SIMOVERTS系统的硬件和软件功能分析

（一）硬件部分的结构功能

1.指示灯和操作控制面板

1）控制柜门的上部安有4个指示灯（H1～H4），其功能含义见表4-3。

表4-3 指示灯的功能含义

2）OP17操作控制单元允许SIMOVERT S变频器现场操作，可提供有限范围的诊断和控制功能。通信数据线经PROFI-BUS-DP总线与SIMADYN D相连。

OP17操作控制单元的功能由软件功能模块用CFC程序组态而成，可选择显示下列功能：

①可选择实时的和跟踪的信号模拟输出。

②变频器各种实际运行值显示。

③信息读出和删除。

④可用升/降键或数字键设定速度设定值。

3）门上安装的仪表和实际值

门上装有显示操作参数的5块动圈式仪表：

①P1——电动机速度/频率。

②P2——电动机电压。

③P3——电动机直流环节功率。

④P4——电动机直流环节电流。

2.接口插件箱-A100

插件箱装于控制柜的上部。它包括两个实际值检测功能模件SE21.2（MCC）和SE48.1（LCC）和脉冲输出板IMPAG。

（1）控制板SE21.2和SE48.1

1）提供变频器电压和电流数值的电信号隔离（转变为脉冲信号）。

2）匹配和调整这些实际值供SIMADYN D进行处理。

3）检测变频器的电气保护信号，例如：过流和低电压信号。

4）接入外部联锁信号。

-A100插件箱配备了一个诊断模块用于故障诊断，可以进行电能检测，并提供信号测试插孔，例如检测直流电流、变频器相电流等。

IMPAG脉冲输出板将来自PC板（母板）总线的触发脉冲转换成光脉冲传到光缆接头，经光缆传递到的晶闸管触发板SAV，然后输出到变频器的主晶闸管电子板上，触发脉冲可以通过LED指示灯看到。

（2）实际值检测SE21.2 SE21.2接口模块是PS16处理器板和SIMOVERT S驱动器逆变侧（电动机侧）功率环节的接口。它适用于双6脉冲变频器系统，将变频器逆变侧的两相电流、电压值用V/f变换器转换成频率信号。

频率、诊断、监测和保护信号传送到处理器板PS16，这些信号对“地”隔离（又称“悬浮”信号）。所有的实际测量值和数字信号，比如运行电压，可在诊断模块（-A196）上测得，这些信号已经进行了电信号隔离，即在诊断模块的测量操作不会引起系统内部信号的变化。SE21.2的主要功能见表4-4。

表4-4 SE21.2的主要功能

（续）

（3）实际值检测SE48.1

SE48.1接口模块为处理器板PG16和SIMOVERT S驱动器整流侧（电网侧）功率环节的接口。它设计用于双6脉冲变频器系统，将变频器整流侧的两相电流、电压值用V/f变换器转换成频率信号。频率、诊断、监测和保护信号传送到处理器板PG16，这些信号对“地”隔离（又称“悬浮”信号）。主要的功能有：

1）调整输出12脉冲变频器电网侧整流器的电流实际值。

2）调整输出同步电压。

3）经PC板的背板，向脉冲输出板传输变频器电网侧整流器的触发脉冲。

4）输出所有的触发脉冲、过电流信号和0电流信号（I=0信号，即电流过“零”信号），有瞬时的，有延时的。

5）经PC板的背板，向SE21.2接口板传输数字量信号，例如切换过电流保护电流限值信号。

6）提供诊断信号。

7）处理外部输入的数字信号，例如“卸载”信号。

所有的测量实际值和数字信号，比如电压，可在连接端子上测得，信号进行了电信号隔离，可以防止外接信号短路带来的损害，可用于诊断、显示和监测。表4-5为SE48.1的主要功能。

表4-5 SE48.1的主要功能

（续）

（4）脉冲输出板IMPAG

来自SE48.1的触发脉冲经由IMPAG脉冲输出板传送到变频器整流侧的SAV21和SAV22上。SAV21和SAV22的功能是主晶闸管的触发和监测。IMPAG脉冲输出板没有放大信号的功能。

在A-100接口插件架上有固定槽位——S08。

IMPAG脉冲输出板有四个脉冲输出插口：

1）X1：整流侧（电网侧）1的触发脉冲输出。

2）X2：逆变侧（电动机侧）1的触发脉冲输出。

3）X3：整流侧（电网侧）2的触发脉冲输出。

4）X4：逆变侧（电动机侧）2的触发脉冲输出。

3.SIMADYN D的插件箱

SIMADYN D的插件箱内提供系统电源。—A100插件箱有24个槽位，其中1/3的槽位空闲；—A200插件箱有12个槽位，具有多层的PC背板，两条总线用于数据交换；所有的槽位贴有标签。

电源在插件箱的上部，提供多种必须的、对地隔离的电压（+5V，+15V，-15V）。电源的“地”接插件箱。

电源包括一个3.6V的锂电池，为SIMADYN D的RAM存储器提供后备电源。当电池的电压低于3.2V时，处理器模块1的七段显示器上显示闪动的“b”，提示用户更换电池。电池可在线更换，换电池后，要按键确认，以消除故障显示。

（1）处理器模块上7段显示器的内容 正常情况下，处理器模块（PM5/PG16/PS16）上的7段显示器应当显示“1～8”数字；当发生故障时，会显示最高级别的故障，其含义是：

1）1…8：逻辑处理器号。

2）A：用户错误（组态错误）。

3）b：硬件错误。

处理器模块1的七段显示器上显示闪动的“b”，需要立即更换后备锂电池，换电池后，需要按下处理器模块上的复位（“RESET”）按钮进行确认。

4）C：通信错误。（参见SIMADYN D服务手册）

5）E：任务管理错误。循环运行的操作系统执行任务超时。

6）F：监视错误。符号监视器出错。(www.xing528.com)

7）H，h：不可屏蔽中断（NMI）。检测到硬件故障时，会发出一个不可屏蔽中断。

8）0：初始化错误。初始化阶段后，检测到初始化错误，不允许循环运行。

9）U：未定义的操作代码（U0C）。处理器读到一个不可编译的指令；指令点不正确。

10）“—”：初始化阶段。硬件、系统软件、用户程序进行初始化。

11）“.”：静止。处理器瘫痪。

（2）处理器的功能处理器的功能板见表4-6。

表4-6 处理器功能板

4.同步板SA60

同步板SA60由两块板组成：

1）SA61同步变压器板；

2）SA20电网电源检测板。板上设有标准电压选择开关S1/S2，可选择100V，230V，400V，500V等标准电压等级；当低电压情况发生时，板上黄灯熄灭，而红灯点亮。正常情况下，黄灯点亮。

5.接口板

通过接口板，外来的信号转换成处理器板能够处理的信号。接口板位于SIMOVERT S控制柜的下方，完成以下功能：

1）外来信号与控制柜内信号的电气隔离（又称作去耦合）。

2）外来信号调整为控制柜处理器能够处理的弱电信号。

3）用接口板LED灯显示信号状态。

4）把外来的单个信号组成8位的组字信号（处理器一次可读入的字位）。

5）将各条电缆送来的信号加以转换，通过单排电缆传送到处理器板。

6.控制系统的24V电源

SIMOVERT S控制柜内下列电源电路各自独立，继电器监视各24V电源电压回路，并配有电气保护“微断”开关：

1）SIMADYN D插件箱电源。24V电源在其内部转换为内部所需要的+5V、+15V、15V等电压等级的电源。SIMA-DYN D系统有两种电源——SP8.18（带风扇）和SP9.18（不带风扇）。

2）CT（直流电流互感器）、PT（直流电压互感器）和同步电压板。24V电源通过DC/DC转换器变换为+24V、24V电压，供以上器件使用。

3）接收和传送到外部的数字量信号。24V电源通过DC/DC转换器向外部输入、输出信号接口板供电。

4）内部的24V需要。向数字量接口板、辅助接触器、人机界面、信号灯等内部器件提供24V电源。

（二）SIMOVERT S的电气保护功能

变频器控制部分监测重要的运行参数，如果这些参数超越了保护定值的限制就会发出保护信号，严重的故障发生时，就会保护停机。SIMOVERT S控制柜人机界面上显示故障、错误，并显示故障发生的时间。

1.过电流保护

当变频器整流侧（电网侧）或逆变侧（电动机侧）发生过电流故障时，变频器立即停机，并断开主电源。可能的原因：

1）通信错误。

2）电网电源电压过高。

3）触发系统故障或错误。

主电源开关会迅速断开，避免继发故障发生和重大损失。在主电源开关断开前，只要三相整流桥没有失控，而且电源仍然有电，整流侧整流桥会“推逆”到逆变稳定极限，直流环节电流迅速下降；同时，逆变侧转换为整流状态，这样，变频器迅速转变成反向逆变状态，把变频系统的电流降低为零，并断开断路器。

2.起动失败

如果电动机起动达到10%额定转速的时间超过了控制系统预定值，控制系统会放弃起动；再起动2次，发生同样的情况时，变频器控制系统会保护停机。电动机堵转时，这个保护功能可防止变频器逆变侧晶闸管长时间流过直流大电流，以及转子长时间过载发热。转子定位不准确，逆变器换相不准确，也可能造成变频器起动电动机速度过慢。

3.晶闸管监控

控制系统对变频器主回路晶闸管的关断能力和触发控制进行监视。晶闸管的状态反馈转换为光脉冲信号，传递到监控逻辑（软件包AUL）。根据这些反馈信号，控制系统可发出报警或跳闸指令。但控制系统区分不出故障是由于晶闸管本身，还是由于信号传送回路、晶闸管控制板的原因。现场维护人员要对这些环节进行进一步的检查。

（三）软件控制的开环和闭环控制功能包

SIMOVERT S变频器的开环和闭环控制功能由SIMADYN D进行控制。所有的控制任务由安装于-A100和-A200插件箱的5个处理器模块分别完成。每个处理器在规定的时间周期内处理特定的控制任务。功能包由标准单元组成（功能块FB）。详细信息可参见设备的STRUC G程序和Drive ES在线帮助信息。

-A100和-A200的控制功能可分为：“高压电气控制与监控”和“闭环控制及变频器相关的开环控制”。软件功能框图见图4-11。

1.软件控制功能

SIMOVERT S变频器的全部闭环控制由处理器板P1、P2、P3、P4完成。处理器板P1负责闭环速度控制和变频器相关的顺序控制；整流桥部分的闭环控制由处理器板P2和P3执行；逆变桥部分的闭环控制由处理器板P4执行。

1）处理器P2（PG16）运行功能包FP-MN1，控制任务是整流器1的触发控制。该功能包的调用与触发脉冲同步。它包括实际测量值处理、电流闭环控制、自动反向（断续换相）阶段控制、触发整流侧晶闸管。速度闭环控制输出的电流给定值（$WID），经过计算处理后，作为直流环节的电流给定；此功能包还生成低速阶段晶闸管断续换相所需的电流间歇，这个“电流间歇”保证了变频器的逆变器在电动机低速阶段的可靠换相。FP-MN1功能包还包括几个保护功能（如：故障、过电流），这些保护都需要电流迅速降低。

图4-11 SIMOVERT S软件功能框图

2）处理器P3运行功能包FP-MN2，控制任务是整流器2的触发控制。它的功能与功能包FP-MN1相同。

3）处理器P4与TS12板共同处理逆变器（电动机侧）的触发。

功能块FP-SMS采用无速度编码器电压换相技术，它采样电动机的两个线电压、两相电流，并据电动机的参数（阻抗、漏抗）计算得出电动机的电动势EMF成分。根据这些值和“电压模型”（类似于矢量控制的算法）计算得出电动机的磁通势（flux）、频率（frequency）和反电动势EMF。对应于上述计算得出的频率值，TS12内的计数器就可与电动机磁通势的位置保持同步计数。每60°电角度，这个计数器产生新的触发脉冲。考虑到电动机负载的影响，最终计算得出的脉冲触发位角会再有一些变化。

只有电动机长期运行在低速阶段，或电动机负载为高转动惯量负载时，变频器才需要脉冲编码器。

4）处理器P1运行控制软件包FP-AST，变频器逆变侧（电动机侧）的闭环控制的各个环节在此衔接，软件包的功能是判断各个环节能否向下一步进行，并负责协调进行前后衔接。此外，它还检查电动机磁通势或电动势EMF是否足够能保证逆变器的正常运行。在此软件包可以选择闭环控制的单个环节进行测试。

处理器P1运行的专用软件包FP-URG，监控着整流器和逆变器的闭环控制。根据变频器运行状况，转矩环错误（Torque shell error，软件包FP-MN1和FP-MN2）或逆变侧控制（功能块FP-SMS）故障在这里进行处理。

来自FP-AST软件包（变频器顺序控制）的报警、错误信号也在此进行处理。它还负责生成SIMADYN D控制系统的文本信息。

处理器P1运行速度闭环控制软件包FP-NRG。在此，由速度斜坡发生器和速度闭环控制器生成直流电流设定值（即$WID），并根据速度的变化给出转矩极限值。

软件包FP-WRG修正逆变器触发角度，使电流控制器即便在电网电压低的情况下，也能提供适当的转矩，维持电动机继续运行。

2.SIMADYN D控制系统

SIMOVERT S采用SIMADYN D数字控制系统。该系统是西门子公司专为电动机调速开发的高速、高性能数字控制系统。其软、硬件功能模块非常丰富。从系统配置到电量检测，以及与功率模块和触发模块的接口、人机对话接口一应俱全。软件控制系统中专门开发了一些“与驱动相关的”（DRIVE RELATED）软件模块，如电压模型检测UMS、功率模块触发控制TGS等，这部分是系统功能消化吸收、技术攻关的重点和难点。

一般用户无需购买SIMADYN D系统程序，因为SIMA-DYN D是一种专用的电动机控制系统开发软件，价格昂贵，通用性较差，现场工程调试功能不强。比如其存储器是采用ROM存储器，用户需采购专用读、写设备才能读写程序。用户使用中需要通过读取原程序和设备运行参数，了解设备运行状态和故障、报警参数，所以用户可以准备一些工具软件如IBS和STRUCVIEW（免费软件）。其中IBS403用于对系统的运行参数进行通信、观测；STRUCVIEW用于查看西门子随机提供的程序（但不能进行编程、修改程序、修改参数等）；以上两个程序可以满足用户读程序、故障判断等工作需要。

（四）SIMOVERT S变频器的保养

每年检查项目：

1）更换插件箱上的后备电池。

2）柜门防尘过滤垫除灰。

3）目视检查常规项目（如积灰等）。

4）紧固所有的端子。

5）检查柜内所有的带状电缆是否锁紧。

6）检查所有的螺栓联接是否可靠，包括插件上的紧固螺栓。