西门子SINAMICS DCM 控制模块在6RA70升级改造项目中的应用V1

一、前言

某公司轧钢厂三条生产线的轧机和飞剪等设备的直流传动系统均采用西门子6RA70系列调速装置控制，共计83台，涵盖14种装置型号。其中电压等级包括660V\440V\420V\400V四种规格，装置额定电流400A、600A、1200A、 1500A、2000A、2500A、3000A七种规格。针对线上运行的14种装置型号，至少需要储备14套备件，而线下备件全部为修复件，其性能达不到佳水平。在6RA70系列调速装置于2013年宣布淘汰，2020年完全停产的情况下， 6RA70系列直流传动系统面临着备件采购困难，难以满足保障生产的需要。西门子推出的新一代直流调速器SINAMICS DC MASTER 成为了改造升级旧直流调速系统的必然选择。

SINAMICS DC MASTER 是西门子生产的新一代直流调速器。不仅在质量、可靠性和功能性方面超越了上一代的SIMOREG DC MASTER产品，而且在集成了上一代产品标准功能的基础上还提供了更多新的功能。本文介绍西门子SINAMICS DCM 控制模块在6RA70升级改造项目中的应用。

二、 项目升级内容

从可靠性、通用性、技术支持等多方面考虑，决定采用西门子6RA80控制模块对三条线的调速装置进行统一升级改造。由于6RA80控制模块本身能够支持多种电压和电流等级，原来改装装置14种规格可减少到1种，而且不需额外增加触发脉冲功率放大板，，同时能实现轧钢厂三条生产线备件的统一。

原直流传动系统由西门子6RA70系列调速装置+扩容的功率单元（柜）+直流电机+机械系统组成。本文介绍的升级项目采用的方案是在保留功率单元（柜）、直流电机和机械系统的前提下，采用SINAMICS DCM控制模块替换原来的6RA70控制单元。新系统根据现有组件组态进行控制线路的调整以及必要的参数设置，满足原系统的功能需求。图1和图2为飞剪系统升级前后的对比。

图1.升级前的飞剪系统组成

图2.采用SINAMICS DCM控制模块升级后的飞剪系统组成

三、项目改造实施过程

现场改造分步实施拆除、安装、接线、校线、上电测试、电机优化以及精调。

1.改造前的准备工作：因为是旧项目改造，改造需要对原装置的参数进行备份并做参数改变的确认，以便在新装置使用时具备相同功能；主要关注速度设定、电流限幅、通讯设置等参数。

2.拆除工作：确认系统停电后，步首先拆除原6RA70装置。因为SINAMICS DCM控制模块配有大功率的晶闸管触发电路，每个触发回路大输出脉冲电流可达到2.5A[1]。这使得SINAMICS DCM控制模块不需要额外增加触发脉冲放大板就可以直接驱动晶闸管。所以第二步就是拆除脉冲放大板，拆除脉冲放大板后好安装转接端子以便于脉冲接线和后续维护。

图3.SINAMICS DCM控制模块的晶闸管脉冲触发电路及转换端子接线

相较于国内通常“小改大”扩容需增加脉冲放大板的做法，这样改造后既节省了后期备件成本，又避免了脉冲放大板所带来的故障隐患。

拆除完毕，需要保留原控制接线、反馈接线和励磁接线。所有弃用的线必须校线无误后拆除连接包好端头后，放入线槽内保护；所有需要改变连接的线也必须校线无误后再连接至新连接点。

3.安装与接线：因6RA80控制模块与6RA70控制箱尺寸类似，基本无需做任何处理就可以直接安装于原位置，按照新原理图接入控制接线、反馈接线、励磁接线和晶闸管脉冲触发电缆。注意脉冲触发电缆长度大不超过3m，采用非屏蔽双绞线。

不同于6RA70系统，6RA80控制模块的电压检测回路可在装置内部的晶闸管触发电路中直接引线测量，不需要从主回路引线测量。电压检测回路接线图如图4所示。

图4.电压检测回路接线示意图

SINAMICS DCM控制模块内部配有5.6V-1000V电压范围的线电压测量电路。按不同线路电压范围分组排列，一共有6个等级范围。实际内部电路如图5所示：

图5.SINAMICS DCM控制模块进线电压测量电路接口

根据不同的额定电压范围，将测量电缆插接在相应的接线位置，并通过内部参数P51821进行配置，即可适配不同电压等级直流电机的应用场合，不需要额外增加分压板。具体的测量电缆连接方式和参数设置见表1。

表1.电压测量连接与参数设置

与此相关的参数还有：p50078[0] 实际电枢额定输入电压；p51820 适配功率单元的电枢额定输入电压。

4.校线：在校线时需要仔细检查改造变更接线是否全部到位，然后逐步校线；在电流互感器反馈校线时，需要打开互感器一端接线校验，同时注意互感器接线极性是否正确。装置的额定电流可以通过参数p51822进行修改，以匹配实际的功率单元。

图6.电流互感器接线极性接线示意图

5.上电测试：校线完毕后上电，步依次用模拟点火方式发出脉冲，令P51840=11-16，21-26，用示波器检查脉冲触发是否正常。第二步用晶闸管诊断的模式检测可控硅及桥臂快熔，令P50830=3，合闸上电后开始检测，若可控硅及其触发回路故障将报F60061故障信号；若桥臂快熔熔断，报F60004故障。若无故障，参数P50830自动恢复为0。在执行晶闸管诊断的模式时，原6RA70装置还能利用端子12和端子13输出电枢电流的功能通过示波器进一步观测电流波形的质量来分析系统的工作情况。

因为6RA80装置和控制模块取消了6RA70端子12和端子13输出电枢电流的功能。所以采用参数P50830进行晶闸管诊断的时候，无法用示波器检查电流波头情况。但是6RA80系统特有的一个参数r52952：该参数可显示电枢电流 Ia、励磁电流If、电流互感器I和II的电枢电流。通过Trace调用r52952[0]、r52952[2]、r52952[3]参数，可从记录到的数据波形图来检查晶闸管触发是否正常。通过STARTER软件Trace观测到的电流波形数据如图7和图8所示。

图7.通过Trace调用r52952[0]和r52952[2-3]参数记录到的正常数据波形图

图8.通过Trace调用r52952[0]和r52952[2-3]参数记录到的异常数据波形图

6.设置参数：上电测试成功后就开始设定相关参数。对照备份的原装置参数，根据原功能需求对新装置进行参数设定。包括整流装置参数设定、电机参数设定、实际速度检测参数设定、励磁功能参数设定、限幅值参数设定、斜坡函数发生器相关参数设定以及通讯参数设定等等。限于文章篇幅这里就不一一阐述，仅对通讯参数设置部分与6RA70系统存在明显区别的地方作以下特别说明：在原项目中用到6RA70的标准状态字1，而6RA80状态字与6RA70的状态字区别较大，二者不能直接引用的，需要借助开关量连接器按照6RA70的状态字按照每一位的顺序进行组合。利用6RA80的参数P2080组合字输出r2089[0] 状态字1见表2：

表2.状态字参数设置

7.电机优化：主回路上电后，依次做电流环优化、速度环优化、励磁参数优化。

步：P50051=24,优化励磁电流控制。这一优化步骤也可以在不连负载机械的条件下进行。将励磁，控制，风机电源投入，装置内控状态下选择P50051=24，整流装置进入O7.0或O7.1状态输入合闸命令和解封命令，当装置状态<01.0时，执行优化运行开始；优化运行结束时，驱动装置回到O8.0状态。以下参数自动设置：

P50112(D)  励磁电阻(Rf)

P50116(D)  励磁电感(Lf)

P50255(D)  励磁电流调节器的比例增益(Kp)

P50256(D)  励磁电流调节器的积分时间(Tn)

P51597(D)  励磁电感的回落系数   

P50825(D)  自然换相时间的校正

第二步：P50051=25,优化电枢电流控制。这一优化步骤必要时要用制动器锁住电机。

内控状态下选择P50051=25，整流装置进入O7.0或O7.1状态输入合闸命令和解封命令，当装置状态<01.0时，执行优化运行开始；优化运行结束时，驱动装置回到O8.0状态。以下参数自动设置：

P50110(D)  电枢电阻(Ra)

P50111(D)  电枢电感(La)

P50155(D)  电枢电流调节器的比例增益(Kp)

P50156(D)  电枢电流调节器的积分时间(Tn)   

P51591(D)  电枢电感的非线性系数(La_fak)

P51592(D)  电枢换向电感(Lk)

P51594(D)  12 脉冲方式下的吸收电感(Ls)

P51595(D)  吸收电感的回落系数(Ls_fak)

P51596(D)  12 脉冲方式下的吸收电阻(Rs)

P50826     自然换相时间的校正

在这一部分需要特别注意的是，如果控制模块CUD的固件版本是V1.5的情况下（固件1.4及以下版本没有此问题），在执行电流环优化后（P50051=25），除了上述参数自动设置外，电枢电流设定值滤波时间常数P50191也会自动生成一个数值。在高响应要求场合下，需要将该参数设定值改为0，否则会影响控制性能。

为了确认影响的程度，专门做了以下测试：测试在1.5.0.3固件下，使能电流预控，P50191=23（优化时自动设置值）和0时的阶跃响应（从0阶跃到电机额定电流），可以看到P50191严重影响了电流环的快速性。

图9.P50191=23（优化时自动设置值）情况下测试的电流响应情况

图10.P50191=0情况下测试的电流响应情况

第三步：P50051 = 26，优化转速控制。这一优化步骤应在电机带载条件下进行优化，因为这一步骤需要确定的参数值也受到测出的转动惯量的影响，而6RA70要测出转动惯量，需要单独执行P051 = 28：摩擦和转动惯量补偿的优化运行。优化运行结束时以下参数自动设置：

P50225(D)  转速调节器的比例增益(Kp)

P50226(D)  转速调节器的积分时间(Tn)

P50228(D)  转速设定值滤波时间常数

P50540(D)  转速调节器的加速时间

8、动态参数调整及精调：借助STARTER的函数信号发生器优化速度环。函数信号发生器是STARTER调试工具的一部分。可生成各种可调参数的波形，包括方波、正弦波、三角波和梯形波。并且在“连接器输出”操作模式（r4818）下，可以通过BICO互连将输出信号注入控制回路，用于测量和优化控制回路。借助该功能，工程应用技术人员可以很便捷地通过模拟不同的“工况”对不同的工艺要求和系统响应特性进行手动调试，极大的提高调试的效率及效果。

图11.STARTER的函数信号发生器

下面是利用该工具对速度环进行手动优化，动态调整参数前后的结果对比。图12是调整参数前速度环优化的结果为Kp=1.87，Tn=0.092，我们可以看到通过函数信号发生器模拟梯形曲线跟踪的结果不是很理想。

图12.调整参数前速度环模拟梯形曲线跟踪的结果

图13是手动优化参数后Kp=2.25，Tn=0.85，Kp与之前数值相差不大，Tn则相差比较大。可以看到效果非常明显，虽然速度实际值和设定值之间有约30ms的延时，这是直流系统本身响应慢造成的，但是实际速度的变化趋势与设定几乎一致。

13.调整参数后速度环模拟梯形曲线跟踪的结果

利用转速调节器比例增益Kp适配功能精调飞剪系统。图14中飞剪反向运动减速阶段的实际转速有明显的波动。

图14.飞剪反向运动减速阶段的实际转速有明显的波动

此时的相关参数如下：P50556=3.5，P50559=9，P50550=0.9，P50225=2.0。通过Trace测量光标工具测出转速波动发生时的转速水平。然后根据这个数值对参数进行调整。

图15.通过Trace测量光标工具测出转速波动发生时的转速水平

参数调整如下：P50556=16，P50559=18，P50550=0.6，P50225=1.8。调整后转速抖动现象消失，效果见图16。

图16.调整后的转速波形

9、使用驱动控制图(DCC)进行二次编程开发。SINAMICS DCM控制模块使用单独提供的驱动控制图 (DCC) 选件包，即可在 STARTER中方便地进行图形化编程。这比只具备自由功能块的6RA70控制器在编程效率方面和编程灵巧性方面具有非常明显的优势。比如采用驱动控制图 (DCC) 二次编程开发的轧机负荷观测器能直接内嵌在SINAMICS DCM控制模块中运行，可有效改善轧机咬钢瞬间的动态速降问题。

图17.驱动控制图 (DCC) 的图形化编程

表3.投入负荷观测与否的数据对比

表3是某架轧机投入负荷观测的前后对比，可以看出，投入负荷观测补偿功能的情况下，轧机咬钢速降程度降低了15rpm，速降恢复时长提前了337ms。通过这一应用，充分体现了6RA80 产品DCC二次编程开发的技术优势。

四、运行效果

此项目于2020年7月实施，共计改造升级了57套6RA70直流调速系统。项目正式投入使用以来，控制系统稳定性大幅提高，系统故障率为零。与此同时，新系统突出的软硬件优势，进一步提高了系统的控制性能。此次改造的均为棒材厂轧机直流调速系统，改造后的新系统各项指标均得到明显改善，其中一项重要指标就是轧机的动态速降。通过对多个轧机的动态速降数据进行统计和比较，旧系统的动态速降一般达到3%-5%，而新系统一般不大于2%-3%。鉴于此次改造的成功，后继计划将剩余的21套旧直流调速系统全部升级为6RA80直流调速系统。

五、 总结

SINAMICS DC MASTER 不仅在质量、可靠性和功能性方面超越了上一代的SIMOREG DC MASTER产品，而且在集成了上一代产品标准功能的基础上还提供了更多新的功能。基于这些新功能和特点，使得SINAMICS DC MASTER在升级旧系统和后继的新项目应用中都具有非常明显优势。首先是更高的性价比，通过简单的改造升级替换旧直流调速系统6RA70,即可以低成本获得高性价比的先进直流调速系统。其次是备件的通用性强，便于备件型号的统一，这对于工厂来说既方便了备件的管理，也减轻了备件成本的压力。在当前交流系统被广泛应用的背景下，直流调速系统在国内仍然有其的用武之地，如何更好的发挥出SINAMICS DC MASTER产品的技术优势，提高系统的可靠性和稳定性，改善用户的使用体验是我们工程技术人员应该思考和实践的研究课题。