基于SIEMENS SINAMICS S120的驱动器试验装置研究与应用

张 侃，邓忠彬，丁 辉，窦连胜

(中海油能源发展装备技术有限公司 天津300452)

近年来，随着海洋修井机技术的不断发展，交流变频电驱动修井机已逐步在新建平台上配备，其具备数字化、自动化、节能环保、良好的操作环境等优势，在海洋石油装备中逐步占据了主导地位。时至今日，渤海自营油田已有50%,电驱动修井机采用了S120驱动技术。钻修井作业的日益频繁，为海洋电驱动修井机的维修保养能力以及对系统故障的快速响应带来了严峻考验。通过对SIEMENS SINAMICS S120驱动器试验装置的研究与应用分析，以求在最短时间、最大程度、更加具体地掌握S120驱动技术，实现自主维修，降低维修成本，保证钻修井作业顺利进行，实现降本增效的目的。

1 S120驱动器试验装置总体设计

1.1 系统结构设计

S120驱动器试验装置的设计制造本着“先进、可靠、方便、经济”的原则，充分考虑防潮、防尘等因素，其控制特性、操作逻辑和各种保护功能等满足试验装置工作要求和性能指标。

本试验装置主要包括：①试验操作台台体和辅助控制设备；②西门子书本型S120变频器；③工业平板电脑；④I/O Control Panel；⑤试验变频电机(带编码器)和磁粉制动单元。

本试验装置把西门子S120变频器、工业平板电脑等集成设计安装在试验台上，所有设备及元器件布局合理，电气控制元件及辅助配件均安装在操作台内部，S120变频器模块以壁挂的形式安装在试验台前面板，便于调试时检查各模块状态指示灯和调整通讯模式，工业平板电脑和I/O Control Panel安装于试验台前面板便于操作，变频电机和磁粉制动单元固定在试验台底座上，试验台面板上设置观察口，方便观察电机运行情况。总体布局如图1、2所示。

图1 总体布局图(正视图)Fig.1 Overall layout(Front view)

图2 总体布局图(后视图)Fig.2 Overall layout(Rear view)

1.2 系统电气回路设计

本S120驱动器试验装置电气回路为三相五线制系统，设计满足S120驱动器的使用工作要求。系统电气回路如图3所示。

图3 系统电气回路图Fig.3 System electrical circuit diagram

2 S120驱动器试验装置选型与实现

SINAMICS S120是集矢量控制、V/F控制、伺服控制为一体的驱动系统，具有模块化的设计。各模块之间(包括控制单元模块、整流/回馈模块、电机模块、传感器模块和电机编码器等)通过高速驱动接口DRIVE-CLIQ 相互连接[1]。

2.1 装置硬件选型与实现

本试验装置的S120驱动系统设计采用公共直流母线形式，模拟海洋电驱动修井机的矢量控制模式，将海上装机、装柜型转化成5,kW书本型变频器，仿真实现绞车、转盘、泥浆泵主电机的工作模式和功能。

本装置硬件由以下部分组成[2]：控制单元CU320-2DP(订货号：6SL3040-1MA00-0AA0)，作为S120驱动系统的控制单元，CU320-2DP负责控制和协调系统中所有的模块，完成各轴的电流环、速度环的控制，并且控制各轴之间能相互交换数据；SLM智能型整流模块(订货号：6SL3130-6AE15-0AB1)，完成交流电源转换为直流母线电压，整流桥由二极管与IGBT组成，可以通过IGBT实现能量回馈；电机模块(订货号：6SL3120-2TE13-0AA4)，实现直流逆变以驱动电机；SMC30编码器转换模块(订货号：6SL3055-0AA00-5CA2)完成模拟量、开关量信号及编码器的数据采集；变频电机，采用鼠笼型、F级绝缘结构，输出轴通过联轴器与空心轴联结、与止口支撑式的磁粉制动器连接，另一端通过联轴器与增量编码器连接，同时保证安装接口与海上实际使用编码器安装接口尺寸一致。

磁粉制动单元包括手动张力控制器和磁粉式制动器[3]。磁粉制动器与电机传动轴水平安装，安装同轴度为+0.03,mm，手动张力控制器可模拟海上变频电机带负载短时运行，控制精度高，保证磁粉制动器力矩输出稳定可靠。磁粉制动器允许转速可达到1,500,r/min，制动力矩0～50,N·m，额定电流1,A。

①I/O Control Panel：创新设计的一体化I/O Control Panel采用316L不锈钢腐刻制成，表面镀膜处理，集成了选择开关、LED指示灯、高精度电位器和高精度数显表，配置的I/O Control Panel与CU320-2DP的数字输入/输出、TB30模拟输入的I/O点相连接。选择开关实现控制电机启停、转向、电机势能、故障复位，LED指示灯指示当前设备运行状态，高精度电位器用于给定变频电机转速，并通过高精度数显表显示电机运行实时转速及电流值。

通过CU320和TB30端子扩展板对I/O Control Panel的 I/O点进行数据采集，高度仿真了海洋钻修井机绞车等设备控制开关和操作手柄的特性，外观精致美观，控制功能清晰、稳定、精确。I/O Control Panel如图4所示。

图4 I/O控制面板Fig.4 I/O Control Panel

②其他组件：SITOP电源、TB30端子扩展板、电源滤波器、进线电抗器和工业平板电脑等。装置硬件配置示意图如图5所示。

图5 装置硬件配置示意图Fig.5 Hardware configuration diagram

S120各模块之间通过DRIVE-CLIQ通讯方式进行连接，实时串行通讯，用于连接所有的SINAMICS驱动组件，在搭建驱动系统DRIVE-CLIQ网络时要满足图6中的配置规则[4]。

2.2 系统软件实现

图6 DRIVE-CLIQ网络配置规则Fig.6 DRIVE-CLIQ network configuration rules

STARTER软件用于SINAMICS S120驱动装置的现场调试，能够实现在线监控、修改装置参数、故障检测、电机优化和复位，以及跟踪记录等强大调试功能，因此应用十分广泛。S120驱动器试验装置使用的是CU320-2DP控制单元，因此PC机可以通过STARTER软件与S120驱动系统实现3种通信方式，即PROFIBUS-DP通信、以太网通信和RS-232串口通信。

STARTER软件对S120的调试首先要通过对系统的配置，系统配置完成后，就可以用STARTER软件对S120进行调试。调试功能包括数据跟踪记录、功能函数发生器、伯德图测量、控制器自动优化等[5]。

3 S120驱动器试验装置调试与实际应用

3.1 装置控制系统调试

I/O Control Panel和STARTER都可以实现控制电机启停、转速、转向、使能、复位，可以实现变频器参数的更改、优化电机等功能[6]。

S120控制系统调试内容包括以下部分：①通过DP接口、PN接口实现PC与S120之间的通讯、设备间参数的读取及写入；②SINAMICS S120项目在线/离线配置；③STARTER控制面板控制电机；④I/O Control Panel配置开关量及模拟量对电机启、停及速度控制；⑤使用Trace功能进行电机动态特性的调试；⑥通过r945和r949参数确认故障及故障处理方法。

3.2 实际应用

结合SIEMENS SINAMICS S120驱动器试验装置，有效开展了人员技术培训和技术研究工作，取得的应用成果如下：①公司电驱动修井机电控技术攻关人员熟练掌握了STARTER、I/O Control Panel控制变频电机的基本原理和操作技巧，培训后均可独立完成海上电驱修井机S120传动系统电机静态/动态辨识、变频器参数修改设置、程序备份等工作，彻底解决了关键技术点无法试验模拟和不敢下手的窘境。②通过将程序的上装和下载等方式，结合试验装置，模拟现场电驱动修井机运行故障，检查现场修井机变频器各参数并进行比对，采取有效方法解决了海上电驱修井机S120驱动系统通讯故障、绞车/转盘变频电机编码器故障、现场变频器参数被无故修改导致绞车主电机无故停车等棘手问题，以此实现了陆地与海上S120变频器设备运行状态及运行参数的交互。

4 结 语

通过对SIEMENS SINAMICS S120驱动器试验装置的研究与应用，模拟海上电驱动修井机S120驱动系统，积累广泛的知识和经验，制定全生命周期预防性维护和故障性维修方案，并在实际工作中得到有效应用，确保其长期可靠运行。同时在陆地开展更加具体、有针对性的技术培训工作，提高员工技术能力，培养电驱动修井机维护技术骨干，确保维护能力和质量，为海上油田电驱修井机提供优质的服务与支持，使其成为公司持续发展的源泉和未来的核心竞争力。■

［1］米玉柱. SINAMICS S120在生产设备中的应用[J]. 科技传播，2012(14)：133-134.

［2］SIMENS SINAMICS S120 设备选型手册[Z]. 2013.

［3］KADYLBEK ZHALYN(加棱). 电力拖动典型负载模拟系统设计与实现[D]. 上海：东华大学，2016.

［4］施坪， 桯程 ，王轶，等. 西门子 S120变频装置的调试应用[J]. 变频器世界，2014(9)：91-94.

［5］谢丽蓉，高磊，路朋，等. 基于 SINAMICS S120的运动控制系统实践教学平台建设[J]. 实验技术与管理，2017，34(2)：132-135.

［6］SIMENS SINAMICS S120 安装调试手册[Z]. 2013.