西门子模块6ES7231-7PF22-0XA0规格参数

西门子模块6ES7231-7PF22-0XA0规格参数

1、前言

　　在河北的沧州境内，分布着许多油田。有些油田的开采方式采用了注水加压式，这种方式采用水泵往地下灌加压水，把石油从地下压出。原来的注水泵电机一般采用降压启动方式，如星-三角或自藕降压启动，这种起动方式起动时的冲击电流大，起动转矩小，起动时间长，使泵及相关的机械部分缩短了使用寿命。当运转稳定后，注水泵长期每日24小时工作在工频下，压力大小由阀门调节，根据水泵的工作原理，这样的调速方式浪费了大量的电能。为节约能源，在了解了变频器节能特性的基础上，我们在其中的一个油井上给注水泵安装了变颇器。

　　2、方案的选择 

　　该油田作业区共有三台同一型号立式注水泵，并列摆放，二用一备，电动机额定功率93KW，额定电压380V，额定电流165A，额定转速2900转／分钟，额定频率50HZ，绝缘等级F级。针对注水泵二台工作一台备用，这是应用得较为普遍的方案，其控制过程是：用水量少时由变频器控制1号泵，进行恒压供水控制．当用水量逐渐增加1号泵的工作频率达到接近50HZ时，将其电动机切换成工频电源供电．同时将变频器切换到2号泵上，由2号泵进行补充供水．反之，当用水量逐渐减少，即使2号泵的工作频率已降为下限频率，而供水压力仍偏大时，则关掉1号泵，同时迅速升高2号泵的工作频率．并进行恒压控制．此方案的主要特点是只用一台变频器，故设备投资少，但如果用水量恰巧在一台泵全速供水量上下变动是，将会出现供水系统来回切换的状态。为了避免这种现象的发生，可将供水压力设定一个范围，此方法适用于控制精度要求不是很高的场合。

　　也可以用两台变频器控制两台电机的方案，由于这种方案没有切换过程，可使压力波动减小，实际的应用中使用了该种方案。

　　3、电气设计

　　在变频器的品牌和数量选定后，根据用户要求设计出电路图。用户要求本系统两台变频器分别闭环控制1号和2号注水泵、3号注水泵为备用泵、用软启动控制起停，正常运行的注水泵如遇故障或检修，估计在之内即可排除故障或检修完毕，在这期间可启用备用泵．在二次控制线路上注水泵压力给定量由4.7K电位给定，而压力反馈值由压力变送器以4-20mA电流形成从16端输入。变频器的启动和停止由1、2、11端子组成三线式运转模式且为双工控制的逻辑启停。21和22接出0-10V直流电压表以观察变频器输出频率，18、20接入闪光报警器，一旦变频器出现故障及时报警。一次主线路380V电源经过断路器QF接入变频器R、S、T端子，U、V、W为变频器输出，接至注水泵电动机，接的时候一定要注意进出电源不能接反。

　　4、主要参数设定与调试

　　设置完毕后经检查确认无误，再次检查电机线及控制线连接是否正确，也确认无误后通电运行。

　　参数设置：
　　A1-01=4；设定
　　B1-01=0；由操作器设定PID给定
　　C1-01=30～60；加速时间
　　C1-02=30～60；减速时间
　　H3-05=B；PID反馈
　　D1-01=XX；PID给定
　　O1-03=1；%设定单位
　　PID参数
　　B5-01=1；PID模式1
　　B5-02=0.5；比例增益
　　B5-03=1.5；积分时间
　　V/F曲线设置
　　E1-03=5
　　由于前期工作做的细致，试车一次成功。

　　5、结论

　　该系统经过半年运行，变频器运行稳定，二台注水泵一般在40HZ左右运行，节能效果非常明显。一年内就收回了投资，设备机械磨损小，噪音明显下降，自动化程度提高，劳动强度减轻，电气和机械维修量大大降低，用户十分满意。

E380是四方电气于2007年年初推出的集成型变频器，在E350系列的基础上，改进了硬件和软件设计，集成了多种专用功能，针对拉丝行业，E380改进了PID设计，通过主机的前馈PID设计，达到张力的平衡，为实现主机和卷绕的稳定同步，E380通过RS485通信功能联动，实现加工产品的高性能。

一、系统控制简图

二、外部元器件功能说明：

    R1      主机频率设定电位计

    R2      从机制动电阻

    R3      张力杆高精度电位计

    S1      主机点动脚踏开关

    S2      主机启动自锁按钮

    S3      主机，从机复位非自锁按钮

    S4      外部急停机械自锁按钮

    S5      摆杆位置检测接近开关

    MC1    抱闸控制输出继电器

    MC2    排线启动控制输出继电器

三、功能描述和实现方法：

    1：主机点动独立控制。

        主机在牵引线过程中，需要单独控制主机牵引拉伸穿线，此时不能启动卷绕机。

        实现方法：通过多功能端子X1实现主机点动，点动频率不同步。

        主机参数设置：F3.0=6，F9.3=x1x1。

        参数说明：选择外部多功能端子为正转点动控制，主机点动不同步输出。

    2：卷绕机的启动控制。

        通过RS485通讯，使卷绕机在主机运行到一定频率后开始执行卷绕操作。与很多变频器不同的是，从机不需要给出单独的启动控制指令，而是由主机通过RS485通讯控制，只需要设定从机的起始频率即可。

        卷绕机参数设置：F8.1=2

        参数说明：主机设定频率高于2HZ时，从机开始启动运行。

    3：主从频率联动。

        主机与从机的频率存在一定的对应关系，四方变频器可以自适应地寻找主从频率对应比，但合理的设置主从联动比例和机械传动比，可以使拉丝机较快进入稳定状态。

        主机参数设定：F9.0=0014，F9.3=1111，F9.5=1.0。

        从机参数设定：F9.0=0014，F0.1=2。

        参数说明：主机和卷绕的通讯功能配置均相同，主机设置点动频率不输出，则主机点动时不同时起动从机，输出频率为同步频率源。联动输出比例设置为0.7。

        注意事项：主机必须以输出频率做为同步频率源，不能以设定频率作为频率源，否则容易出现不稳定现象。

    4：主机速度频率给定。

        主拉变频器的速度，决定了整个拉丝机系统的工作效率，为方便现场操作，主机变频器频率输出一般通过外接电位计来实现。

        主机参数设定：F0.1=5，F0.8=80，F2.2=0，F2.3=10，F2.8=0，F2.9=80，F0.10=50，F0.11=50。

        参数说明：主机通过外接电位计调节速度。主机加减速时间设定为50S。

注意事项：

    本系统为保证效率，主机的上限频率一般设置到80Hz，主机的加减速时间不宜过短，一般设定在40S－100S。

    5：排线机启动控制

        卷绕机启动后，为使卷绕铜丝均匀，需启动排线机，排线机的启动使用卷绕变频器的集电极端子OC1输出。

        卷绕机参数设定：F3.6=2，F3.10=2，F3.11=0.1。

        参数说明：OC1输出选择FDT电平输出信号，FDT频率设定为2Hz。即当从机变频器输出频率大于2Hz时，启动排线机设备。

    6：卷绕机的张力反馈。

        张力杆的稳定度是衡量产品质量的标准，如果张力杆不稳定，产品的线径不够均匀。系统通过张力反馈信号来实现卷绕机频率的调节而实现张力恒定，伸线机的张力反馈器为高精度电位计，通过变频器的5V电平输出供应电源，反馈输入接入VC1。

        从机参数设定：F0.0=0001，F2.0=0，F2.1=5，F7.0=0，F7.1=0021，F8.11=50。

        参数说明：从机使用为拉丝模式，PID的反馈通道选择为VC1。选择PID功能有效。

注意事项：

    为方便调试，卷绕机的张力反馈调节需要调节张力杆电位计的位置，通过监控D-9参数微调，使张力杆在平衡位置时达到中心点50。

    7：线速度检测功能，计米功能实现。

        卷绕机的线速度检测一般通过导轮的接近开关实现，通过检测接近开关的频率，可以实现卷绕机线速度的检测，从而实现计米功能和自动计长功能。

        卷绕机参数设定：F8.8=4，F2.6=0，F2.7=0.2。

        参数说明：线速度输入源使用PLS脉冲输入信号，考虑到高线速度，设置高脉冲输入频率为200Hz。

注意事项：

        卷绕机的线速度是对应的大线速度需要根据导轮的半径具体计算。当导轮转动一圈，接近开关输出一个脉冲时的计算方法如下：F8.9=2＊（3.14）＊R＊（F2.7）＊1000

        其中R为导轮的半径，单位为m，F8.9的单位为m/S。

    8：断线故障检测以及抱闸信号输出。

        根据接近开关信号输入检测是否短线，为了防止误检测，从机需要正确设定下列参数。

        参数设定：F8.12=1，F8.13=10,F8.14=20%,F8.15=2,F8.16=1,F8.18=7，F8.20=7S,F3.7=21。

        参数说明：变频器断线检测功能在从机高于10Hz，延时2秒以后，且摆杆位置低于20％时间1秒以上有效。当卷绕机检测到断线故障时，需要及时输出抱闸信号到机械系统，实现紧急停车，此时变频器自由停车，使用OC2信号输出功能。

    9：卷绕机停机参数设定：

        卷绕机在停机过程中，当频率较低时候，反馈系统容易不稳定，为了保证停机时避免较大的张力杆摆幅而造成断线，一般对卷绕部分直流制动停机。

        参数设定：F8.19=1.5Hz，F8.20=7。

        参数说明：停机方式选择减速停机，起始频率设置为1.5Hz刹车信号起始频率为1.5Hz，刹车时间为7S。

    10：平滑启动功能：

        卷绕机在启动时，由于预先给定了前馈频率，从而容易造成启动冲击而使张力杆不稳定，四方E380拉丝专用变频器优化了启动过程的算法，通过参数F8.0合适的设置，可以达到平稳启动，起停基本不断线的功能。

四方变频器从机对应参数表：

从机参数参考表及简单说明：

五、调试注意事项说明：

1、摆杆反馈位置调试：

    四方变频器启动过程不需要人为参与，因此，必须保证几个先决条件：

    （1）、启动初始时，摆杆位置反馈值处于小。（2）、启动过程完成后，摆杆的平衡稳定点处于反馈中间位置。可以通过监测参数D－9，调节参数F2.2,F2.3实现（即保证摆杆低位置D-9=0,摆杆高位置D-9=100，摆杆平衡位置D-9=50）。

2、启动停机过程调试：

    四方变频器使用独特的启动算法，大限度保持卷绕机摆杆启动过程的平稳，实现启停不断线。影响起停的关键的参数有：

    （1）、主机的加减速时间。主机加减速时间越长，启停稳定度越高，一般推荐使用50S以上。

    （2）、从机的加减速时间。从机加减速时间有加减速时间1，加减速时间4，其中加减速时间1为变频器的输出频率加减速，加减速时间4为前馈PID的PID环输出加减速时间。为了保证变频器启动停机以及平稳运行时的快速响应，在保证变频器无故障输出时，应该尽量减少此两个加减速时间。

    （3）启动平滑时间。平滑时间是指启动过程中摆杆被拉起的时间，时间越长，摆杆启动平稳度越好，时间越短，摆杆启动越快，需要折中选择。

    （4）联动设定比。四方变频器具有自动识别联动比例功能，在次使用时，如果没有正确设置联动比例，则可能出现启停不稳定的情况。可以通过人为调节正确的联动比例实现启动停机稳定，也可以通过次启动，使变频器自动识别，在第二次及以后的启动过程，均可以保证变频器正常启停。

3、摆杆平稳度调试：

    摆杆的平稳度是检验变频器性能的标准，四方变频器使用的是前馈PID功能算法，大限度保证了摆杆平稳运行。四方变频器可以选择单一参数组，也可以选择根据运行频率实际自动调节PID参数组。以下论述PID参数组基本调试方法：

    （1）、比例增益。比例增益影响PID环节的快速响应。当摆杆在启停或者稳定运行时出现较大超调时，可适当增加此参数值。

    （2）、积分时间。积分时间常数使保证PID环节稳定的关键参数，增加积分时间，可以减少在稳定运行时的摆杆振幅。过大的积分时间常数容易形成摆杆的大幅超调。

    （3）、微分时间。微分时间常数可使PID环节做出预先判断，抑制摆杆超调，但是此参数值设置过大，容易出现振荡。

六、调试过程问题解决：

调试过程中容易出现问题如下：

    1、启动断线：

    如是次上电启动出现断线，可能是机械传动比或者主机和从机频率比例设置不够合理，导致变频器软件误判正确的机械或主从频率比，此种状况在第二次试机时可消除，四方专用模块可在次启动过程中正确检测合理传动比。

    如非次启动断线，摆杆被拉升到高位断线，此种情况可能由于主机的加减时间过短，此时适当增加主机的加减速时间。一般推介主机加减速时间大于50S。

    2、启动过程加速：

    四方电气在启动过程中使用了独特的算法，从机启动必须在主机启动后，不能同时启动，否则容易出现摆杆的不稳定。在从机开始启动后必须快速爬升到摆杆的启动频率，因此此过程时间在3S左右，可以降低起始动作频率减少此过程。同时启动增益延时可以减少。

    3、启动过程摆杆振幅比较大：

    启动振幅大，与几个因素有关，是主机加减速时间，当此时间过短，导致主机的输入频率变换过快，而使从机频率跟踪速度不稳定，而可能导致摆杆稳定度不够。第二与启动增益有关，延长启动增益时间，可以提高摆杆稳定度。 

    4、手动摆杆到目标位置，从机启动过慢：

    很多客户原来使用其他品牌变频器或者PID控制板，由于启动过程不够稳定，习惯将摆杆预先放置在目标位置，但是如使用四方收卷变频器发现如果预先给定摆杆位置，此时从机启动速度太慢。四方变频器的启动算法较为独特，不需要启动过程的人为参与，因每次启动过程都是参数的自校正过程，人为参与会导致参数的自校正错误，而使变频器的启动速度过慢。

    5、摆杆在拉丝过程中，出现振幅较大，或者出现振荡断线情况：

    四方PID算法能够保证摆杆的稳定度，但是如果随频率的变化，导致PID参数不够适用当前运行频率时，可能会出现这种状态。此时有两个解决办法，是PID参数的设置根据运行频率，当高频时使用组参数，低频时使用第二组参数，具体参数可以参考从机参数表。第二是适当降低当前PID控制器的微分参数。微分参数在保证摆杆稳定度时，也增加了系统的不稳定性，适当减少此参数，可大大增加系统的稳定度。

七、拉丝专用监控参数及说明：

    d-0:    变频器输出频率

    d-6:    前馈叠加频率

    d-8:    摆杆位置设定值

    d-9:    摆杆位置反馈值

    d-10:   从机运行线速度

    d-11:   累计卷绕线长

    d-20:   卷径当前值

    d-21:   PID环输出频率

    d-22:   自适应同步增益

一、变频调速的基本原理

    一般三相异步电动机调速方法有:（1）改变磁极对数P来改变电机转速，所得到的转速只能是3000、1500、10000，为有级调速；（2）改变转差率s调速，常用的方法是改变定子电压调速和滑差电机调速，该方法转子损耗较大效率低；（3）改变定子电源频率f,其调速属于改变同步转速n调速，由于没有人为的改变s,转子中不产生附加的转差功率损耗，所以效率高,是一种较为理想的调速方法，但改变定子电源频率f调速即变频调速需要较复杂的控制电路组成。

    三相异步电动机同步转速为:n=60f/p（1-s） 式中:P—磁极对数；f—定子电流频率，即电源的频率，f=50Hz；s—转差率。

    采用变频调速一方面可以实现节能，另一方面可以较好的保持机械特性负载能力。

    起重机各部分的拖动系统都需要调速，电动机变频调速的机械特性是：

    （一）重物起吊上升时，其旋转方向与电枢电流产生的转矩方向相同，即电动机受正向转矩作用其机械特性在象限，如图一中之曲线①所示，工作点为A，转速为n 1 。

图一 起吊重物时的工作状态

    当通过降低频率而减速时。在频率刚下降的瞬间，机械特性已经切换到曲线②了,工作点由A 跳变至A’,进入第二象限,其转矩变为反向的制动转矩,使转速短时下降,并重新进入象限,至B点时,又处于稳定运行状态,B点便是频率降低后的新的工作点,这时,转速已降为n2。

    （二）空钩（包括轻载）下降时，吊钩自身是不能下降的，必须由电动机反向运行来实现。此时电动机的转矩和转速都是负的，故机械特性曲线在第三象限，如图二中之曲线③，工作点为C点，转速为n3 。

图二 空钩或轻载时工作状态

    当通过降低频率而减速时，在频率刚下降的瞬间，机械特性已经切换至曲线④、工作点由C点跳变至C’点，进入第四象限，其转矩变为正方向，以阻止吊钩下降，所以也是制动转矩，使下降的速度减慢，并重新进入第三象限，至D点时，又处于稳定运行状态，D 点便是频率降低后的新的工作点，这时，转速为n4。

    （三）重载下降时，重物将因自身的重力而下降，电动机的旋转方向是反转（下降）的，但其转矩的方向却与旋转方向相反是正方向的，其机械特性如图三的曲线⑤所示,工作点为E 点，转速为n5。这时电动机的作用是防止重物由于重力加速度的原因而不断加速，达到使重物匀速下降的目的。在这种情况下，摩擦转矩将阻碍重物下降，故重物在下降时构成的负载转矩比上升时小。

图三 重载下降时工作状态

二、变频器及其操作方式
    起重机的运行具有大惯性、四象限的特点，与其它传动机械相比对变频器有着更为苛刻的安全和性能上的要求。一般来说电动机平均起动转矩为额定转矩值的1.3-1.6倍，考虑到电源电压波动及需要通过110% 额载的动载试验要求等因素，其大转矩应是负载转矩的1.8-2.0倍，以确保安全使用。通常对于普通鼠笼电动机来讲，等额变频器仅能提供小于150% 超载负载力矩值，为此可通过提高变频器容量或同时提高变频器和电动机容量来获得200% 的负载力矩值。由于变频器的输出波形不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加。

    变频器的种类有许多，配置在起重机上要注意它的特性和起重机的类型，做到合理搭配。目前市场上专用变频器的品种很多，如安川V S-616G5 系列、日本富士G9S 系列、三菱FRA0241S / A044 等。其中安川VS-616G5 变频器是多功能全数字式变频器，具有如下特点：1）全程磁通矢量控制，在1Hz的低频下，即使无速度反馈环节也能提供150% 额定转矩的起动力矩；2）可配备制动单元，实现四象限运行，而且动态响应好；3）在全速范围内具有恒转矩特性。

    主流变频器的操作方式可分成手操器操作、外部端子操作和通讯控制操作三种。

    （一）手操器操作。作为标准配置，变频器配有专用手操器，可用于就地读写变频器参数和就地读取变频器运行状态及简单的本地单机操作，但是无法实现远距离操作和多机联动，也无法实现远距离读写变频器参数和读取变频器运行状态。

    （二）外部端子操作。变频器外部端子与外部硬线逻辑电路连接，可实现远距离对单个变频器或多个变频器进行运行控制，同时能够读取有限的变频器运行状态，但是不能实现远距离变频器参数读写和读取全部的变频器运行状态。该控制方式在大多数情况下可以满足起重机操作工况要求。

    （三） 通讯控制操作。通过建立PLC与变频器通讯接口之间的网络连接,可以实现远距离对单个变频器或多个变频器进行运行控制和变频器参数读写,同时能够远距离读取单个变频器或多个变频器全部的运行状态,是一种较为理想的操作方式。

三、采用变频调速需要注意的问题

    （一）因重物起吊时起动转矩较大，通常在额定转矩下的150% 以上。考虑到在实际工作中可能发生的电源电压下降以及短时过载等因素，一般情况下，应按照额定转矩的150% -180% 来进行选择

    （二）起重机工作过程中,在重物刚离开原位上升的瞬间以及在重物刚到达新位下降的瞬间,负载转矩的变化是十分激烈的，应引起注意。

    （三）在调整起重机装置的缆绳松弛度时以及在进行定位控制时都需要点动运行，应充分注意点动时的工作特性。

    （四）在重物开始升降或停止时要求制动器和电动机的动作之间，必须紧密配合。由于制动器从抱紧到松开，以及从松开到抱紧的动作过程需要一定的时间（约6s） 而电动机转矩的产生或消失是在通电或断电瞬间就立刻反映的。因此，两者在动作的配合上极易出现问题。如电动机已经通电而制动器尚未松开，将导致电动机的严重过载;反之，如电动机已经断电，而制动器尚未抱紧则重物必将下滑即出现溜钩现象。VS -6165G5 变频器具有零速全转矩功能，可有效地防止溜钩。其原理是变频器在速度为0的状态下，保持电动机有足够大的转矩且不需要速度反馈，这保证当吊钩由升降状态降速为0 时电机能使重物在空中停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩。

    变频调速彻底避免了绕线式异步电动机起制动速度无法准确控制的缺点，可靠性大为提高。随着电子元器件性能不断飞速发展，变频调速技术必将更广泛应用于起重机械上。同时变频调速也必将获得更大的发展。