供電的逆變器；功率模塊用于無法再生電能的單軸驅動。他可將制動時產生的電能可通過制動電阻轉換成熱量；功率模塊也可以和CU320-2 控制單元、SIMOTION D4x5-2 或CX32-2 擴展控制器組合使用，例如將單軸驅動添加到多軸驅動組的配置中。此時，模塊型功率模塊必須配備CUA31/CUA32 控制單元適配器。該適配器通DRIVECLiQ 與CU320-2 控制單元、SIMOTION D4x5-2 或CX32-2 擴展控制器相連。裝置型功率模塊則直接通過DRIVE-CLiQ 電纜連接到多軸控制單元。

1.1.3 電機模塊

在電機模塊中集成1 個電壓源直流母線和為電機供電的逆變器。電機模塊用于多軸驅動系統(tǒng)，由CU320-2 控制單元、SIMOTIOND4x5-2 或CX32-2 擴展控制器進行控制。電機模塊通過公共直流母線互連。由于電機模塊共用1 個直流母線，所以2 個模塊間可以交換能量。也就是說，如果1 個電機模塊正在產生電能（發(fā)電機模式），另1 個電機模塊可以使用該電能（電動模式）。電壓源直流母線由電源模塊提供進線電壓。電機模塊通過DRIVE-CLiQ 與控制單元通信。

1.1.4 電源模塊

電源模塊將進線電壓轉換為直流電壓，通過電壓源直流母線向電機模塊供電。模塊類型有3 種，基本電源模塊、回饋電源模塊和有源電源模塊。

（1）基本電源模塊?；倦娫茨K僅用于供電，無法將再生電能回饋到電網中。如果產生了再生電能（如驅動制動時），必須通過制動模塊和制動電阻將其轉化為熱量。如果基本電源模塊用作電源，必須安裝配套的進線電抗器。也可以選擇安裝1 個進線濾波器，將干擾信號限制到 C2 類極限值內（EN 61800-3）。

（2）回饋電源模塊?；仞侂娫茨K可以提供電能并將再生電能反饋到電網中。僅當需要在電網掉電后（即電能無法反饋到電網時）控制驅動減速停止時，才需要使用制動模塊和制動電阻。如果回饋電源模塊用作電源，必須安裝配套的進線電抗器。也可以選擇安裝1 個進線濾波器，將干擾信號限制到C2 類極限值內（61800-3）。

（3）有源電源模塊。有源電源模塊可以提供電能并將再生電能反饋到電網中。僅當需要在電網掉電后（即電能無法反饋到電網時）控制驅動減速停止時，才需要使用制動模塊和制動電阻。不過，和基本電源模塊與回饋電源模塊相比，有源電源模塊產生穩(wěn)定的直流電壓，在進線電壓出現波動時，該電壓仍能保持恒定。此時，進線電壓必須在允許的容差范圍內。有源電源模塊從電源中產生1 個近似正弦波形的電流，可限制任何有害諧波。要想運行有源電源模塊，必須使用配套的有源接口模塊。也可以選擇安裝1 個進線濾波器，將干擾信號限制到C2類極限值內（EN 61800-3）。

1.1.5 冷卻方式

根據外形尺寸，主要有內部風冷、外部風冷、冷卻板式冷卻和液體冷卻4 種。

1.1.6 系統(tǒng)能效方面

SINAMICS S120 驅動系統(tǒng)采用節(jié)能設計：反饋軸的能量、在多軸配置的直流母線組內利用該能量，并將它反饋回電網。即使在達到最高的供電能力時，也不會在控制柜內產生多余的熱量。由于有源電源模塊可防止電容性和電感性無功電流，SINAMICS S120 還同時確保供電中不會出現多余的功率損耗，不會出現電流諧波。他不僅可以防止對其他負載產生不良影響，而且還可以減少控制柜內產生的熱量。

1.1.7 系統(tǒng)組件

系統(tǒng)組件主要有以下幾種：直流母線組件，如制動模塊和制動電阻；輸出側的功率組件，如出線電抗器；附加系統(tǒng)組件，如端子模塊、操作面板和通信板；編碼器系統(tǒng)接口，用于將不同類型的編碼器連接到SINAMICS S120 上。

1.1.8 工程軟件

人性化調試工具STARTER 可以用于調試、優(yōu)化和、診斷。該軟件不僅可以作為單獨的PC 應用程序運行，也可通過Drive ESBasic 集成到兼容TIA 的SIMATIC STEP 7 中，或集成到SCOUT 工程系統(tǒng)中（適用于SIMOTION）。但是，在這兩種情況下它的基本功能和操作都保持不變。除了SINAMICS 驅動系統(tǒng)，STARTER 還支持MICROMASTER 4 設備。

其應用上有以下幾個特性：BICO 工藝，每個驅動對象均包含大量的輸入和輸出變量，可通過BICO（Binector Connector Technology）自由獨立地相互連接。Binector 是邏輯信號，值可以是0 或1。連接器是1 個數值，如實際速度或當前設定值；驅動控制圖（DCC），驅動控制圖（DCC）通過免費提供的閉環(huán)控制模塊、計算模塊和邏輯模塊擴展設備功能范圍，借助他還可實現圖形化配置SINAMICS S120 驅動系統(tǒng)的工藝功能。DCC 作STARTER 調試工具的附加應用程序安裝；SINAMICS S120 的DCC 驅動控制圖可實現在驅動級對控制、邏輯和計算功能進行簡單的圖形化配置。他使SIMOTION 運動控制系統(tǒng)和SINAM原ICS S120 驅動系統(tǒng)的工藝功能配置變得更簡單。DCC 編輯器簡單易用，可對控制環(huán)結構方便地進行圖形化配置以及清晰地進行呈現。其關聯塊庫包含大量閉環(huán)控制模塊、計算模塊和邏輯模塊以及更復雜的開環(huán)和閉環(huán)控制功能。因此，用于SINAMICS S120 的驅動控制圖為直接在變頻器中便捷處理驅動級開環(huán)和閉環(huán)控制任務奠定了基礎。

1.1.9 功能模塊

在所有SINAMICS S120 控制單元上，基本定位器EPos 都可作為可另外激活的功能模塊進行調用?；径ㄎ黄骺捎糜诮鉀Q基本的運動控制任務，無需驅動本身消耗其它外部工藝支出。工藝控制器被設計成1 個PID 控制器。適用于對液位、溫度、張力、壓力、流速和跳舞輥位置等調節(jié)變量進行控制；集成安全功能（安全集成），控制單元支持眾多的安全功能。集成安全功能是指安全集成基本功能，STO=安全轉矩關閉、SBC=安全制動控制、SS1=安全停機1。需要許可證的安全集成擴展功能，SS2=安全停機2、SOS=安全操作停止、SLS=安全限速、SSM=安全速度監(jiān)視、SDI=安全方向、SLP=安全限位。如果使用擴展的集成安全功能，則必須要有許可證、TM54F 端子模塊等附加系統(tǒng)組件或適當的安全控制裝置；CF 卡，SINAMICS S120 驅動的功能存儲在1 張CF 卡上。所有驅動的固件和參數設置都在卡中以項目形式存儲。該CF 卡也可以包含其他項目，這樣便可以在調試不同機床系列時迅速訪問正確的項目?？刂茊卧獑雍?，將讀取CF 卡上的數據并將其加載到RAM 中；固件以“對象”的形式進行管理。驅動對象用于對電源模塊、電機模塊、功率模塊和其他通過DRIVE-CLiQ 連接的系統(tǒng)組件執(zhí)行開環(huán)和閉環(huán)控制；通過跟蹤功能提供最佳診斷支持，驅動對象的輸入和輸出變量的時間特性可以通過集成的跟蹤功能測量，并通過STARTER 調試工具顯示。跟蹤功能最多可以同時記錄4 個信號。記錄操作可以根據可自由選擇的邊界條件（如輸入或輸出變量的值）進行觸發(fā)。

1.2 自動控制系統(tǒng)

電鏟的各項控制功能主要由S7-400PLC 完成。電鏟觸摸屏則為與操作者之間的媒介，S7-400PLC 主要起到功能包括：各限位節(jié)點，電鏟集中潤滑系統(tǒng)，輔助功能，包括消防，控制變頻器與機械動作的起停。觸摸屏的作用包括：與S7-400PLC 自動通訊，自動診斷記錄顯示。

2 系統(tǒng)故障案例分析

在電鏟長時間運行中，頻繁報F07900 故障代碼，經過多次處理分析，下面將次故障處理過程總結如下。

電機長時間以轉矩極限值工作，超出P2177 中設置的時間，且轉速低于P2175 中設置的轉速閾值，S120 驅動就會發(fā)出F07900 電機堵轉報警。可以按照以下流程進行故障排查：脫開負載，電機是否帶有抱閘（如有則看抱閘能否正常打開關閉，如果不能則檢查并改正抱閘控制邏輯，如能則繼續(xù)向下走）看電機是夠帶有編碼器，編碼器接線配置是否正確，設置P1300=20，看電機能否正常運轉，如不能，則觀察R1538、R1539 是否為0 或者很小的數值，檢查并修改轉矩限幅相關數據，重新測試。如果不能，觀察R60 和R61 是否大小相等符號一致，如果大小不等則檢查EMC（Electromagnetic Compatibili原ty，電磁兼容性）干擾，再次確認編碼器配置和接續(xù)，如符號相反，則修改參數P410.0 或者修改編碼器接續(xù)。實際生效的轉矩限幅為電流限幅、轉矩限幅、功率限幅換算為轉矩的最小值，所以在觀察到R1538，R1539 為0 或很小的時候應該判斷哪個限幅生效并修改；如果空電機不帶負載運行正常，帶載運行報故障F7900，此時應該核算驅動器和電機是否過載，如過載，需要更換大的電機及驅動器或減小負載；如未過載，可以通過減小P2175 或增大P2177 解決；對S120 驅動第三方伺服電機的情況，有可能出現P1300=20 能正常運行，且此時R60 與R61 大小相同符號一致，但P1300=21 運行報故障F7900 的情況，此時應該進行絕對值編碼器調校P1990=1（對絕對值編碼器和帶有C/D 信號的增量編碼器）或磁極位置識別P1982=1（對增量編碼器）

3 結束語

隨著S120 系列變頻器在電鏟上的廣泛應用，極大提高電鏟的各項性能，同時越來越多的問題需要相關技術人員去處理，對S120 分別從硬件和軟件方面進行系統(tǒng)的剖析研究，為今后處理和解決S120 系列電鏟的相關問題提供詳實的技術資料，達到促進維修效率和設備出動率的良好效果，創(chuàng)造更高的經濟效益。