西门子模块6ES7221-1BF22-0XA8详细使用

西门子模块6ES7221-1BF22-0XA8详细使用

1 引言

    交流异步电动机以其构造简单、坚固耐用、性能良好、制造等优点而在工农业生产中获得了广泛的应用。随着变频调速技术的迅猛发展，交流调速技术有了长足的发展，使得交流异步电动机的应用前景更为广泛，大有取代直流拖动系统之势。

    本文介绍了利用变频器直流制动功能实现大惯量交流拖动系统准确停车的设计方法，与一般方式相比，该方案不仅工作稳定可靠、控制精度高，而且省去了价值上万元的变频器**制动单元/制动电阻，有效的降低了设备改造成本。截止到现在，按该模式改造的几套转炉系统已连续稳定运转数年，提供了一种针对传统交流拖动系统，以节能降耗、提高自动化水平为主要目的、成熟的技改方案。

    2 原系统的组成及主要存在的问题

    炼钢转炉是钢铁厂一种重要的生产设备，生产工艺对控制转炉转动的拖动系统的稳定性及停车定位精度要求较高。某钢厂的1台转炉原以30kW的交流异步电动机进行拖动，由齿轮减速箱实现减速，配合刨闸实现准确停车控制。工作时，系统均在低速段运行，能量损失较大。而且，整个炉体惯性较大，现场工作条件恶劣，启、停过程中减速箱的齿轮经常被撞坏，造成整个系统的瘫痪。如处理不及时，钢水凝固在炉中就会造成“蹲炉”的大故障，带来巨大的经济损失。由于条件限制，机械减速系统维修起来十分不便，而且停车定位控制精度较低，以上问题已成为阻碍生产进一步发展的“瓶颈”问题，厂家迫切要求解决这些问题。

    3 改造方案中关键技术问题的讨论

    针对上述系统中存在的主要问题，我们提出:利用变频器对原有交流拖动系统进行改造。由于系统一直处于低速运行，而电动机转速与消耗能量间具有立方关系（即当电动机的转速下降为额定转速的n%时，电动机所消耗能量为原额定功率PN的PN＊（n%）3,如当转速下降到80%的额定转速，则消耗功率仅为51.2%的额定功率）,所以利用变频器替代原有的机械调速系统后，不仅系统运行的稳定性大大提高了，而且在节能降耗上所取得的效益也将是十分显著的;同时摆脱了由机械减速系统所带来的大量维修工作。待解决的关键技术问题是如何保证并提高整个系统的停车定位精度。一般来说，通用变频器提供的制动方式主要有:能耗（直流）制动、再生制动（制动单元/制动电阻、整流回馈）等。几种方案适用范围、场合及使用的限制条件各有不同，使用的效果也各有优劣，根据实际情况选择经济有效的制动方法与制动功能是成功设计变频调速控制系统的关键问题之一。

    在进行首台转炉的改造时，考虑到系统惯性较大、要求的制动转矩较高，我们选择了由变频器生产厂家推荐、兄弟钢厂已试验成功的外接制动电阻和制动单元、配合直流制动的制动方案，整体控制效果十分理想。在进一步的探讨中，我们考虑:转炉拖动系统具有运行速度慢、启停间隔时间较长的特点;能否省去外接的制动单元/制动电阻，单纯采用直流制动呢？由于变频器厂家把外接制动电阻和制动单元作为选配的元器件，需另行购买且售价较高，如该方案可行，将有效的降低整个系统的改造经费接近20%，累计起来是十分可观的。为此，我们对系统的工作特性进行了详细的分析。

    所谓“直流制动”，一般指当变频器的输出频率接近为零，电机的转速降低到一定数值时，变频器改向异步电动机定子绕组中通入直流，形成静止磁场，此时电动机处于能耗制动状态，转动着的转子切割该静止磁场而产生制动转矩，使电动机迅速停止。

由于旋转系统存储的动能转换成电能以热损耗的形式消耗于异步电动机的转子回路中，为防止电动机减程中所形成的再电制动以及直流制动过程中电机发热，需串入制动单元/制动电阻。而转炉拖动系统有其特点:首先，工作状态下变频器的输出频率基本在35-38Hz左右;其次，转炉系统不会频繁的启停。如图1所示为一般交流电动机制动时的机械特性曲线。图1中:①为正常工作时的曲线，②为直流制动时机械特性。设A点为正常工作点，在变频调速通常设置的制动过程中，电动机先减速，此时同步磁场转速低于转子转速，工作点在同一转速下由曲线①的A点跳至曲线②的B点，即从**象限过渡到*二象限，通常称之为同一转速下特性的跳转，则电机得到反方向的制动转矩Tb进入发电制动状态，拖动系统沿图1中曲线②迅速降速，当低于某一转速后，变频器输出直流，形成固定磁场，产生制动转矩。在这一过程中，电机将经过短暂的再电制动和能耗制动较终停止，因此需要接入制动单元/制动电阻，以防止电机发热。

    从理论析，如果能够控制电动机同步磁场的转速缓慢下降，电动机在发生同一转速下特性跳转时，特性曲线维持在**象限，如图1中虚线组③所示慢慢降速，不跳转至*二象限则拖动系统在降程中可以有效的避免再生制动过程。接下来，当电机转速在小于临界转速nk的情况下接入直流制动，并相应控制接入直流的大小和时间，理论析电机仅经历有限的能耗制动阶段，不会过热。而变频器良好的内、外特性保证了上述各项条件的满足。图2所示为变频器的输出频率、直流制动中电机转速随时间变化的规律，在运行信号的控制下，变频器首先缓慢连续降频，达到fdb后则开始直流制动，此时输出频率为零。在系统参数设定中系统降速时间tz、直流制动起始频率fdb、制动电流Idb和制动时间tdb的设定十分重要，直接关系到生产机械的准确定位和电动机的正常运行，我们曾以ABB、西门子、三肯等不同厂家、型号的变频器进行实验，均可满足工况要求。现以所述转炉系统所应用的西门子6SE21系列变频器为例对参数设定进行具体说明:

    P372=1:启用直流制动功能

    P373（Idb）:直流制动电流大小设定，它直接关系到制动转矩的大小，系统惯性越大其值应越大。可选范围20%-400%的电机额定电流，我们经验值为60%左右进行反复调整。

    P374（tdb）:输入直流时间。不宜过长，否则电机将过热;但比实际停机时间应略长，否则电机将进入自由滑行状态，转炉系统中经验值取5.5S左右，应结合实际情况反复调整。可选范围:0.1-99.9S。

    P375（fdb）:直流制动开始频率。如前所述，该参数应尽可能小，必须在图1曲线②中临界转速nk以下，否则电机将过热。经验值为10Hz左右。

    P373、P374、P375选择不当，均会引起电机过热，需在现场反复调整、测试。调整得当，生产机械将准确停止在预定位置。应特别注意，变频器输出频率由正常工作时的fx降至fdb的时间tz虽不在直流制动参数组中设置，但它的设置十分关键，如时间过短，电动机将运行至*二象限，发生再生制动，引起电机过热。此外，必须指出，需要频繁进行制动的工况不适合采用此方式。

    按此方案将参数设定完成后，对系统连续进行反复的检测，电机温升正常，系统停车定位准确

    可见，在类似转炉拖动系统的大惯量拖动系统变频改造中，单独运用直流制动完全可行。

一、引言：  

    城市供水系统的水库泵站一般都配备大功率水库泵及增压泵若干台，其良好稳定运行为城市居民的生活用水和工农业生产带来可靠的保。目前，很多现有设备已经趋于老化，日常维修工作量大，控制原理也较为落后。如何在不增加大量投资的前提下对现有设备进行合理改造，以发挥较高的工作效能，是当前需要重点解决的问题。  

    上海自来水公司市北泵站管理所下属真北泵站共有三台280kW增压泵和三台280kW水库泵。均采用自耦启动柜进行启动，启动电流大，并且随着设备的长期使用，开关元件及出水阀门的损耗比较严重。为了降低运行成本，减少设备损耗，提高管理水平，决定采用PLC自动控制系统和电机软启动器对原设备进行改造。  

二、工作原理及改造方案：  

    1.控制原理  
    电机启动器决定使用软启动器。软启动器的基本原理如图1所示，通过控制可控硅的导通角来控制输出电压。因此，软启动器从本质上是一种能够自动控制的降压启动器，由于能够任意调节输出电压，作电流闭环控制，因而比传统的降压启动方式（如串电阻启动，自耦变压器启动等）有更多优点。例如满载启动风机水泵等变转矩负载、实现电机软停止、应用于水泵能完全水锤效应等。  

    目前，国内外的电机软启动器控制系统一般都采用1台软启动器配1台电机的控制方案，为了节省投资，经过多方论证，并且与上海津信变频器有限公司的技术*一起进行了模拟试验，较终决定采用1台软启动器带多台电机的方案。同时，也为了较大限度地**设备无故障连续运行，对原自耦启动柜进行了改造，保留原来自耦启动的全部功能，并且利用原自耦柜中的运行接触器，作为软启动器的旁路接触器，在软启动器启动完毕后将其旁路，以便软启动器可以继续控制其他的电机。软停止控制策略则正好相反，首先要将原自耦柜中的运行接触器断开，电机切换到由软启动器控制，然后启动软启动器的软停止功能，逐渐减小输出电压，将电机慢慢停下来，最后软启动器退出，等待接受下一个启动或停止操作。
  
    2.系统组成： 
 
    3.主要设备选型：  
    供水系统关系到千家万户，系统的设计和设备的选型要考虑其可靠性以及产品制造商的，使系统在正常工作条件下，尽可能做到万无一失。但同时又要兼顾系统的经济性，因此在设备的配备上对主要关键性设备尽可能选用国内外优质产品，对一些不影响系统性能及可靠性的辅助设备，可选用**物美的产品，以提高整个系统的性价比。  

    3.1可编程序控制器（PLC）选型  
    PLC是控制系统的关键部件之一，选型的时候除了要满足以上要求之外，还要考虑到今后的维护和扩展以及与其他泵站保持统一的通讯接口，为今后连接上位机监控做好准备等。综合考虑之后，决定采用ROCKWELL的SLC500系列PLC。  

    3.2软启动器选型：  
    选用丹麦丹佛斯工业有限公司生产的MCD3000型工业软启动器，该产品具有以下几个优点：  

    1.有**的旁路接线端子，在旁路时还有电流监控，能作过载保护； 
2.丹佛斯软启动器有1带多的专有功能，特别适用于此次改造；  
    3.丹佛斯软启动器有内置的软停止功能；  
    4.丹佛斯软启动器是真正的恒电流闭环控制，能以设定的启动电流值作较快速的启动，启动完成的逻辑判别也更合理。  
    水泵电机型号为JS137-6，280kW，493A，983rpm。泵站由两路高压进线供电，每路带3台电机。因此决定采用2台300kW软启动器（型号为MCD3300），每路电源接1台软启动器，每台软启动器负责3台电机的软启动和软停止。其启动控制原理请见图3，启动时完全为电流闭环控制，等到电机加速至额定转速时，电流也降至额定电流，可控硅完全开足，最后软启动器发出运行信号。  

    三、参数设置  

    四、程序设计采用ROCKWELL公司的RSLOGIX500编程软件：  

    五、安装调试注意事项：  
    现场安装和调试是在不影响整个泵站正常供水的情况下进行的，所以事**定要制订详细的施工计划，要求工程公司具备：  
    －有强大的技术实力  
    －有能力协调大量的材料，设备定货，运输和进货等问题  
    －有相应工程的设计，施工经验  
    －有良好的管理制度  

    这次施工就是在与调度充分协调之后，逐泵进行的。调试时也是如此，先选在某一路电源上的3台泵都不用的时候，对这一路的软启动器进行调试；再选择被控制的水泵，将被选中的水泵的出水阀完全关闭，以勉调试工作影响管网；然后开始正式调试动作，注意这时水泵是在打闷水，运行时间较好不要**过1分钟；等这些调试工作都之后，就可以打开出水阀，作满载软启动软停止试验了，这时因为是满载所以软启动的时间会比空载时的长，因此软启动器的参数设置要有一定的余量；最后通过试验，总结数据，得出较佳的控制方式和控制参数，就可以投入试运营了。  

    另外低压大功率电机的配电较为紧凑，因此多数调试要尽量在模拟条件下完成，以减少正式调试时的故障机会。 
 
    六、运行效果及意义：  

    此套控制系统目前已经在真北泵站正式投入运行。六台水泵的出水阀门完全打开，通常情况下对他们不再进行操作。软启动器启动电流设为330%，启动时间约为5-6秒，供电系统承受的启动冲击电流与用自耦变压器启动时的相；软停止时电流较大不**过170%，软停止时间约7秒，对止回阀没有任何冲击。系统从投入使用至今运行正常。  

    此系统的成功应用，将对今后城市供水系统的增压泵站和水库泵站设计和改造带来非常深远的意义：  
    1.由于使用软启动器已能实现水泵电机的满载启动和软停止，水泵的出水阀门可以完全取消；  
    2.大功率软启动器一带多取得成功应用，使得今后多泵泵站电机启动控制系统的成本大幅度下降；  
    3.软启动器本身具有电压及电流保护功能，并有内在的零电流开关特性，使得电动机的保护得到了加强，同时大大减少了接触器的损耗；  
    4.此类系统因为有PLC作为主控制器，以后可以进一步扩展功能

1、引言
     交流异步电动机广泛地应用于国民经济的各个领域，异步电机直接起动存在着起动力矩小、起动电流大、对电网冲击大、起动困难、对机械设备冲击大、电机使用寿命短、维护工作量大、维护费用高等问题。异步电机软起动器可减小电动机硬起动（即直接起动）引起的电网电压降，使之不影响共网其它电气设备的正常运行；可减小电动机的冲击电流，冲击电流会造成电动机局部温升过大，降低电动机寿命；可减小硬起动带来的机械冲力，冲力加速所传动机械（轴、啮合齿轮等）的磨损；减少电磁干扰，冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行。软起动使电动机可以起停自如，减少空转，提高作业率。

     纵观国内外软起动器市场，发达国家的电动机软起动产品主要是晶闸管式软起动器和兼作软起动的变频器。在生产工艺兼有调速要求时，采用变频装置。因变频器的成本较高，因此在没有调速要求的使用场合下，采用晶闸管软起动。晶闸管软起动装置已经是发达国家软起动的主品。国内的软起动器大多采用液阻方式，其优点是。但由于体积大、维护复杂、低温易凝结等缺点，其市场占有的空间正逐渐缩小。磁控式软起动器也因其性价比不高而未能得到市场的认可。而晶闸管式软起动器因为很难解决串联均压问题而未得到推广。 

    本文将介绍一种晶闸管串联装置，很好地解决了高压晶闸管串联均压的问题，使之便于应用于高压电动机软起动器中。

2、静态均压

    晶闸管串联装置原理图见图1所示。其中虚线框内为三只串联的三相可控硅功率串联装置；M为高压软起动器的负载电机，A、B、C分别为高压电网的三相交流输入。以A相串联装置为例，SCRA1～SCRA6 为大功率可控硅器件，它们每三个串联后再反并联组成单相功率串联装置，以实现软起动器对交流电的控制。这6只可控硅选用同一厂家、同一型号、同一生产批次的产品，以减小其在生产过程中由于生产工艺的不同而产生的自身特性诸如伏安特性、反向恢复电荷、开关时间和临界电压上升率等的差异，影响均压。RA1、RA2、RA3为静态均压电阻，用以实现可控硅的静态均压。静态均压电阻选用无感电阻，阻值约为可控硅阻断状态等效阻值的1/40，且功率留有足够大的余量。静态均压电阻的计算通常采用下面的公式：R 
其中：U 为晶闸管额定电压；
      I 为静态重复平均电流；
       近似为漏电流峰值。
    静态均压电阻的功率可由下式求得：
    P≥K×（ ） × 
    其中： 为作用于元件的正向峰值电压；
      N为串联的元件数；
      K为系数，单相为0.25，三相为0.45，直流为1。

3、动态均压

    RA4、RA5、RA6和CA1、CA2、CA3共同组成均压网络，用以实现动态均压。通过选择，各电阻和电容的参数误差非常小，电容的取值根据可控硅的较大反向恢复电荷和较小反向恢复电荷的差值计算求得。均压过程主要是由电容C完成的。串联的各只可控硅开关速度不会完全一致，而会稍有差别。电容C上的电压在静态情况下数值相同，在开关过程中，由于电容上的电压不能突变，强迫各只可控硅上的压降不会发生跳变。由于开关过程中各只可控硅中电流不一致所造成的影响由电容C的充放电补偿。均压网络的RC经验数值参见下表：

4、结论
    通过以上技术手段串联的晶闸管已经成功应用在我公司生产的3KV、6KV、10KV系列高压电动机软起动器中，并达到了良好的效果。晶闸管串联装置具有均压效果好、耐压值高、损耗小、等特点。整机了国内晶闸管式高压大功率交流电动机软起动器的空白，具有起动平滑、对电网冲击小、效、谐波小等特点，维护简单，易于操作。