西門子6SL3320-1TE36-1AA3 S120電機模塊800kW
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如何實現S120 主從控制方案
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1 主從控制方案概述
在變頻器的實際使用過程中，經常由于工藝的要求或者變頻器容量的限制，會采用一個傳動設備是由兩個或多個電機驅動共同配合工作的方案，這種情況下，各驅動電機之間需要保證相同的運行速度，以及轉矩的平均分配，為此，我們需要在驅動電機的變頻器上實現需要的速度及轉矩分配控制要求，變頻器的這種應用我們稱之為主從控制應用。
針對主從控制應用的方案，我們通常在變頻器上采用如下兩種控制方法來實現：
· 直接轉矩分配
· 速度偏差與轉矩限幅
1．1直接轉矩分配
直接轉矩分配方案主要應用于電機之間是硬連接方式，如齒輪、同軸等，電機之間通過連接器保持相同的轉速，如下圖：
圖1
在配置直接轉矩控制方式時，需要將主機設定在速度模式工作，從機設定在轉矩模式工作，將主機的轉矩設定值作為從機的轉矩給定值，這樣保證系統運行時，從機轉矩始終與主機一致，同時因為機械結構的原因，從機速度始終與主機相同，這樣就完成了轉矩的分配。
該方式的特點是，從機轉矩始終跟隨主機轉矩，系統按照主機的速度環運行，轉矩響應比較快。
1．2速度偏差與轉矩限幅
速度偏差與轉矩限幅的方案主要應用于電機之間軟連接方式，如皮帶、繩索等，由于是柔性材料產生的耦合關系，電機之間需要有相同的運行速度，同時保證電機力矩的均勻分配，還要有防止連接斷裂時的保護。
圖2
在速度偏差與轉矩限幅方式時，主機從機都工作在速度模式，主從機的速度設定值相同，然后從機在此基礎上附加+/- 5%-10%左右的速度偏差（與運行方向有關，附加速度大小由實際情況決定），將主機的轉矩值連接到從機的轉矩限幅上。在啟動后，由于速度偏差的存在，連接的材料迅速拉緊，從機的速度環飽和，輸出的轉矩受轉矩限輻限制，從而保證從機的轉矩跟隨主機的轉矩；從機速度受到連接的牽引，與主機速度相同。當發生斷帶時，主從電機工作在各自的速度環模式下，不會發生飛車現象。
該模式的特點是，啟動瞬間主機從機的速度環都起作用，張力的建立比較平緩，避免系統產生振蕩。既保證了速度及轉矩的分配，也對系統進行了保護。
2 S120系統的主從控制方案的配置
實際使用過程中，根據使用的設備類型不同，常見的有幾種不同的硬件配置方案。
2.1 CU310主從配置
使用CU310作為控制單元，主從數據交換可以通過如下兩種方法：
· PROFIBUS DP的SLAVE TO SLAVE通訊；
· 通過TM31端子模塊DI/DO和AI/AO；
a. PROFIBUS DP連接到PLC上（見圖3），此時可以借助PROFIBUS DP的SLAVE
TO SLAVE通訊，實現兩個S120設備之間的數據交換，具體操作說明請參考下面鏈接：
http://www.ad.siemens.com.cn/download/docMessage.aspx?id=4390
圖3
b. 通過TM31端子模塊互相連接（圖4），使用DI/DO和AI/AO完成數據交換。模擬量信號最--好使用電流信號，采用雙絞屏蔽電纜，抗干擾性比較強。
圖4
2.2 CU320主從配置
使用CU320作為控制單元，主從數據交換可以通過如下幾種方法：
· PROFIBUS DP的SLAVE TO SLAVE通訊；
· 通過TM31端子模塊DI/DO和AI/AO；
· Sinamics Link通訊；
· TB30端子擴展板的DI/DO和AI/AO；
· CU320的多軸直接連接；
a. PROFIBUS DP連接到PLC上（見圖5），此時可以借助PROFIBUS DP的SLAVETO SLAVE通訊，實現兩個S120設備之間的數據交換，具體操作說明請參考下面鏈接：
http://www.ad.siemens.com.cn/download/docMessage.aspx?id=4390
圖5
b. 通過TM31端子模塊互相連接（圖6），使用DI/DO和AI/AO完成數據交換。模擬量信號最-好使用電流信號，采用雙絞屏蔽電纜，盡量減少被干擾的可能性。
圖6
c. 通過在CU320擴展插槽增加CBE20通訊板，使用裝置間主從通訊Sinamics Link網絡（圖7），具體配置方法見下面鏈接：
http://www.ad.siemens.com.cn/download/docMessage.aspx?id=5830
圖7
d. 通過在CU320擴展插槽增加TB30端子板，使用I/O端子來實現數據交換（圖8），但是TB30模擬量信號只支持電壓型信號，需要注意可能發生的干擾問題。
圖8
e. 在一個CU320單元連接多個驅動軸的情況下，直接利用軸間變量的互連（圖9），來實現主從控制的數據交換，該種方式下，當CU出現故障，兩臺設備都將無法運行。
圖9
3 S120系統的主從控制方案的配置
3.1 基本調試
在進行主從控制配置時，首先需要完成基本驅動單元的調試，具體步驟參見調試手冊：
http://www.ad.siemens.com.cn/download/SearchResult.aspx?searchText=a0439
圖10 建立項目
3.2 配置主從通訊方式
根據實際使用的主從通訊方式，定義傳輸的數據，下表以網絡通訊為例的主從通訊數據表（僅作參考，實際設定根據需要定義）：
主機發送
主機接收
從機發送
從機接收
控制字
從機狀態字
狀態字
主機控制字
狀態字
自定義
自定義
主機狀態字
轉矩設定值
主機轉矩設定值
速度設定值
主機速度設定值
自定義
自定義
3.3 配置主從工作模式
完成基本調試后，確定電機的優化、運行都正常后，根據配置的主從方案，來進行主從工作模式的設置。
3.3.1 配置直接轉矩分配方式
在直接轉矩工作模式時，主機工作在速度模式，從機工作在轉矩模式，而從機設定為轉矩控制方式共有兩種不同的方法：
a. 通過參數直接選擇轉矩工作模式
選擇從機轉矩工作模式P1300=22 or 23（圖11）,
圖11 電機工作模式設定
然后在轉矩的給定值P1503處（）選則主機的轉矩設定值r079（實際值r080也可以，但是設定值相對波動小）（圖12）。
圖12
將從機的控制字命令源連接到主機的控制字，用來得到相同的啟動邏輯，保證主從設備的同時啟動、停止，并實現故障保護。（圖13 ）
圖13
b. 通過參數切換，旁路速度調節器的輸出到轉矩直接設定
選擇從機轉矩工作在速度模式，P1300=20 or 21，然后設定P1501切換速度模式到轉矩模式，P1503轉矩設定源鏈接主機的轉矩設定r079（圖15）,
圖15
3.3.2 速度偏差與轉矩限幅方式
在速度偏差與轉矩限幅時，主機從機都工作在速度模式，P1300=20or 21，從機的設定速度在主機設定速度的基礎上附加一個偏差速度?V（通常10%，僅作參考），超前或滯后的關系由實際的電機位置決定見下圖：
圖16
A方案工作時：從機的速度設定值滯后主機速度設定值，Nset從= Nset主-?V；
B方案工作時：從機的速度設定值超前主機速度設定值，Nset從= Nset主+?V；
C方案工作時：從機的速度設定值超前主機速度設定值，Nset從= Nset主+?V；
D方案工作時：從機的速度設定值滯后主機速度設定值，Nset從= Nset主-?V；
然后設定轉矩限幅的源P1522連接到主機的轉矩設定值r079（如圖17）
圖17
當啟動后，由于速度偏差的存在，從機與主機間的材料迅速拉緊，從機的速度環快速進入飽和狀態，輸出轉矩由轉矩限幅決定，從而實現了主從負荷分配。
同時對于可能斷帶的材料，該方式起到很好的保護作用。當材料斷開，從機從速度環快速退飽和，轉入速度閉環，不會導致飛車。
