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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） 防護等級 IP20 環境溫度 0-40°C 無 AOP/BOP
ET200Pro系列產品做為西門子分布式IO系列產品中的一種，具有高IP67的防護等級，成為特殊行業應用的主要產品之一。同時，ET200Pro還提供了故障安全模板：F-DI/F-DO以及電機啟動器（MotorStarter）、故障安全型變頻器（F-FC）等，滿足了行業中的故障安全應用的需求。本文將主要介紹ET200Pr*安全型變頻器的調試和使用的方法。
1 ET200Pr*安全系統介紹
與ET200S系統類似，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）電機啟動器（MotorStarter）
ET200Pro的電機啟動器模板（MotorStarter）中，提供了一些特殊的模板，比如F-RSM和ASM-400，電機啟動器模板（MotorStarter）如果配合F-RSM和ASM-400使用可以達到SIL3(Cat.4)的安全等級（圖1）。
圖1 故障安全型電機啟動器（MotorStarter）系統配置(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，大1.1KW，溫度允許的情況下，可以連接1.5KW電機。
該變頻器可以通過PROFIBUS/PROFINET的接口模板進行連接調試，也可以使用光纖轉串口的電纜進行連接。
ET200Pro變頻器需要與前面提到的電機啟動模塊中的特殊模塊一起使用來對其關斷信號進行評估，因而系統中需要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的調試方法
ET200Pro F-FC的組態可以通過Step7軟件來實現。但變頻器模板的調試工具需要用到DriveES（或者Starter、MotionScout）等軟件。如果系統中使用了F-Switch，則需要MotorStarter ES軟件來設置相關Switch的參數。
2．1 Step7的組態
（1）新建一個S7 300站，這里選擇CPU 317F-2 PN/DP做為F主機，IM154-4 PN HF Cu V6.0做為F設備。（圖3）
圖3 新建S7 300站
硬件組態中，添加F-RSM；由于ET200Pro F-FC沒有Profisafe報文，因而只能添加標準報文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，將診斷選項使能。
（2）雙擊CPU，設置CPU的參數。
選擇F 參數，為故障安全程序設置密碼（圖5），防止有未經授權的人修改F程序。
圖5 設置F程序的密碼
選擇“Protection”，設定CPU程序的訪問保護密碼，同時將“CPU contains safety program”激活（圖6）。
圖6 保護選項
保存編譯后，我們可以看到在Step7的Block下，出現了一些相關F系統的功能塊，但由于ET200Pro F-FC沒有Profisafe的報文，因而這里實際上并沒有關于ET200Pro F-FC的F系統塊，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來實現的。
至于如何建立Step7的F程序，這里不再詳細介紹，請參考相關手冊。
2．2 F-FC的調試
ET200Pro F-FC的調試需要用到Drive的一些軟件。通過Step7界面，雙擊變頻器模板，則可以打開相應的調試軟件的界面。
（1） 雙擊打開調試界面，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”的設置，選擇合適的接口用于連接F-FC。
（2） 選擇“上載”，將系統配置自動上傳到PG。
圖8 上傳參數
在“Functions”下選擇“Safety Integrated”進行安全功能的設置。注意這個選項只有在“在線”的模式下才可以操作。
圖9 選擇安全功能設置
（3） 打開設定界面，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(F0)，故這里只選擇了“Safety busbar G1”的SLS（F0）。如果系統中使用了F-Switch，則可以設置兩個安全功能回路。
圖10 選擇安全功能
（4） 分別設定安全功能的參數
STO：安全轉矩關斷。該功能激活后，變頻器內部的電源被切斷，電機進入自由停車狀態。（圖11）
圖11 STO的參數設置界面
這里的設置都是關于安全回路測試的：當系統恢復正常時，是否進行回路測試，用來保證系統正常運行，以及及時檢查系統錯誤。T=8小時的設置也是保證系統的自檢測的時間。
SS1:安全停車指令1。當SS1被激活時，系統按照設定的參數進行停車。否則進入故障狀態，并終進入STO。
圖12 SS1的參數設置界面
Standstill:截止頻率。當停車過程中，頻率達到該設定值時，進入STO狀態。
Tr：停車時間設定；
Tv: 延時監控時間。超出該設定值，變頻器進入故障狀態，同時馬上進入STO狀態。
SLS：安全限速。安全限速有4種模式，分別對應4種安全限速的動作。這里需要定義安全限速的設定值“Setpoint”，上限值“Upper limit”和選擇模式。
西門子132千瓦變頻器
圖13 SLS的參數設置界面
參數設定和修改都需要“Accept settings”才能生效。這里需要輸入密碼和進行驗證。
圖14 參數修改和生效
2．3 F-RSM的調試
ET200Pro F-FC的F功能需要通過F-RSM或者F-Switch來實現（見圖15），因而需要對F-RSM進行設置。
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
其內部原理圖為：
圖17 F-RSM的原理圖
F-RSM內部為一個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實現的：
圖21 選擇開關的模式設置
（2） 激活安全功能
當急停信號為“1”時，系統正常工作，此時“F0”狀態為“1”。當急停被按下時，表示系統運行出現危險狀況，應當啟動相應的安全功能，此時“F0”變為“0”，此時，應通過busbar將F0信號傳送至F-FC，變頻器激活相應的安全功能。
注意：系統中的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，應當連接兩路電源（DC 24V），否則F-RSM內部的3TK2841處于失電狀態，從其運行燈的狀態可以判斷該路電源是否有連接（圖22）。
圖22 電源的連接
在變頻器應用中，為了防止電機由于過電流或外部原因導致過熱而被損壞，設定電機的溫度保護功能。即當電機的溫度超過一定值時，變頻器跳閘(OFF2)。通常情況下，溫度保護有以下兩種方式：
通過電機的溫度模型對電機進行保護;
當我們對變頻器進行快速調試時，變頻器會根據電機相關參數，如功率、電流等參數來建立電機溫度模型。對于西門子標準電機，電機模型數據比較準確，但對于第三方電機，在完成快速調試之后，建議用戶做電機參數自動識別，如參數(P0340, P1910)，建立電機等效電路數據，以便更好地計算電機內部能量損失。
在變頻器運行過程中，變頻器會實時監控實際輸出電流，通過I2t 計算來判斷電機是否過溫，當I2t 計算結果超過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中所設定的措施，如報警、跳閘等。如下圖1所示：
圖 1 電機溫度保護模型
注：利用電機溫度模型對電機進行溫度保護是西門子標準傳動中所有產品具備的功能。
通過溫度傳感器進行外部保護
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，電動機里是把三個PTC 溫度傳感器串聯連接起來（根據電動機制造廠家的設計），這樣，“冷態”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“冷導體”。但是，在某一特定溫度時，PTC 的阻值會急劇上升。電動機制造廠家是根據電動機絕緣的常規運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的繞組中，這樣，就可以根據電阻值的變化來判斷電動機是否過熱。PTC 溫度傳感器不能用來測量溫度的具體數值。
對于變頻器：MM440;MM430;G120提供了電機溫度傳感器的接口，PTC 傳感器保護可以與電機溫度模型同時工作。例如MM440,當電動機的PTC已經接到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）激活電動機溫度傳感器的功能，那么，MM4變頻器就會知道電機的狀態，過熱時變頻器就會故障跳閘使電動機得到保護。
如果PTC 電阻值超過2000 歐姆，變頻器將顯示故障F0004（電動機過溫）。 如果PTC 電阻值低于100 歐姆，變頻器將顯示故障F0015（電動機溫度檢測信號丟失）。這樣，當電動機過熱和溫度傳感器斷線時，都能使電動機得到保護。
此外，電動機還受到變頻器中電動機溫度模型的監控，如下圖，傳感器與溫度模型構成“或”關系，形成了一個電動機過熱保護的冗余系統。
2）KTY84 傳感器：
KTY84 傳感器的原理是基于半導體溫度傳感器（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，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傳感器的阻值進行監控，同時變頻器也根據電動機溫度模型自動計算電動機的溫度。KTY84 傳感器識別出斷線時，就發出報警信號A0512（電動機溫度檢測信號丟失），并自動切換到電動機的溫度模型。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，我們能夠通過電機溫度模型對電機進行溫度保護，同時，我們也可以用數字端子觸發外部故障的方式來保護電機，因為對于通常的溫度傳感器，其輸出阻抗會隨溫度成線性關系變化，如下圖3所示。因此傳感器的阻抗能夠反映當前電機溫度，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。當電壓超過數字量的觸發電壓時，數字端子有效，觸發外部故障跳閘。設置參數如下： P0701, P0702 or P0703 = 29.
圖 3 電阻與溫度關系曲線
圖 4 外部端子觸發故障
另外，我們也可以利用溫度繼電器來觸發外部故障，如在西門子低壓產品中，有可以用來測量電機溫度的繼電器，如3RS1000-1CK10，我們可以設定一個限定值，當電機溫度超過此值時，繼電器動作，觸發外部跳閘。
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