西門子交流6SE7038-2EH85-0AA0

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SIEMENS西門子上海朕鋅電氣設(shè)備有限公司

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1引言
風(fēng)機是工礦企業(yè)的主要動力設(shè)備，據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計，全國風(fēng)機，水泵電動機裝機容量約35000MW，耗電量約占全國電力耗電量的40% 左右。目前，風(fēng)機和水泵運行中還有很大的節(jié)能潛力。在風(fēng)機運行中應(yīng)用變頻器調(diào)速，其節(jié)電率一般可在20%~60%，投資回收期為1~3 年，不僅節(jié)電*，而且能滿足生產(chǎn)工藝的要求，保產(chǎn)品質(zhì)量,經(jīng)濟效益十分顯著。
風(fēng)機在鍋爐中也是重要設(shè)備，工業(yè)鍋爐根據(jù)采用的燃料不同，通常分為燃煤，燃油和燃氣三種。這三種鍋爐的控制系統(tǒng)基本相同，只是燃料量的調(diào)節(jié)手段有所區(qū)別。變頻器在控制系統(tǒng)中可以調(diào)節(jié)送風(fēng)機的送風(fēng)量，引風(fēng)機的引風(fēng)量和燃料的進給量，即實現(xiàn)對鍋爐的精確控制，又達到了節(jié)電和節(jié)省燃料的目的。

2西門子新一代變頻器G150 的特點
G150 是西門子新一代變頻器SINAMICS 家族中的一員，它不僅繼承了Master Drive 的特點，而且具有自身的優(yōu)點。G150 是柜體式單傳動的變頻器，功率范圍75KW~2700KW，進線電壓分為380V~480V，500V~600V，660V~690V 三個電壓等級，控制方式為無速度傳感器的矢量控制 (sensorless vector control) 和矢量控制。無速度傳感器的矢量控制是矢量控制的一種，只是沒有速度傳感器，通過電機模型的計算來估測電動機的速度反饋值。無速度傳感器的矢量控制的控制精度和系統(tǒng)的動態(tài)性能不如帶速度閉環(huán)的矢量控制，但也有系統(tǒng)簡單，無需維護速度傳感器，價格便宜的優(yōu)點，尤其適用于風(fēng)機泵類電機。
傳統(tǒng)的V/f 控制也無需速度傳感器，但對于大功率的風(fēng)機泵類電機，如用V/f 控制無電流環(huán)控制，容易引起電流的波動。無速度傳感器的矢量控制，不僅有速度閉環(huán)而且有電流閉環(huán), 電機的穩(wěn)態(tài)電流更穩(wěn)定。
G150 具有豐富的客戶端子，包括8 個數(shù)字量輸入(DI)，4 個雙向輸入/輸出(DI/DO)，2 點繼電器輸出(DO)，2 個模擬差分輸入(AI)，2 個模擬輸出(AO)，1 個KTY84 溫度傳感器或PTC 敏電阻，±10V 輔助電源用于模擬給定輸入，24V 輔助電源用于數(shù)字量輸入，所有的DI/DO ，AI/AO 都可以自由編程定義功能。與MasterDrive 不同，G150 的客戶端子，不在控制板上，而是在客戶端子板TM31 上。當有端子損壞時，只須更換TM31，節(jié)約了維修成本。
PROFIBUS 接口是G150 的標準配置，無需選件。通過PROFIBUS 可以將G150 連接到更高層的自動化系統(tǒng)。通過PROFIBUS 可以與調(diào)試軟件Starter 連接，便于調(diào)試和存儲參數(shù)。G150 的程序和參數(shù)存儲于Flashcard 中，F(xiàn)lashcard 中的數(shù)據(jù)可用Flashcard 適配器讀取，存儲在硬盤中，或刻成光盤存檔。如有相同功率，相同功能的設(shè)備，可將數(shù)據(jù)直接拷貝
到新的Flashcard 中，不需設(shè)置任何參數(shù).。另外如舊設(shè)備的參數(shù)被調(diào)亂，或Flashcard 損壞也可用以上的方法進行恢復(fù)。

3系統(tǒng)簡介
在這個鍋爐中共有四臺電機使用了G150 變頻器，分別控制蒸汽、熱油、熱煙氣。熱煙氣由2 臺315KW 的電機控制，經(jīng)管道送入主風(fēng)機，用于干燥木漿。2 臺315KW 的G150 變頻器分別控制這兩臺風(fēng)機，通過調(diào)節(jié)G150 的輸出頻率，來控制風(fēng)機的輸出功率，實現(xiàn)對熱煙流量的精確調(diào)控，不僅滿足了工藝的要求，而且比用擋風(fēng)板調(diào)節(jié)熱煙流量更節(jié)能。另兩臺132KW 的電機分別將蒸汽發(fā)生器中的蒸汽和熱油發(fā)生器中的熱油送入混合室中。蒸汽發(fā)生器中的蒸汽輸出量的調(diào)節(jié)可以控制蒸汽發(fā)生器中的壓力和溫度，熱油發(fā)生器中的熱油輸出量的調(diào)節(jié)可以控制熱油發(fā)生器的溫度。G150 也是通過控制電機的輸出功率來調(diào)節(jié)蒸汽輸出量和熱油輸出量，實現(xiàn)對蒸汽發(fā)生器的壓力和溫度，熱油發(fā)生器的溫度的控制。

2 臺132KW 的電機參數(shù)和變頻器型號如下:
132KW 電機參數(shù):
額定功率: 132KW 額定電壓:400V 額定頻率:50HZ
額定電流: 228A 額定轉(zhuǎn)速:1485 r/min 功率因數(shù):0.88
選用的G150 型號:
6SL3710-1GE32-6CA0-Z
輸入: 380V~480V 294A
輸出: 0~480V 260A

2 臺315KW 的電機參數(shù)和變頻器型號如下:
額定功率: 315KW 額定電壓:400V 額定頻率:50HZ
額定電流: 585A 額定轉(zhuǎn)速:990 r/min 功率因素:0.81
選用的G150 型號:
6SL3710-1GE36-1CA0-Z
輸入: 380V~480V 639A
輸出: 0~480V 605A

2 臺132KW 電機用端子控制啟停和模擬量輸入頻率給定。2 臺315KW 電機PROFIBUS 控制，PLC 使用西門子公司的S7-300。

3.1用端子控制的G150 的端子圖如下:
端子X520:1 是DI0 用于控制變頻器的啟/停(即ON/OFF)。端子X542:5， X542:6 是DO1，輸出變頻器的故障信號 (DO1 是繼電器輸出)。 端子X522:1， X522:2 是AO0， 輸出實際速度值。端子X522:4、 X522:5 是AO1，輸出實際電機電流值。端子X521:1，X521:2 是AI0，作為頻率給定.這些端子的功能是出廠設(shè)定，無需修改參數(shù)。
(1) Main Setpoint
(2) ON/OFF command
(3) Analog output actual speed
(4) Analog output motor current
(6) Inverter release
(7) Converter no fault

模擬輸入0(AI0)默認是-10V~10V 的電壓輸入，用戶需要4~20mA 的輸入，所以修改一些參數(shù)。P4056[0]=3，將模擬輸入0 設(shè)置為4~20mA， 因為該模擬輸入波動較大,會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以我加了10mS 的濾波(P4053[0]=10)，從而給定值相對穩(wěn)定。這些設(shè)置如用調(diào)試軟件Starter 修改就十分的簡單、清晰、明了。如下圖所示:

1. 選擇模擬輸入的類型
2. 模擬輸入的端子
3. 模擬輸入的自由標定
4. 一階濾波

3.2用PROFIBUS 控制G150 系統(tǒng)圖如下:

將X530:1 端子的接線斷開，G150 就設(shè)置為PROFIBUS 控制。首先要設(shè)置G150 的PROFIBUS 從站地址，參數(shù)是P0918，該參數(shù)的設(shè)置必須與Step 7 中硬件組態(tài)的地址*。
G150 的PROFIBUS 從站地址也可通過撥碼開關(guān)進行設(shè)置。這兩種設(shè)置中撥碼開關(guān)的硬件設(shè)置優(yōu)先，如撥碼都在OFF 的位置，則以參數(shù)P0918 的設(shè)置為準。G150 的GSD 文件在隨機光盤可找到，文件名是si018105 .GSD。G150 與MasterDrive 的PROFIBUS 數(shù)據(jù)定義相似，PZD1 是控制字/狀態(tài)字，PZD2 是給定值/實際值.控制字的各位定義如下:

4結(jié)束語
該系統(tǒng)用于亞洲創(chuàng)建(河源)木業(yè)有限公司的生產(chǎn)線中，亞洲創(chuàng)建集團致力于中國強化地板事業(yè)的發(fā)展，成功地塑造了”圣象”，”MOBIFLOOR” 等強化地板，河源項目的建設(shè)將打破以往基材*依賴進口，成本居高不下的局面，進一步提升產(chǎn)品的競爭力。該生產(chǎn)線中的鍋爐系統(tǒng)是由Vyncke 公司做的系統(tǒng)集成，Vyncke 是一家比利時公司，成立于1912 年，在燃燒工藝，鍋爐系統(tǒng)自動化控制系統(tǒng)中有著豐富的設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試的經(jīng)驗。西門子新一代變頻器G150 在該項目中,以其豐富的系統(tǒng)功能，可靠的產(chǎn)品性能，精確的控制系統(tǒng)，得到了用戶的*認可。

西門子S7-1200 緊湊型PLC在當前的市場中有著廣泛的應(yīng)用，作為經(jīng)常與SINAMICS G120系列變頻器共同使用的PLC，其USS通信協(xié)議的使用一直在市場上有著非常廣泛的應(yīng)用。本文將主要介紹如何使用USS通信協(xié)議來實現(xiàn)S7-1200與G120變頻器的通信。

1．控制系統(tǒng)原理和接線圖

下圖是本例中所使用的原理和接線圖。

圖1:控制系統(tǒng)原理和接線圖

2．硬件需求
S7-1200 PLC目前有3種類型的CPU：
1）S7-1211C CPU。
2）S7-1212C CPU。
3）S7-1214C CPU。
這三種類型的CPU都可以使用USS通信協(xié)議通過通信模塊CM1241 RS485來實現(xiàn)S7-1200與G120變頻器的通信。

本例中使用的PLC硬件為：
1）PM1207電源 ( 6EP1 332-1SH71 )
2） S7-1214C ( 6ES7 214 -1BE30 -0XB0 )
3) CM1241 RS485 ( 6ES7 241 -1CH30 -0XB0 )
4) 模擬器 ( 6ES7 274 -1XH30 -0XA0 )

本例中使用的G120變頻器硬件為：
1） SINAMICS G120 PM240 （6SL3244-0BA20-1BA0）
2） SINAMICS G120 CU240S（6SL3224-0BE13-7UA0）
3） SIEMENS MOTOR (1LA7060-4AB10)
4） 操作面板 ( XAU221-001469)
5） USS 通信電纜 ( 6XV1830-0EH10)

3．軟件需求

1) 編程軟件 Step7 Basic V10.5 ( 6ES7 822-0AA0-0YA0)

4．組態(tài)

我們通過下述的實際操作來介紹如何在Step7 Basic V10.5 中組態(tài)S7-1214C 和G120變頻器的USS通信。

4. 1 PLC 硬件組態(tài)

首先在Step7 Basic V10.5中建立一個項目，如圖1所示。

圖2： 新建S7 1200項目

在硬件配置中，添加CPU1214C和通信模塊CM1241 RS485模塊，如圖2所示。

圖3： S7 1200硬件配置

在CPU的屬性中，設(shè)置以太網(wǎng)的IP地址，建立PG與PLC的連接，如下圖所示。

圖4： S7 1200 IP地址的設(shè)置

4. 2 G120參數(shù)設(shè)置

變頻器的參數(shù)設(shè)置如下表所示。

表1 ：G120變頻器的參數(shù)設(shè)置西門子交流6SE7038-2EH85-0AA0

注意：表1中的17，18，19，20 這四項參數(shù)值的設(shè)置必須使PLC的參數(shù)值與變頻器的參數(shù)值相*。而19，20這兩個參數(shù)值必須設(shè)置成如表1中的值，否則有可能變頻器與S7-1200通信有如下問題：可能不能讀出從變頻器反饋回來的參數(shù)值。

5．USS通信原理與編程的實現(xiàn)

5. 1 S7 1200 PLC與G120 通過USS通信的基本原理

S7 1200提供了的USS庫進行USS通信，如下圖所示：

圖5： S7 1200 的USS庫

        USS_DRV 功能塊是S7-1200 USS通信的主體功能塊，接受變頻器的信息和控制變頻器的指令都是通過這個功能快來完成的。必須在主 OB中調(diào)用，不能在循環(huán)中斷OB中調(diào)用。
        USS_PORT功能塊是S7-1200與變頻器USS通信的接口,主要設(shè)置通信的接口參數(shù)。可在主OB或中斷OB中調(diào)用。
        USS_RPM功能塊是通過USS通信讀取變頻器的參數(shù)。必須在主 OB中調(diào)用，不能在循環(huán)中斷OB中調(diào)用。
        USS_WPM功能塊是通過USS通信設(shè)置變頻器的參數(shù)。必須在主 OB中調(diào)用，不能在循環(huán)中斷OB中調(diào)用。

這些功能塊與變頻器之間的控制關(guān)系如下圖所示：

圖6： USS 通信功能塊與變頻器的控制關(guān)系

        USS_DRV功能塊通過USS_DRV_DB數(shù)據(jù)塊實現(xiàn)與USS_PORT功能塊的數(shù)據(jù)接收與傳送，而USS_PORT功能塊是S7-1200 PLC CM1241 RS485模塊與變頻器之間的通信接口。USS_RPM功能塊和USS_WPM功能塊與變頻器的通信與USS_DRV功能塊的通信方式是相同的。

        每個S7-1200 CPUzui多可帶3個通信模塊，而每個CM1241 RS485通信模塊zui多支持16個變頻器。因此用戶在一個S7-1200 CPU中zui多可建立3個USS網(wǎng)絡(luò)，而每個USS網(wǎng)絡(luò)zui多支持16個變頻器，總共zui多支持48個USS變頻器。

5. 2 S7 1200 PLC進行USS通信的編程

1．USS通信接口參數(shù)功能塊的編程
USS通信接口參數(shù)功能塊的編程如下圖所示。

圖7： USS通信接口參數(shù)功能塊的編程

USS_PORT功能塊用來處理USS網(wǎng)絡(luò)上的通信，它是S71200 CPU與變頻器的通信借口。每個CM1241 RS485模塊有且必須有一個USS_PORT功能塊。

PORT：指的是通過哪個通信模塊進行USS通信。
BAUD：指的是和變頻器進行通行的速率。 變頻器的參數(shù)P2010種進行設(shè)置。
USS_DB：指的是和變頻器通信時的USS數(shù)據(jù)塊。每個通信模塊zui多可以有16個USS數(shù)據(jù)塊，每個CPUzui多可以有48個USS數(shù)據(jù)塊，具體的通信情況要和現(xiàn)場實際情況相。每個變頻器與S7-1200進行通信的數(shù)據(jù)塊是*的。
ERROR：輸出錯誤。
STATUS：掃描或初始化的狀態(tài)。
S7-1200 PLC與變頻器的通信是與它本身的掃描周期不同步的，在完成一次與變頻器的通信事件之前，S7-1200通常完成了多個掃描。
USS_PORT通信的時間間隔是S7-1200與變頻器通信所需要的時間，不同的通信波特率對應(yīng)的不同的USS_PORT通信間隔時間。下圖列出了不同的波特率對應(yīng)的USS_PORTzui小通信間隔時間。

圖8：不同的波特率對應(yīng)的USS_PORTzui小通信間隔時間

        USS_PORT在發(fā)生通信錯誤時，通常進行3次嘗試來完成通信事件，那么S7-1200與變頻器通信的時間就是USS_PORT發(fā)生通信超時的時間間隔。例如：如果通信波特率是57600，那么USS_PORT與變頻器通信的時間間隔應(yīng)當大于zui小的調(diào)用時間間隔，即大于36.1Ms而小于109Ms。S7-1200 USS 協(xié)議庫默認的通信錯誤超時嘗試次數(shù)是2次。
        基于以上的USS_PORT通信時間的處理，我們建議在循環(huán)中斷OB塊中調(diào)用USS_PORT通信功能塊。在建立循環(huán)中斷OB塊時，我們可以設(shè)置循環(huán)中斷OB塊的掃描時間，以滿足通信的要求。循環(huán)中斷OB塊的掃描時間的設(shè)置如下圖所示：

圖9：循環(huán)中斷OB塊的掃描時間的設(shè)置 

2．USS_DRV功能塊的編程
USS_DRV功能塊的編程如下圖所示。

圖10： USS_DRV功能塊的編程

USS_DRV功能塊用來與變頻器進行交換數(shù)據(jù)，從而讀取變頻器的狀態(tài)以及控制變頻器的運行。每個變頻器使用*的一個USS_DRV功能塊，但是同一個CM1241 RS485模塊的USS網(wǎng)絡(luò)的所有變頻器（zui多16個）都使用同一個USS_DRV_DB。

USS_DRV_DB：變頻器進行USS通信的數(shù)據(jù)塊。
RUN：                 DB塊的變頻器啟動指令。
OFF2：                 緊急停止，自由停車。 該位為0時停車。
OFF3：                 快速停車，帶制動停車。 該位為0時停車。
F_ACK：             變頻器故障確認。
DIR ：                 變頻器控制電機的轉(zhuǎn)向。
SPEED_SP：       變頻器的速度設(shè)定值。

ERROR：          程序輸出錯誤。
RUN_EN：        變頻器運行狀態(tài)指示。
D_DIR：           變頻器運行方向狀態(tài)指示。
INHIBIT：        變頻器是否被禁止的狀態(tài)指示。
FAULT：           變頻器故障。
SPEED：           變頻器的反饋的實際速度值。

DRIVE：           變頻器的USS站地址。變頻器參數(shù)P2011設(shè)置。
PZD_LEN：      變頻器的循環(huán)過程字。 變頻器參數(shù)P2012設(shè)置。

注意：變頻器的PKW的長度在這里是特殊需要注意的，在使用USS通信時必須是4，如果改成3或者127都將不能讀取反饋回來的過程值。

3．USS_RPM功能塊的編程

USS_RPM功能塊的編程 如下圖所示。

圖11：USS_RPM功能塊的編程

USS_RPM功能塊用于通過USS通信從變頻器讀取參數(shù)。

REQ：         讀取參數(shù)請求。
DRIVE：     變頻器的USS站地址。
PARAM：   變頻器的參數(shù)代碼。
INDEX：     變頻器的參數(shù)索引代碼
USS_DB：  變頻器進行USS通信的數(shù)據(jù)塊。

DONE：     讀取參數(shù)完成。
ERROR：  讀取參數(shù)錯誤。
STATUS： 讀取參數(shù)狀態(tài)代碼。
VALUE：   所讀取的參數(shù)的值。

注意：進行讀取參數(shù)功能塊編程時，各個數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型一定要正確對應(yīng)。如果需要設(shè)置變量讀取參數(shù)時，注意該參數(shù)變量的初始值不能為0，否則容易產(chǎn)生通信錯誤。

4．USS_WPM功能塊的編程

USS_WPM功能塊的編程如下圖所示。

圖12：USS_WPM功能塊的編程

USS_WPM    功能塊用于通過USS通信設(shè)置變頻器的參數(shù)。
REQ：         讀取參數(shù)請求。
DRIVE：     變頻器的USS站地址。
PARAM：   變頻器的參數(shù)代碼。
INDEX：     變頻器的參數(shù)索引代碼。
EEPROM：把參數(shù)存儲到變頻器的EEPROM。
VALUE：    設(shè)置參數(shù)的值。
USS_DB：   變頻器進行USS通信的數(shù)據(jù)塊。

DONE：      讀取參數(shù)完成。
ERROR：   讀取參數(shù)錯誤狀態(tài)。
STATUS：  讀取參數(shù)狀態(tài)代碼。

注意：對寫入?yún)?shù)功能塊編程時，各個數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型一定要正確對應(yīng)。如果需要設(shè)置變量進行寫入?yún)?shù)值時，注意該參數(shù)變量的初始值不能為0，否則容易產(chǎn)生通信錯誤。

5. 3 S7 1200 PLC進行USS通信的調(diào)試

S7-1200 PLC 通過CM1241 RS485模塊與變頻器進行USS通信時，需要注意如下幾點：

1. 當同一個CM1241 RS485 模塊帶有多個（zui多16個）USS變頻器時，這個時候通信的USS_DB是同一個，USS_DRV功能塊調(diào)用多次，每個USS_DRV功能塊調(diào)用時，相對應(yīng)的USS站地址與實際的變頻器要*，而其它的控制參數(shù)也要*。
2. 當同一個S7-1200 PLC 帶有多個CM1241 RS485模塊（zui多3個）時，這個時候通信的USS_DB相對應(yīng)的是3個，每個CM1241 RS485模塊的USS網(wǎng)絡(luò)使用相同的USS_DB,不同的USS網(wǎng)絡(luò)使用不同的USS_DB。
3. 當對變頻器的參數(shù)進行讀寫操作時，注意不能同時進行USS_RPM和USS_WPM的操作，并且同一時間只能進行一個參數(shù)的讀或者寫操作，而不能進行多個參數(shù)的讀或者寫操作。

在S7-1200 PLC 與變頻器的USS通信的實際使用過程中，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場情況，對問題進行具體的解決。

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西門子勵磁板
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