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西門子132千瓦變頻器
6SE6430-2UD41-3FB0
MICROMASTER 430 無濾波器 380-480V+10/-10% 三相交流 47-63Hz 二次矩 132kW 過載 110% 59S，150% 1S 1400x 326x 356（高x寬x深） 防護(hù)等級 IP20 環(huán)境溫度 0-40°C 無 AOP/BOP
ET200Pro系列產(chǎn)品做為西門子分布式IO系列產(chǎn)品中的一種，具有高IP67的防護(hù)等級，成為特殊行業(yè)應(yīng)用的主要產(chǎn)品之一。同時，ET200Pro還提供了故障安全模板：F-DI/F-DO以及電機(jī)啟動器（MotorStarter）、故障安全型變頻器（F-FC）等，滿足了行業(yè)中的故障安全應(yīng)用的需求。本文將主要介紹ET200Pr*安全型變頻器的調(diào)試和使用的方法。
1 ET200Pr*安全系統(tǒng)介紹
與ET200S系統(tǒng)類似，ET200Pro也提供了全系列的故障安全模板。
1) 故障安全型輸入/輸出模板（F-DI/F-DO）
ET200Pro的故障安全型輸入/輸出的模板的使用與ET200M，ET200S等分布式IO的安全模板使用方法相同。
2）電機(jī)啟動器（MotorStarter）
ET200Pro的電機(jī)啟動器模板（MotorStarter）中，提供了一些特殊的模板，比如F-RSM和ASM-400，電機(jī)啟動器模板（MotorStarter）如果配合F-RSM和ASM-400使用可以達(dá)到SIL3(Cat.4)的安全等級（圖1）。
圖1 故障安全型電機(jī)啟動器（MotorStarter）系統(tǒng)配置(Cat.4)
具體配置列表請參照手冊：SIMATIC ET 200pro Motor starters
3）故障安全型變頻器（F-FC）
ET200Pro F-FC是一款嵌入在ET200Pro系統(tǒng)中的緊湊型的故障安全型變頻器。工作電壓為3 AC 400V 50/60Hz，連接3相交流電機(jī)，大1.1KW，溫度允許的情況下，可以連接1.5KW電機(jī)。
該變頻器可以通過PROFIBUS/PROFINET的接口模板進(jìn)行連接調(diào)試，也可以使用光纖轉(zhuǎn)串口的電纜進(jìn)行連接。
ET200Pro變頻器需要與前面提到的電機(jī)啟動模塊中的特殊模塊一起使用來對其關(guān)斷信號進(jìn)行評估，因而系統(tǒng)中需要F-Switch 或F-RSM（圖2）。
圖2 故障安全變頻器與F-RSM的配置
其中主要的模板包括：
③接口模板
可以連接變頻器模板的接口模板包括：
1) IM154-4 PN HF Cu V6.0 (6ES7 154-4AB10-0AB0)
2) IM154-2 DP HF (6ES7 154-2AA00-0AB0)
④F-RSM或者F-SWITCH
⑤故障安全型變頻器（F-FC）
⑥終端模塊
2 ET200Pro F-FC的調(diào)試方法
ET200Pro F-FC的組態(tài)可以通過Step7軟件來實(shí)現(xiàn)。但變頻器模板的調(diào)試工具需要用到DriveES（或者Starter、MotionScout）等軟件。如果系統(tǒng)中使用了F-Switch，則需要MotorStarter ES軟件來設(shè)置相關(guān)Switch的參數(shù)。
2．1 Step7的組態(tài)
（1）新建一個S7 300站，這里選擇CPU 317F-2 PN/DP做為F主機(jī)，IM154-4 PN HF Cu V6.0做為F設(shè)備。（圖3）
圖3 新建S7 300站
硬件組態(tài)中，添加F-RSM；由于ET200Pro F-FC沒有Profisafe報文，因而只能添加標(biāo)準(zhǔn)報文F-FC 1.1/1.5KW Standard telegram1。(圖4)
圖4 添加硬件
分別雙擊兩個模板，打開屬性框，將診斷選項(xiàng)使能。
（2）雙擊CPU，設(shè)置CPU的參數(shù)。
選擇F 參數(shù)，為故障安全程序設(shè)置密碼（圖5），防止有未經(jīng)授權(quán)的人修改F程序。
圖5 設(shè)置F程序的密碼
選擇“Protection”，設(shè)定CPU程序的訪問保護(hù)密碼，同時將“CPU contains safety program”激活（圖6）。
圖6 保護(hù)選項(xiàng)
保存編譯后，我們可以看到在Step7的Block下，出現(xiàn)了一些相關(guān)F系統(tǒng)的功能塊，但由于ET200Pro F-FC沒有Profisafe的報文，因而這里實(shí)際上并沒有關(guān)于ET200Pro F-FC的F系統(tǒng)塊，這也是ET200Pro F-FC與ET200S F-FC或者G120F、S120F的不同之處，因而ET200Pro F-FC的安全功能是通過F-RSM或F-Switch來實(shí)現(xiàn)的。
至于如何建立Step7的F程序，這里不再詳細(xì)介紹，請參考相關(guān)手冊。
2．2 F-FC的調(diào)試
ET200Pro F-FC的調(diào)試需要用到Drive的一些軟件。通過Step7界面，雙擊變頻器模板，則可以打開相應(yīng)的調(diào)試軟件的界面。
（1） 雙擊打開調(diào)試界面，選擇“在線”。
圖7 選擇在線連接到F-FC
如果無法在線操作，則檢查“Option”菜單下的“Set PG/PC interface”的設(shè)置，選擇合適的接口用于連接F-FC。
（2） 選擇“上載”，將系統(tǒng)配置自動上傳到PG。
圖8 上傳參數(shù)
在“Functions”下選擇“Safety Integrated”進(jìn)行安全功能的設(shè)置。注意這個選項(xiàng)只有在“在線”的模式下才可以操作。
圖9 選擇安全功能設(shè)置
（3） 打開設(shè)定界面，可以看到ET200Pro F-FC提供3種安全功能：
STO、SS1和SLS。
在ET200Pro F-FC的內(nèi)部，有兩條F功能總線“Safety busbar G1” 和“Safety busbar G2”?？梢酝ㄟ^“Enables”選擇這兩條安全總線回路中的安全功能。如圖10所示，由于F-RSM只提供一個安全回路開關(guān)(F0)，故這里只選擇了“Safety busbar G1”的SLS（F0）。如果系統(tǒng)中使用了F-Switch，則可以設(shè)置兩個安全功能回路。
圖10 選擇安全功能
（4） 分別設(shè)定安全功能的參數(shù)
STO：安全轉(zhuǎn)矩關(guān)斷。該功能激活后，變頻器內(nèi)部的電源被切斷，電機(jī)進(jìn)入自由停車狀態(tài)。（圖11）
圖11 STO的參數(shù)設(shè)置界面
這里的設(shè)置都是關(guān)于安全回路測試的：當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)正常時，是否進(jìn)行回路測試，用來保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，以及及時檢查系統(tǒng)錯誤。T=8小時的設(shè)置也是保證系統(tǒng)的自檢測的時間。
SS1:安全停車指令1。當(dāng)SS1被激活時，系統(tǒng)按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行停車。否則進(jìn)入故障狀態(tài)，并終進(jìn)入STO。
圖12 SS1的參數(shù)設(shè)置界面
Standstill:截止頻率。當(dāng)停車過程中，頻率達(dá)到該設(shè)定值時，進(jìn)入STO狀態(tài)。
Tr：停車時間設(shè)定；
Tv: 延時監(jiān)控時間。超出該設(shè)定值，變頻器進(jìn)入故障狀態(tài)，同時馬上進(jìn)入STO狀態(tài)。
SLS：安全限速。安全限速有4種模式，分別對應(yīng)4種安全限速的動作。這里需要定義安全限速的設(shè)定值“Setpoint”，上限值“Upper limit”和選擇模式。
西門子132千瓦變頻器
圖13 SLS的參數(shù)設(shè)置界面
參數(shù)設(shè)定和修改都需要“Accept settings”才能生效。這里需要輸入密碼和進(jìn)行驗(yàn)證。
圖14 參數(shù)修改和生效
2．3 F-RSM的調(diào)試
ET200Pro F-FC的F功能需要通過F-RSM或者F-Switch來實(shí)現(xiàn)（見圖15），因而需要對F-RSM進(jìn)行設(shè)置。
圖15 ET200Pro F-FC與F-RSM/F-Switch的配置原理圖
（1）F-RSM的連線
圖16 F-RSM組件
其內(nèi)部原理圖為：
圖17 F-RSM的原理圖
F-RSM內(nèi)部為一個3TK2841的安全繼電器，其中輸入端子為IN1/IN2，可以用于連接急停按鈕；IN3做為3TK2841的“monitered START”輸入端，當(dāng)選擇“自動啟動”時，該端子可以不接。
輸出“OUT”做為3TK3841的功能輸出連接端子，內(nèi)部busbar總線將“F0”輸出到F-FC,做為安全功能的激活信號。
a.IN1可以連接一個單通道或者雙通道的“急停”信號，其端子接線方式為：
圖18 IN1的連接
b.“Start”信號的接線方式： c. “OUT”信號的接線：
圖19 啟動信號的連接 圖20 輸出信號的連接
單通道以及雙通道的選擇，自動啟動與手動啟動的選擇是通過切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)的：
圖21 選擇開關(guān)的模式設(shè)置
（2） 激活安全功能
當(dāng)急停信號為“1”時，系統(tǒng)正常工作，此時“F0”狀態(tài)為“1”。當(dāng)急停被按下時，表示系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)危險狀況，應(yīng)當(dāng)啟動相應(yīng)的安全功能，此時“F0”變?yōu)?ldquo;0”，此時，應(yīng)通過busbar將F0信號傳送至F-FC，變頻器激活相應(yīng)的安全功能。
注意：系統(tǒng)中的F-RSM的供電是通過電源端子提供的，因而在連接接口模板的電源端子時，應(yīng)當(dāng)連接兩路電源（DC 24V），否則F-RSM內(nèi)部的3TK2841處于失電狀態(tài)，從其運(yùn)行燈的狀態(tài)可以判斷該路電源是否有連接（圖22）。
圖22 電源的連接
在變頻器應(yīng)用中，為了防止電機(jī)由于過電流或外部原因?qū)е逻^熱而被損壞，設(shè)定電機(jī)的溫度保護(hù)功能。即當(dāng)電機(jī)的溫度超過一定值時，變頻器跳閘(OFF2)。通常情況下，溫度保護(hù)有以下兩種方式：
通過電機(jī)的溫度模型對電機(jī)進(jìn)行保護(hù);
當(dāng)我們對變頻器進(jìn)行快速調(diào)試時，變頻器會根據(jù)電機(jī)相關(guān)參數(shù)，如功率、電流等參數(shù)來建立電機(jī)溫度模型。對于西門子標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，電機(jī)模型數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，但對于第三方電機(jī)，在完成快速調(diào)試之后，建議用戶做電機(jī)參數(shù)自動識別，如參數(shù)(P0340, P1910)，建立電機(jī)等效電路數(shù)據(jù)，以便更好地計算電機(jī)內(nèi)部能量損失。
在變頻器運(yùn)行過程中，變頻器會實(shí)時監(jiān)控實(shí)際輸出電流，通過I2t 計算來判斷電機(jī)是否過溫，當(dāng)I2t 計算結(jié)果超過P0614 (對于MM420), P0604(對于 MM440,MM430)里所限定的溫度時，變頻器會采取在P0610中所設(shè)定的措施，如報警、跳閘等。如下圖1所示：
圖 1 電機(jī)溫度保護(hù)模型
注：利用電機(jī)溫度模型對電機(jī)進(jìn)行溫度保護(hù)是西門子標(biāo)準(zhǔn)傳動中所有產(chǎn)品具備的功能。
通過溫度傳感器進(jìn)行外部保護(hù)
常見的溫度傳感器有兩種：PTC; KTY84。
1）PTC 傳感器：
PTC(Positive-Temperature-Characteristic)傳感器是一個具有正溫度特性的電阻。在常溫下，PTC 電阻的阻值不高（50-10O歐姆）。一般情況下，電動機(jī)里是把三個PTC 溫度傳感器串聯(lián)連接起來（根據(jù)電動機(jī)制造廠家的設(shè)計），這樣，“冷態(tài)”下的PTC 電阻值范圍為150 至300 歐姆。PTC 溫度傳感器也常常稱為“冷導(dǎo)體”。但是，在某一特定溫度時，PTC 的阻值會急劇上升。電動機(jī)制造廠家是根據(jù)電動機(jī)絕緣的常規(guī)運(yùn)行溫度來選擇這一特定溫度的。由于PTC 傳感器是安裝在電動機(jī)的繞組中，這樣，就可以根據(jù)電阻值的變化來判斷電動機(jī)是否過熱。PTC 溫度傳感器不能用來測量溫度的具體數(shù)值。
對于變頻器：MM440;MM430;G120提供了電機(jī)溫度傳感器的接口，PTC 傳感器保護(hù)可以與電機(jī)溫度模型同時工作。例如MM440,當(dāng)電動機(jī)的PTC已經(jīng)接到MM440 變頻器的控制端14 和15 時，只要選擇P0601＝1（采用PTC 溫度傳感器）激活電動機(jī)溫度傳感器的功能，那么，MM4變頻器就會知道電機(jī)的狀態(tài)，過熱時變頻器就會故障跳閘使電動機(jī)得到保護(hù)。
如果PTC 電阻值超過2000 歐姆，變頻器將顯示故障F0004（電動機(jī)過溫）。 如果PTC 電阻值低于100 歐姆，變頻器將顯示故障F0015（電動機(jī)溫度檢測信號丟失）。這樣，當(dāng)電動機(jī)過熱和溫度傳感器斷線時，都能使電動機(jī)得到保護(hù)。
此外，電動機(jī)還受到變頻器中電動機(jī)溫度模型的監(jiān)控，如下圖，傳感器與溫度模型構(gòu)成“或”關(guān)系，形成了一個電動機(jī)過熱保護(hù)的冗余系統(tǒng)。
2）KTY84 傳感器：
KTY84 傳感器的原理是基于半導(dǎo)體溫度傳感器（二極管），其電阻值的變化范圍從0℃時的500 歐姆可到300℃時的2600歐姆。KTY84 具有正的溫度系數(shù)，但與PTC 不同，它的溫度特性幾乎是線性的。電阻的性能可以與具有很高溫度系數(shù)的測量電阻兼容。
如果KTY84 傳感器被激活(P0610=2)，變頻器會對KTY傳感器的阻值進(jìn)行監(jiān)控，同時變頻器也根據(jù)電動機(jī)溫度模型自動計算電動機(jī)的溫度。KTY84 傳感器識別出斷線時，就發(fā)出報警信號A0512（電動機(jī)溫度檢測信號丟失），并自動切換到電動機(jī)的溫度模型。如下圖2：
圖 2 溫度模型與傳感器回路
對于變頻器MM420、G110，沒有提供溫度傳感器接口，我們能夠通過電機(jī)溫度模型對電機(jī)進(jìn)行溫度保護(hù)，同時，我們也可以用數(shù)字端子觸發(fā)外部故障的方式來保護(hù)電機(jī)，因?yàn)閷τ谕ǔ５臏囟葌鞲衅鳎漭敵鲎杩箷S溫度成線性關(guān)系變化，如下圖3所示。因此傳感器的阻抗能夠反映當(dāng)前電機(jī)溫度，我們可以按照圖4連接方式，隨著傳感器阻值增大，端子5上的電壓會逐漸增大。當(dāng)電壓超過數(shù)字量的觸發(fā)電壓時，數(shù)字端子有效，觸發(fā)外部故障跳閘。設(shè)置參數(shù)如下： P0701, P0702 or P0703 = 29.
圖 3 電阻與溫度關(guān)系曲線
圖 4 外部端子觸發(fā)故障
另外，我們也可以利用溫度繼電器來觸發(fā)外部故障，如在西門子低壓產(chǎn)品中，有可以用來測量電機(jī)溫度的繼電器，如3RS1000-1CK10，我們可以設(shè)定一個限定值，當(dāng)電機(jī)溫度超過此值時，繼電器動作，觸發(fā)外部跳閘。
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