西门子模块6ES253-1AA22-0XA0原装代理

1 引言

自动打包机是现代高速线材生产线特有的设备，它集机械、电气、液压控制为一体，动作准确，为现代化的线材生产线构筑了一道靓丽的风景线。

我厂2004年9月从瑞典SUND-BIRSTA公司引进的PCH-4KNB/5000P型打包机，于2004年底投入使用。该设备位于高线的精整区，对由P-F线的C型勾输送过来的水平盘卷(卷重800~2800kg，外径/内径为φ1250/850mm)进行自动水平压实，并用打包线沿线卷方向成90°等分打四个平行接头。

打包后的线卷小长度大约为600mm，大大方便了盘卷的储藏、运输。

本文首先结合瑞典方面提供的外文技术资料及自己的理解，对自动打包机的自动化构成及动作过程进行介绍。然后根据近两年的现场维护经验，对该打包机日常维护中出现的
故障进行总结分析。

2 控制系统配置

2.1 控制系统的硬件配置

打包机的PLC系统是由一套S7 315-2DP和七套ET200S及一套E900组成，具体配置如图1所示。

PLC主站采用西门子公司S7-300系列的CPU315-2DP，通过DP网与其它从站进行数据通讯，并进行数据处理。高速计数器模板型号为6ES7 138-4DA03-0AB0，共7块，拥有脉冲编码器7个。其中，G1、G2分别为1#、2#压实车位置和速度反馈;G3为升降台位置反馈;1S18、2S18、3S18、4S18为送线装置的位置反馈。

2.2 控制系统的硬件配置

(1) PLC软件采用西门子的STEP7 V5.2;

(2) HMI软件采用Beijer
Electronics公司的E_DESIGNER_V6.13。图2为打包机的主画面。

●通过画面可以看到打包机各部分的基本状态。使用时只需通过画面边上的功能键即可进行相应操作和画面的切换，简单实用;

●具备调整功能，可对许多参数进行调整，例如压实力、升降高度等;

●可提供打包机的诊断信息，当打包机出现故障时，该系统将显示有关的HMI画面。

3 控制原理及功能

3.1 液压系统

液压系统为打包机的核心部分，其工作的可靠性直接决定了打包机动作是否正常可靠，这其中油温控制就成为打包机液压控制部分的关键。本系统采用PT100作为测量元件，测量值直接送入8#站的模拟量输入模板的个通道PIW248。在PLC程序中，该温度值每5s检测一次，经过程序工程量化后传入数据块DB80中的DBW0。

油温的控制要求:油温T>65℃:报警并停泵;油温T≥60℃:报警但不停泵;油温T＜20℃:报警但不停泵;油温T＜15℃:报警并停泵;油温T＜30℃:加热器启动;油温T≥35℃:加热器停止。

3.2 打包机主体

(1)升降台在两个液压缸的推动下，可沿垂直方向上下移动。实现压实、打包操作期间，支撑盘卷并使其对正中心的功能，动作共分两步。接近开关S10(升降台初始位检测)、编码器G3(检测升降台高度)。升降台的两次升降高度均可由画面更改;

(2)打包机的4套弯曲线道系统安装在2#压实车上，并由一根中心轴导向。打包机动作时，线道系统在液压马达的驱动下，向1#压实车水平移动。接近开关S13(线道前位)、S14(线道初始位)、S15(线道向前减速位)、S16(线道向后减速位);

(3)2#压实车依靠车轮在轨道中移动，支撑可移动线道系统。压实动作是由固定在轨道上的两个液压缸驱动。接近开关S6(2#压实车初始位)、编码器G2(2#压实车前进速度和位置)、光电开关S8(检测2#压实车进入待打包线卷区);

(4)1#压实车与2#压实车结构相似，但其上面装有4个送线机构，4个打包头。接近开关S3(1#压实车初始位)、编码器G1(1#压实车前进速度和位置)、接近开关S12(检测线道闭合)。送线机构主要由送线轮和导轮组成，通过液压马达驱动。接近开关S4(检测送线机构中是否有线)，编码器S18(送线长度，控制送线/拉直捆线)。打包头主要由扭结、剪切和夹紧机构组成。整个打包头可整体由送线位置S20(打包头初始位)移至打包位置。S1(扭结装置在扭结位)，S2(扭结装置在送线位)，S3(扭结是否结束)，S5(夹紧机构中是否有线夹紧)。

(5) 打程。当带有盘卷的钩子停在打包机中心线位置，定位夹紧器闭合锁定，并发出信号启动打包机的工作循环:
●线架电磁阀得电，气动抱闸打开;
●1#、2#压实车在液压缸的驱动下同时向盘卷移动。同时，升降台提升;
●1#、2#压实车压实盘卷的同时线道系统闭合;
●送线机构送出捆线;
●当捆线经过S4时,编码器S18开始记8700个脉冲,当线经过S2后,再记395个脉冲,并且开始减速,一直到捆线夹紧位,线被夹住不动;
●捆线拉紧并将剩余的捆线送回线库;
●完成扭结，剪切装置切断打包线;
●线道系统后退;

●线道系统和压实车返回初始位。同时升降台下降至初始位，打包好的盘卷挂在C型钩上。
对于大盘卷整个过程大约32S。

(6)安全防护装置。4KNB型打包机在安全方面借鉴了以往的经验，采取了一系列手段，保证了设备的安全运行。操作台设置了检修用钥匙开关，当此开关被按下并拔下钥匙后，则主操作台不能进行操作。四个送线机构上的机旁箱均设置急停按钮。一个便携式操作箱，维修时可用来操作打包头，此时，主操作台上的一切操作都被禁止。只有当操作箱插入主操作台插座时，主操作台才能进行操作，否则，主操作台上除紧急停车指令外，其它指令都被锁定。

4 日常故障分析表
如附表所示。


点击看原图

5 结束语
打包机自瑞典SUND BIRETA引进以来，虽然在使用中也曾出现过许多问题，但基本上满足了当初的合同要求，平均扭结失败率小于0.4％，扭结抗拉强度大于原线材抗拉力的92％。系统采用S7-300与E900相结合的DP网通讯方式，控制精度高，可靠性强，同时增强的系统自诊断功能，方便了维护，提高了设备作业率

我公司由于生产工艺的要求，需要使用干燥的压缩空气，而实现压缩空气干燥的任务就落在冷冻干燥机身上。我们现在共有冷冻干燥机有7台，开启的台数视具体情况而定，平时的露点温度控制在3度以下，并且要保护在全天24小时内无间断地供应符合要求的干燥压缩空气。否则就会对整个生产线构成重大的影响，所以冷冻干燥机的平稳运行对于我们来说是很重要的。
冷冻干燥机的工作流程如下：
开机：开启主电源----按下启/停钮----当露点温度低于3度时----手动开启出气阀送出干燥气----随时监测出气口的压力露点(当露点超标时应及时关闭出气阀)
停机：关闭出气阀----在出气阀关闭两分钟后关闭主机电源
由于设备供应商没有一套专门的控制系统，为此我们自行设计制作了一套冷干机自动轮换控制系统来控制整个干燥系统的自动运行：
1，当有一台出现故障时就自动停机，并启动相应的备用设备，同时通过无线网络通知设备负责人有设备处于故障状态需要检修，检修好后的设备同时处于备用状态；
2，每台设备规定有长使用时间，即当此设备即使无故障连续运行，当它达到规定保养的时间后，系统将会投入备用的设备，当备用设备正常运行后，停下当前需要保养的设备，在其保养结束后同时作为下一备用设备（待机）。
整个控制系统的核心选用三菱FX2N系列PLC。

设备工况定义

运行1：设备已经启动，但没有向外供应干燥气（出气阀未开启）
运行2：设备已经启动，同时向外供应干燥气（出气阀开启）
待机：设备没有启动，并且无故障
故障：设备无法投入运行，等待维修

控制流程：
整个控制系统分为“手动”和“自动”两种工作模式。
在“手动”状态下，我们可以手动控制冷冻干燥器的启停以及出气阀的开闭，此功能仅在维修及设备调试时使用。
在“自动”状态下，在设备初始开机时，我们可以根据目前的形式选择设备投入的台数，需要开启的设备只需要将“自动”区域该台设备所对应的绿色按钮按一下即可，PLC可按照设定的程序完成整个设备的启动，检测等一系列后续工作。同样道理，当需要减少运行的设备数时，我们只需将相应设备对应的绿色按钮（与启动时按的绿色按钮是同一个）按下并保持3秒钟以上，所对应的设备将按规定的程序停机。避免了在手动过程中的某些误操作。（流程图见附图）
在“自动”状态下，设备一旦启动，其所对应的定时器与检测系统也随之启动：
1、 设备初启动时处于“运行1”的状态，定时器与检测系统启动。
2、 在规定的时间内（10分钟），如果设备没有从“运行1”切换到“运行2”，表明该设备故障，系统会自动关闭故障机同时向下检查台备用机（处于“待机”状态），并且开启该备用机。同时在控制柜上给出故障机的声光报警信息并将此报警信号通过无线通讯网络发送到值班人员的手机上，做到及时发现，及时维护。保证整个系统的顺利运行。
3、 当设备正常启动后，压力露点仪会一直监控干燥机的输出露点，当监测到输出露点超标时，系统会自动关闭干燥机的出气阀门，避免不合格的气体流入生产线，同时检测下一台备用机，确认处于“待机”后，开启该备用机。退出故障设备，同时给出故障机的声光报警信息并将此报警信号通过无线通讯网络发送到值班人员的手机上。
4、 当设备连续运行时间到（定时器时间到）时，系统将检测下一台备用机，确认处于“待机”后，开启该备用机，待备用机工作正常后，退出定时时间到的设备，并通过无线通讯网络发送相关信息到值班人员手机上，通知进行定时的维护保养工作。
5、 在任何时候，均可以增加或减少当前运行设备的数量，系统会按照新的设定数量进行控制。

总结：

该系统操作方便，结构简单，运行可靠，大大降低了值班人员的劳动强度，提高了自动化水平及其系统运行的稳定性，可靠性，实现了系统的无人化运行。在该系统运行三年多的时间内，没有出现任何的故障。

1 引言

起重机的动力传动具有其较特殊的一面，它具有大惯量、四象限运行、恒力矩传动的特点。用于水电厂机组安装用的桥式起重机由于其工作环境和使用要求又具有以下特点:工作强度不大(A3)，但电气工作周期较长，初期的使用环境较为恶劣、工作强度较大，起重量大，就位精度及低速稳定性要求高。

传统的起重机调速方法较多，但都存在调速范围小、速度稳定性差、无法长时间低速下降载荷等缺点。近年来，随着电力电子技术日新月异的发展，变频调速在各种传动场合的应用成为一种趋势。变频调速作为一种调速方法20世纪初就已经提出来，其发展一直十分迅速，它在节能，降低噪音，维护量小，自控性能好等方面的优点非常突出。但各类变频器均有各自的特点和差异，本文就西门子变频器在水电站桥式起重机中的应用和选配作简单介绍。

2 系统简介

贵州乌江渡扩机工程是我国西电东送工程首批启动的项目之一，主厂房安装有一台2×320t桥式起重机(属于特大型起重机)，全变频调速，双钩抬吊重约为640t的发电机转子，双钩的抬吊误差不超过1.5cm。每个主钩额定起重量为320t，额定速度为0.15-1.5m/min，全行程高度28m。
根据现场使用要求，整机主、副钩及大、小车共采用了西门子6SE70系列变频器6台(相应配置的制动单元共11台)和S7-300系列PLC一套。整机的电气控制系统由PLC进行控制，起升变频器采用模拟量给定和开关量控制相结合的方式，运行机构则由开关量信号进行控制和给定。另外，起升机构采用光电编码器测速反馈和位置检测，并在操作室设置有具有吊钩高度、综合状态及故障状态等综合信息显示的液晶显示屏(TP37)。
3 系统主要器件选用

3.1 电动机的选用
起重机运行机构的转动惯量较大，为了加速，电机需有较大的起动转矩，故电机容量需由负载功率Pj及加速功率Pa两部分组成。电机容量，其中λ为电机平均起动转矩倍数。若使电机在额定转速下接近满载运行，且能承受电网电压的波动，并通过1.1倍试验载荷，则要求电机的过载力矩倍数λM大于1.5倍，或适当增加加速时间，以减小加速功率。对运行机构而言，其加减速时间可在3～6s之间进行调整，这样，机构运行将会比较平稳。

起重机起升机构的负载特点是起动时间短、转动惯量小。常规起重机起升机构电动机在选择时考虑起重机并不总是在满载状态下工作，在选择电动机容量时一般选择电动机额定输出功率略小于满载提升所需功率。

以起升机构为例，采用变频调速以后电机的容量。其中，m为起重机额定提升的负载质量，g为重力加速度，v为起升机构的额定提升速度，η为机构总效率。另外，由于起升机构要能够提升1.25倍试验载荷，而且要求能承受国标规定范围内的电压波动的影响，因此其大转矩值必须要大于2倍负载力矩。如果电机的大转矩值不能满足1.25倍试验载荷的要求，则可以通过放大电机容量的方法来解决。
根据以上说明，主起升机构电动机选用了西门子1PQ6310-4AA60，110kW电动机。
3.2 变频器的选择
以起升机构为例，起升机构平均起动转矩一般来说可为额定力矩值的1.3～1.6倍。考虑到电源电压波动因素及需通过125%超载试验的要求等因素，其大转矩必须有1.8～2倍的负载力矩值，以确保其安全使用的要求。通常对普通鼠笼电机来讲，等额变频器仅能提供小于150%超载力矩值，为此可通过提高变频器容量或同时提高变频器和电机容量来获得200%力矩值。若完全用在电机额定功率选定的基础上提高一档的方法选择变频器的容量，则可能会造成不必要的放容量损失。

采用西门子6SE70系列工程型变频器用于起升机构后，其额定功率为，其中m1为1.25倍额定负载。由于此桥式起重机的起升高度为28m，起升速度为0.15-1.5m/min，因此对于变频器本身以90s为工作周期而言为长时工作制，而在变频器大允许长时制动功率，相当于,其中η为机械传动效率，η1为电机的效率，PCN为变频器额定功率(kW)。
根据计算，主起升机构选用6SE7032-6EG60，132kW变频器。
对于运行机构而言，只要变频器的额定电流大于电动机额定电流即可。

3.3 制动单元的选择
以起升机构为例，由于重物在下降过程中将产生大量的再生能量。对再生能量的处理方法有两种，一种是用制动单元和制动电阻来吸收，另一种是通过设置在直流公共母线上的整流回馈装置回馈到电网。由于整流回馈装置价格较贵，对电网的要求也较高，且本类起重机的总工作时间并不长。综合性价比，在本设备上采用了制动单元加制动电阻的能耗制动方式。
制动单元就是在直流母线回路中加接一检测直流母线电压的IGBT管，一旦直流母线回路电压超过一定的界限，该晶体管导通，并将过剩的电能通过与之相连接的制动电阻器转化为热能耗。
制动单元应根据图1及表达式选择:

制动功率式中，Pbr为系统的实际制动功率(kW)。
由于该类起重机运行过程中起升机构的实际运行时间较长(长时工作制)，即t大于90s(t=28×60/1.5)，因此PW=Pbr，所以制动单元的实际长时制动功率P制动≥m1gv·η·η1，同时要满足。
运行机构应按进行计算选择。
相应的与其配套的制动电阻的功率应与制动单元的实际功率P相同或略大。
根据以上说明，主起升机构选用3台6SE7031-6EB87-2DA0，100kW制动单元并联运行，为每台制动单元配置27.5kW的制动电阻。

4 系统特点

4.1 双钩抬吊的控制
2×320t桥式起重机设有两套小车和吊钩的机构和驱动装置，每套可以单独运行也能同时运行。同时运行时即抬吊重物时由于重物(发电机转子)的直径及重量均很大，对两个吊钩在水平方向和垂直方向的相对误差要求很高(允许的误差值1-1.5cm)。

为了达到以上的要求和性能，在各机构的电机轴上同轴联接安装有一个增量型光电编码器，PLC的计数器模板(FM350-1)通过实时读取各光电编码器的数值并进行比较计算，并根据差值的大小计算调整斜率，然后按照计算结果调整输出给定值。由于光电编码器是安装在电机轴上的，相对的定位精度就很高，因此系统对双钩抬吊时误差的理论控制值是2mm，通过现场试验和使用的实际值约为5mm(机械制动存在差别)。
4.2 起升机构制动器的控制

安装用起重机通常起吊的重物都较为贵重，因此对起升机构来讲，能让制动器安全可靠地工作无疑是重要的。在西门子变频器中均提供了一些可以编程的输入输出开关量以及模拟量，通过程序组合后可以得到一套完美的制动器控制功能。制动器的工艺图可参考西门子《SIMOVENT MASTERDRIVES矢量控制使用大全》的功能图470。

其工作原理为:在变频器开机以后，当注入电机的电流大于等于设定的阈值以后，SET命令有效，制动器允许打开;当停车命令或产生故障以后机构(电机的)速度小于等于设定阈值后，RESET命令有效，制动器关闭;也可以直接发送关闭制动器命令，命令发送后RESET命令马上有效，制动器关闭，其参数设置如附表所示。

变频器在得到使能命令后即开始进行励磁运行，根据变频器自身优化参数，从得到使能命令到达到电流阈值需要的时间将会大于2s，这将大大影响操作的实时性，将不能满足jingque就位的要求。通过现场调试、试验，应将参数P602调整至0.5-0.75s之间，这样才能满足操作及就位的需要。

4.3 系统状态及故障的综合显示和管理
为了使系统的维护更加简单、快速，以及提高操作人员的直观程度，在西门子S7-300系列PLC的强大功能和优异性能的支持下，系统设置了对外部元器件的检测和判断。通过内部排序和运算，结合指针索引和数值转换，在操作室设置了一台TP37触摸屏，用于系统的状态及故障名称(故障值)的综合显示，还包括了各操作指令及输出执行指令的实时状态的显示。这样，不仅操作人员可以通过触摸屏的显示使操作更加准确、有效，而且检修、维护人员也可以从触摸屏显示的状态和故障，通过查询图纸及故障表快速、准确地排除故障。
4.4 系统控制逻辑
结合起重设备的特点，系统对控制回路和动力回路分开进行控制。西门子6SE70系列变频器具有独特的OFF2(P555=22)的快停功能，切断控制回路使OFF2有效，变频器立即封锁逆变器的输出，同时机构的制动器立即断电抱闸(刹车);当出现控制回路切断后机构仍在运转的特殊情况时，切断系统的动力回路(主接触器的余量较大)，使所有装置及制动器的动力电源断开。这样，就能在有特殊情况下保证设备及人体不受伤害，同时也能保证装置不会损坏。

5 系统存在的问题及解决方法
结合工程实际，针对几个经常发生的故障进行如下分析和解决。

5.1 制动单元结构
我国幅员辽阔，各地的气候类型差异较大，例如在西南、华南、华东地区的温度、湿度很大，尤其在东北、华北等地区温度很低。在一些电站工程中，我们选用了西门子的变频器及相关设备。由于工程前期的环境极其恶劣，灰尘、湿度等指标都严重超过西门子的规定，致使设备多次发生故障，其中绝大多数为制动单元的故障，故障现象为母线的胶木板和胶木座受潮引起母线短路(拉弧)。究其原因，首先是不能满足西门子规定的使用要求，解决的方法只有改善设备的运行环境;其次，母线的胶木板和胶木座的材料为胶木板，易受潮，解决的方法是选用更好的绝缘材料;再次，制动单元在胶木板受潮后在结构布置上极易短路，例如IGBT的输入、输出之间为胶木板直接相连，如果将此胶木板在之间截断并保证一定的距离就可以达到阻断短路形成的通道，防止故障的发生;后，制动单元的内部布置非常紧凑，如果将其布置形式改变，加大高电压部分的距离，切断短路通道，这样会更加适应各种工况。
5.2 制动单元控制
西门子规定，制动单元的选配必须和所配的变频器之间满足一定的要求，具体为P制动≤0.6PCN，不同容量等级的制动单元同时使用