2024年3月16日发(作者：海尔冰箱价格一览表)

应

用技术

AppliedTechnology

文章编号：

1674-9146渊圆园18冤06原园084原园4

西门子S120变频调速系统

*

在包钢450t铸造起重机上的应用

孙杰，冀孟轩

太原030024）（太原重工股份有限公司技术中心，山西

摘要：针对西门子

S120

变频调速系统在包钢

450t

铸造起重机上的设计思路及应用，介绍了铸造起重机及其调速系

统的组成，分析了

S120

变频调速系统的优点，从

ALM

整流回馈单元设计、变频调速设计、

CU320-2DP

设计、主从

参数配置、

PLC

系统与安全监控系统设计等方面，详细阐述了整车系统设计思路。根据设备运行情况，指出铸造起重

机

S120

变频调速系统运行

4

年来以极低的故障率得到了用户的好评，系统的稳定性、安全性及特殊冗余配置的设计

方案也得到了很好的验证，为

S120

系列调速系统在大型起重机上的推广应用打下了基础。

关键词：起重机；铸造起重机；调速系统；变频调速系统；整车系统设计

中图分类号：

TH218

；

TG231.1

；

TM921.51

文献标志码：ADOI：

10.3969/.1674-9146.2018.06.084

铸造起重机及其调速系统简介

包头钢铁（集团）有限责任公司（简称包钢）新体

系炼钢区在用

5

台

450t/80t

铸造起重机均由太原

重工股份有限公司设计生产制造，每台起重机分别

设置

450t

主起升机构、

80t

副起升机构、副小车

运行机构、主小车运行机构及大车运行机构

5

个运

行机构。起重机调速系统采用西门子新一代

S120

整流回馈

+

逆变方式，逻辑控制部分采用西门子

S7-400PLC

系统。起重机电气设备分别放置在起重

机两根主梁内。该系列起重机具备设备先进、可靠

性高、运行稳定的优点。起重机主要参数见表

1

。

2起重机调速系统

2.1

调速系统组成

调速系统分为

3

个主要部分：供电系统、控制

单元以及变频调速系统。

1

）供电系统。整车动力供电采用三相加

PE

线交流

3000V

供电，经安装在起重机上的中压

变压器降压为三相交流

690V

主动力电源和交流

400V

辅助电源。

[基金项目]太原重工股份有限公司项目（02012008）

收稿日期：

圆园18原04原19曰

修回日期：

圆园18原05原19

作者简介：孙

1

表1起重机主要参数

起重机

额定起重

跨度

轨面

质量

型式/m

标高

/t/m

主起升

副起升

小车动行

大车运行

450

80

—

—

—

—

—

23.4

—

—

—

30

起度

升高

/m

-10~23

速度

/m·min

-1

工作

级别

M8

M7

M7

M7

1~10（重载）

1~12（空载）

1~10（重载）

-10~23

1~12（空载）

234~40

—8~80

2

）控制单元。采用

S7-400PLC

系统进行逻辑

运算，远程数据通信采用

ET200

远程站实现，

ALM

整流回馈以及各机构的逆变器通过

CU320-DP

与

S7-400PLC

系统通信，整车共设置

5

套

CU320-2DP

控制单元。

3

）变频调速系统。调速系统采用整流回馈单

元

+

公共母线

+

逆变器形式。整流回馈单元采用两台

西门子交流

690V1400kWALM

单元，为各机构逆

变器提供直流电源，

450t

起升机构、

80t

起升机

构、副小车运行机构均采用一台逆变器拖动一台电

358123455@。杰（1978-），男，山西代县人，工程师，主要从事起重机电气控制研究，E-mail：

通信作者：冀孟轩（1984-），男，河北保定人，工程师，主要从事起重机电气控制研究，E-mail：332096162@。

084

SCI-TECHINNOVATION&PRODUCTIVITY

晕燥援6Jun.圆园18袁栽燥贼葬造晕燥援293

机，主小车运行机构及大车运行机构分别采用

2

台

逆变器拖动

4

台电机，各调速系统之间在设计时应

考虑到事故情况下的冗余配置。电机及驱动器调速

系统参数见表

2

。

表2电机及驱动器调速系统参数

电机

驱动器

机构名称

额

驱

功

定额定

数量

额定

方式

动

/kW

率电压

额定

/V

/台

功

/kW

率电压

数量

/V

/台

450t起升

780690

2

12006902

一拖一

80t起升

230690

1

3156901

一拖一

副小车

30690

1

756901

一拖一

主小车

37690

4

906902

一拖二

大车

11

一拖二

2.2S120

变频调速系统优点

西门子

S120

系列变频调速产品与原西门子

70

系列变频调速产品相比，不仅涉及到产品自身的更

新换代，而且由于

S120

系列产品功率部分和控制

部分采用分体式设计，在模块化、集成化设计方面

优势更加明显，除简化了调试步骤、缩短了调试周

期外，

以及运

1

）采

还具有如下

3

个方面的特点。

行机

用

构

ALM

刹车

整

时

流

，

回

能

馈

量

单

通

元

过

，在

ALM

起升

整流

机构

回

下

馈

降

单

元回馈到电网，节约能源成本，

ALM

整流回馈单

元谐波分量在

1%

以内不会在能量回馈到电网时对

电网产生

调速范

2

）采

污染

围广

用

，

变

。

起升

频调

机

速

构

系

采

统

用

，

增

各

量编

机

码

构

器

调

作

速

为

精

速

度

度

高、

反

馈，速

来控

3

制

）

度

各

S120

波动

逆变

全

小

器

变

，

，

频

低速时转矩大。

PLC

调速

只

系

与

统采

CU320

用

CU320

进行

DP

控制

通

单

信

元

，

减少

DP

通信节点，方便查看故障以及数据采集。

3整车系统设计思路

包钢

450t/80t

铸造起重机是吊装钢水包的特

种设备，在设计时充分考虑了系统的安全性、稳定

性与可靠性，在调速装置配置及控制系统方式方面

均采用了特殊冗余设计

元互

1

为

）调

备用

速

，

装

逆

置配置

变器之

方

。

间

面

也

。两

做了

套

互

ALM

为备

整

用

流

，

回

其

馈

中

单

大

车逆变器为

80t

起升机构备用，主小车逆变器为副

小车机构备用，确保任一个机构逆变器发生故障时

吊运的钢水包均能安全稳定地放置到预

制系

2

统

）

，

控

当

制系

PLC

统

系

方

统

式

出

方

现

面。因

故障

采

时

用

为

了

定

确保

PLC

位置

起

逻辑

。

重机

控

能

将钢水包安全吊装在预定位置，故在控制方式方面

采用了

PLC

逻辑通信控制与独立于

PLC

系统的纯

硬线控制回路。在

PLC

发生故障时，纯硬线控制

AppliedTechnology

应用技

术

回路可以继续控制整车的正常运行。

3.1ALM

整流回馈单元设计

两套

ALM

整流回馈单元正常情况下各拖动一

条直流母线下的逆变器单元，

1

号

ALM

整流回馈单

元直流母线下拖动

1

号

450t

起升逆变器、

80t

起升

逆

2

变器、

1

号主小车起升

起升

号

ALM

逆变器

整

、

流

副

回

小

馈

车

单

逆

元

变

直

逆

器

流

变器、

1

号大车逆变器；

、

母

2

线

号

下

主小

拖动

车

2

起升

号

450

逆变

t

器、

2

号大车逆变器。

当任一

ALM

整流回馈单元发生故障时，可以

通过直流母线切换开关来切换到用单独一套

ALM

整流回馈单元拖动起重机所有逆变器工作的模式。

为防止母线切换开关切换错误导致两

ALM

整流回

馈单元输出侧短路的情况出现，直流母线开关信号

联

ALM

锁进入

流回馈

整

单

流

PLC

元

回

。

馈

系

单

统

元

，

不

如

会

果

启

直

动，

流母

有

线

效

开

保

关

护

切

了

换

ALM

错误

整

，

3.2

变频调速设计

变频驱动系统中采用相互冗余的设计思路，包

括以下

4

个方面

套整

1

流

）

回

两

馈

套

单

ALM

。

元在发生

整流回

故

馈

障

单

时

元

，

的设

另一

计

套

，

ALM

确保在

整

一

流

回馈单元能拖动整台车的所有机构运行，这种情况

下起升机构的运行速度降为额定速度的一半

拖动

2

2

）

台

450

电机

t

主

，

起升

2

台

采

电机

用两

通

套

过大

CU320-2DP+

。

减速机驱动

逆

卷

变

筒

器

，

为了确保

2

台电机出力均衡，

2

台逆变器之间采用

力矩主

方式

3

，

）

从

每

大

方

台

车

式

逆

采

。

变

用

器

2

拖

台

动

逆

2

变

台

器

电机

拖动

运

4

行。

台电机

当

1

的

台

驱

逆

动

变

器发生故障时，大车以半速运行；当

80t

起升机构

逆变器发生故障时，大车

1

台逆变器可以为

80t

起

升机构备用，

80t

起升机构可以全速运行，大车以

半速运

动方

4

式

）

行。

，

主小

每台

车

逆

采

变

用

器

2

拖

台

动

逆

2

变

台

器

电机

拖动

运行。

4

台电机

当

1

的

台

驱

逆

变器发生故障时，主小车以半速运行；当副小车机

构逆变器发生故障时，主小车

1

台逆变器可以为副

小车机构备用，副小车机构可以全速运行，主小车

以半速运行。

3.3CU320-2DP

设计

整车调速设备由

4

个

CU320-2DP

控制单元进

行控制，

1

号、

2

号

CU320-2DP

同时设置在一个电

气梁，

3

号、

2

号

CU320-2DP

同时设置在另一个电

气梁。其中，

1

号

CU320-2DP

控制

1

号

ALM

整流

回馈单元、

1

号

450t

起升逆变器单元、

1

号主小车

科技创新与生产力

2018年6月总第293期

085

应

用技术

AppliedTechnology

逆变器单元；

2

号

CU320-2DP

控制

80t

起升逆变

器单元、

1

号主小车逆变器单元、

1

号大车逆变器

单元；

3

号

CU320-2DP

控制

2

号

450t

起升逆变器

单元、

2

号大车逆变器单元；

4

号

CU320-2DP

控制

副小车逆变器单元、

2

号主小车逆变器单元。

3.4

主从参数配置

3.4.1CU320-2DP

参数配置

1

号和

3

号

CU320-2DP

分别安装了一块

CBE20

通信板，实现了

2

台

450t

起升车逆变器单元数据

传输，进而实现力矩主从控制。

CBE20

通信板参数

配置见表

3

。

表3CBE20通信板参数配置

说明单元名称

参数号站点1

站点2

16SINAMICSLink项目节点数CU

P881116

1等时同步方式是否激活CU

P8812.0

1

CU

P8812.12000

2000总线周期，单位为μs

2IF2等时同步CU

P8815.0

2

1IF1PROSAFECUP8815.1

1

3CBE20的固件选择CU

P8835

3

SINAMICSLink地址

1CU

P8836

1

PZDIF硬件分配，IF1板载

1CU

P8839.0

1

控制单元

IF2COMMBOARD

2CUP8839.1

2

注：CU为CU320-2DP控制单元

表4起升逆变器单元参数配置

单元名称

DO

DO

DO

DO

DO

DO

DO

DO

DO

DO

DO

DO

DO

DO

DO

DO

DO

DO

DO

DO

参数号

r8850

r8860

P8851.0

P8861.1

P8861.3

P8871.0

P8871.1

P8871.2

P8871.3

P8871.4

P8872.0

P8872.1

P8872.2

P8872.3

P8872.4

P8870.0

P8870.1

P8870.2

P8870.3

P8870.4

站点1站点2说明

IF2PZD接收单字

IF2PZD接收双字

IF2PZD发送单字

IF2PZD发送双字

IF2PZD发送双字

发送缓存

发送缓存

发送缓存

发送缓存

发送缓存

接收地址

接收地址

接收地址

接收地址

接收地址

接收缓存

接收缓存

接收缓存

接收缓存

接收缓存

r898

r79

r1150

1

2

3

4

5

2

0

0

0

0

1

0

0

0

0

r899

0

0

1

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

2

3

4

5

注：DO为450t起升逆变器单元

通过在

CU320-2DP

控制单元上配置参数，建

立起

2

个

CU320-2DP

之间的通信。下面在

2

个

450t

起升逆变器单元设定传输的数据以及接收的

数据。

3.4.2

起升逆变器单元参数配置

2

个

450t

起升逆变器单元之间采用力矩主从的

方式，以保证两起升电机出力的平衡。起升逆变器

单元参数配置见表

4

。

通过在

2

个

450t

起升逆变器单元的参数配置，

实现了

2

台

450t

起升机构之间的力矩主从运行，

达到了稳定运行的要求。

3.5PLC

系统与安全监控系统设计

3.5.1PLC

系统设计

在正常运行情况下，整车的控制由

PLC

系统完

成。当

PLC

系统出现故障时，纯硬线控制回路可以

继续控制整车运行。图

1

为

PLC

系统硬件配置图。

由图

1

可知，

PLC

系统逻辑控制器采用西门子

400

系列

CPU

，各运行机构及司机室操作信号经

图1PLC系统硬件配置图

086

SCI-TECHINNOVATION&PRODUCTIVITY

晕燥援6Jun.圆园18袁栽燥贼葬造晕燥援293

AppliedTechnology

应用技

术

ET200M

远程站采集后，通过

PROFIBUS

网络与西

门子

400

系列

CPU

进行数据通信。

起重机上共设置

6

个

ET200M

远程站，分别

为：配电及总控

ET200M

远程站

AOO

，地址为

7

；

450t

起升机构

ET200M

远程站

A11

，地址为

6

；大

车及

80t

起升机构

ET200M

远程站

A43

，地址为

4

；

主

/

副小车

ET200M

远程站

A53

，地址为

5

；

PLC

系

统公共信号

ET200M

远程站

A71

，地址为

3

；司机

室

ET200M

远程站

A72

，地址为

9

。

PLC

系统设置两条

DP

网络，一条

DP

网络用

于

ET200M

远程站以及位置编码器通信，另一条

DP

网络用于

4

个

CU320-2DP

通信。在两条

DP

网

络中，一条使用

CPU

自带

DP

接口，另一条使用

CP443-5

模块的

DP

接口。设置两条

DP

网络的目

的是将驱动单元与远程数据通信信号、

I/O

信号分

开，不会相互影响。

3.5.2

安全监控系统设计

起重机设计了安全监控系统，上位机采用西门

子

PC677

系列一体式工业计算机，上位机通过以

太网口与控制

CPU

进行数据通信，并采用西门子

WINCC

软件对接收到的信号进行处理，实现对整

台起重机运行数据的记录、存储和归档。

整台起重机设计了视频监控，共设置了

4

个摄

像头，司机室设置了视频控制云台、视频主机以及

显示器，视频主机采用

2TG

工业硬盘，可以对视频

进行存储。

整车安全监控系统设计满足

GB/T28264

—

2017

起重机械安全监控管理系统

[1]

的技术要求。

4设备运行情况

包钢新体系

5

台

450t

铸造起重机于

2014

年

3

月

20

号正式设入使用，运行

4

年来以极低的故障

率得到了用户的好评。同时西门子

S120

变频调速

系统的稳定性、安全性及特殊冗余配置的设计方案

也得到了很好的验证，为太原重工股份有限公司在

大型铸造起重机领域的地位再添辉煌，同时也为西

门子

S120

系列变频调速系统在大型起重机上的推

广应用打下了基础。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家

标准化管理委员会.起重机械安全监控管理系统:GB/T

28264—2017[S].北京:中国标准出版社,2017.

（责任编辑邸开宇）

ApplicationofSiemensS120Variable-frequencySpeedControlSystemin450t

LadleCraneofBaotouSteelGroup

SUNJie

，

JIMeng-xuan

（

TechnologyCenter,TaiyuanHeavyIndustryCo.,Ltd,ShanxiTaiyuan030024China

）

Abstract

：Inthispaper,aimingatdesignthoughtandapplicationofSiemensS120variable-frequencyspeedcontrolsystemin

450tladlecraneofBaotouSteelGroup,theauthorsintroducedladlecraneandcompositionofitsspeedregulatingsystem,

and,theauthorsdetailedlyexpoundeddesign

thoughtsofvehiclessystemfromaspectsofdesignofALMrectifiedfeedbackunit,frequencycontroldesign,CU320-2DPde-

sign,master-slaveparameterconfiguration,,accordingtotheopera-

tionstatusoftheequipment,theauthorspointedoutthatvariable-frequencyspeedcontrolsystemofladlecraneS120has

bility,safetyandspecialredundancyconfigurationdesign

schemeofthesystemhasalsobeenwellverified,whichcouldlayfoundationforpromotionandapplicationofS120series

speedregulatingsystemonlargecranes.

Keywords

：crane;ladlecrane;speedregulatingsystem;variable-frequencyspeedcontrolsystem;vehiclessystemdesign

科技创新与生产力

2018年6月总第293期

087