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西門子6AG4112-1GA00-5BX0 西門子6AG4112-1GA00-5BX0
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電機在額定轉速以上運行
1.1 弱磁運行
通常情況下，對于額定頻率為50Hz的異步電機而言,，在變頻驅動時,，可以按電機的轉速分為恒轉矩調速和恒功率調速兩種模式：
§ 恒轉矩調速段，額定轉速以下（50Hz以下）
§ 恒功率調速段,，電機弱磁運行,，額定轉速以上（50Hz以上）
在恒功率調速段，隨著電機轉速上升,，輸出轉矩會下降,，輸出功率不變，以1LA7060-4AB10為例,，電機的特性曲線如下：
<圖1-1> 1LA7060-4AB10特性曲線
1.2 87Hz運行
一般情況下,，功率在45kW以下的西門子異步電機可以適用87Hz應用。電機可以在不弱磁的情況下，在額定轉速以上運行（變頻器輸出到87Hz）,。以1LA7060-4AB10為例：
<圖1-2> 1LA7060-4AB10電機銘牌
電機參數(shù)如下：
§ 230V 角形/ 50Hz,，0.73A， 0.12kW,， 1350rpm,，功率因數(shù)0.75
§ 400V 星形/ 50Hz，0.42A,， 0.12kW,， 1350rpm，功率因數(shù)0.75
以G120變頻器為例,，在STARTER軟件中配置電機87Hz應用如下：
§ 電機繞組必須使用角形接法
§ 輸入角形接法的額定電機參數(shù),，并勾選87Hz運行：
<圖1-3> 電機參數(shù)配置界面
§ 配置完成后，可在p0133參數(shù)中確認,。
2 87Hz運行探討
那么,，為什么電機可以不弱磁，87Hz運行,，并且電機繞組需要使用角形接法呢,？下文對此做一個簡單的探討：
2.1 電機的定子電壓
*，交流電機運行時,，電機中會形成旋轉磁場,，產(chǎn)生電磁力，驅動電機旋轉,。同時,，旋轉的磁場在定子繞組上產(chǎn)生感應電動勢E。電動勢E的大小與磁通量Φ和磁場的旋轉速度n滿足一下關系：
在忽略繞組壓降的情況下,，電機繞組上的相電壓等于電機的反電勢,。
2.2 電機在不同的繞組接法時，相電壓與線電壓對應關系
角形接法時,，線電壓與相電壓相等,，線電流是相電流的
倍；星形接法時,，線電壓是相電壓的
倍,，線電流與相電流相等。
<圖2-2> 電機的繞組接法
2.3 87Hz應用,，電機繞組角形接法
以1LA7060-4AB10為例,，87Hz運行時：
§ 如果電機仍然使用星型接法，電機不弱磁運行到87Hz時,，要求變頻器的輸出電壓為690V,。對于實際應用來說,，一般變頻器供電電網(wǎng)電壓已經(jīng)固定，變頻器無法輸出690V電壓,；此外,，1LA7060-4AB10電機也無法在690V電壓下運行。
§ 如果將電機繞組改為角形接法,，電機不弱磁運行到87Hz,，根據(jù)前述內容，此時要求變頻器輸出的電壓為400V,。變頻器可在原供電電網(wǎng)下運行,，只需滿足角形接法時的額定電流要求即可。
2.4 87Hz應用注意事項：
§ 電機需要使用角形接法
§ 變頻器的功率需要比電機額定功率大：
87Hz運行時,，電機的功率為額定功率的 倍,，以1LA7060-4AB10電機為例，等效的電機參數(shù)如下：
電機額定電壓=
電機額定電流 = 0.73A
電機額定功率 =
電機功率因數(shù) = 0.75
電機額定頻率 = 87Hz
.2.1. S7-PLCSIM安裝與使用：
STEP7標準版并不包括S7-PLCSIM軟件包及授權,，需單獨購買,，STEP7 Professional 版包括了S7-PLCSIIM的軟件包及授權，安裝即可,。在菜單Options中，可以激活S7-PLCSIM,此時再進行上傳/下載/監(jiān)控等操作就是針對S7-PLCSIM了,，而不會對真實PLC進行操作（不論PLC是否聯(lián)機）,。
圖2 1S7-PLCSIM 調用
2.3. S7-PLCSIM軟件兼容性
不同S7-PLCSIM 軟件版本與STEP7及操作系統(tǒng)之間的兼容性：圖中的 X 表示兼容，- 表示不兼容
圖2 2S7-PLCSIM 軟件兼容性
3. S7-PLCSIM的使用
3.1. S7-PLCSIM特性
S7-PLCSIM 可以模擬一個S7控制器,，并且具備以下資源：
| 內存區(qū)域 | 描述 |
| 定時器 | T0-T2047 |
| M 存儲器 | 131,，072 BIT（16K BYTE） |
| I/O地址范圍 | 131，072 BIT（16K BYTE） |
| 過程映像區(qū)（可設置,，每個掃描周期更新） | 大131,，072 BIT（16K BYTE） |
| 預設值：8192 BIT（1024 BYTE） | |
| 本地數(shù)據(jù)區(qū)（可設置） | 大64K BYTE |
| 預設值：32K BYTE） | |
| 邏輯塊和數(shù)據(jù)塊 | 2048 FB/FC, 4095 DB |
| SFB | 除SFB12, SFB13, SFB14, SFB15, SFB16, SFB19, SFB20, SFB21, SFB22 , SFB23, SFB41, SFB42, SFB43, SFB44, SFB46, SFB47, SFB48, SFB49, SFB60,SFB61, SFB62, SFB63, SFB64, SFB65 以外的SFB |
| SFC | 除SFC7, SFC11, SFC12, SFC25, SFC35, SFC36, SFC37, SFC38, SFC48, SFC60, SFC61, SFC62, SFC65, SFC66, SFC67, SFC68, SFC69, SFC72, SFC73,SFC74, SFC81, SFC82, SFC83, SFC84, SFC87, SFC102, SFC103, SFC105,SFC106, SFC107, SFC108, SFC126, SFC127 以外的SFC |
| OB | 除OB55, OB56,OB57, OB61, OB62, OB63,OB64, OB81, OB84, OB87, OB88 and OB90以外的OB |
另外，S7-PLCSIM 還具備以下特性：
? 可以插入視圖來訪問：PLC的輸入/ 輸出/中間寄存器/定時器/計數(shù)器/數(shù)據(jù)塊,，支持符號地址訪問方式
? 可以使定時器自動運行或手動控制它們,，可以分別或統(tǒng)一復位定時器
? 可以更改CPU操作模式 (STOP, RUN, RUN-P)。并且S7-PLCSIM 提供了暫停模式,，用戶可停止程序的執(zhí)行,，而不影響仿真CPU中的狀態(tài)
? S7-PLCSIM 提供了單周期掃描模式，可以方便調試
? 可以使用中斷 OB 來測試程序邏輯
? 可以記錄一系列事件（操作輸入/輸出/M存儲器/定時器）,，并且可以回放記錄的事件,，可以用于自動程序測試
? 可以使用所有的 STEP 7 工具來監(jiān)視和調試S7-PLCSIM所仿真的PLC(而不需要實際的硬件)
3.2. S7-PLCSIM調用
可以通過STEP7菜單Options-> Simulate Modules，激活S7-PLCSIM,； 或者通過點擊工具欄中的
圖標,，來激活S7-PLCSIM,。
3.3. S7-PLCSIM簡單示例
3.3.1. S7-PLCSIM界面：
下圖為S7-PLCSIM工作界面，
圖3 1: S7-PLCSIM 視圖
3.3.2. S7-PLCSIM菜單
1. File菜單:
用戶可以通過S7-PLCSIM菜單File > Save PLC As, 將當前模擬的PLC存儲為一個文件,，下次使用時可以通過File > Open PLC,直接打開此文件,，而不需要下載過程，方便調試,。對于S7-PLCSIM V5.4版本,，可以在此設置多種下載方式，例如,，MPI, DP, Ethernet,。
2. View菜單:
用戶可以通過View > Accumulators/Block Registers/Stacks來查看PLC內部的累加器/地址寄存器/狀態(tài)字/堆棧資源
3. Insert菜單:
用戶可以通過Insert >Input Variable插入變量（輸入/ 輸出/中間寄存器/定時器/計數(shù)器/數(shù)據(jù)塊）方式來模擬各種工況。
4. PLC菜單:
用戶可以通過PLC 菜單模擬真實PLC的上電/斷電,，內存復位操作,，以及修改PLC的MPI地址(S7-PLCSIM V5.4版本以下)。
5. Execute菜單: (僅對部分內容作解釋)
? Key Switch Position: RUN與RUN-P的區(qū)別,，在RUN情況下,，用戶無法下載程序及修改S7-PLCSIM內部存儲區(qū)；RUN-P情況下,，用戶可以下載程序及修改S7-PLCSIM內部存儲區(qū),，在兩者中任意一種情況下，用戶程序都可以正常運行,。
? Startup Switch Position: 用戶可以選擇當S7-PLCSIM由STOP模式轉換到RUN模式時,，執(zhí)行的啟動類型：Cold Start, 操作系統(tǒng)將調用OB102，用戶程序從開始位置執(zhí)行,，存儲在非保持區(qū)的用戶數(shù)據(jù)被刪除,；Hot Start, 操作系統(tǒng)將調用OB101，并且用戶程序從中斷位置繼續(xù)執(zhí)行,；Warm Start, 操作系統(tǒng)將調用OB100,。
? Scan Mode: Single Scan S7-PLCSIM*的掃描模式，程序僅執(zhí)行一個周期,，當用戶通過Next Scan操作時,，S7-PLCSIM 執(zhí)行下一個掃描周期；Continuous Scan S7-PLCSIM 按照普通模式仿真真實PLC 掃描模式,。
? Next Scan: 當用戶可以使能S7-PLCSIM 執(zhí)行下一個掃描周期
? Pause: 在不影響輸出的情況下,，中斷當前仿真的程序，注意在暫停的情況下,，可能會導致其它應用程序與S7-PLCSIM的超時或連接中斷,。
? Automatic Timers:定時器自動運行
? Manual Timers: 可以通過插入定時器窗口，手動設置定時器的值及時基,。
? Reset Timers:用戶可以復位所有/部分的定時器
? Trigger Error OB:
? Scan Cycle Monitoring: 用戶可以在此設置允許的大程序執(zhí)行時間,，如果程序執(zhí)行超過此時間,，S7-PLCSIM將進入停止狀態(tài)。
6. Tools菜單:
? Record/Playback S7-PLCSIM主要用于模擬工況,，而即使一個簡單的工況也可能是由一定時間段內的各種觸發(fā)事件組成的,。如果重復調試某個工況，而*依賴于手工操作模擬,，是比較困難的,。S7-PLCSIM可以解決這個難題：編程人員可以將手工模擬過程錄制成一個事件文件，針對不同的工況,，可以錄制不同的事件文件,。選擇不同的事件文件，即可模擬不同的工況,，而不必一次又一次地去手動輸入,。
1) 錄制事件：此時操作者的每一步操作都會被記錄下來
圖3 2: 錄制事件
2) 回放事件：此時操作者的每一步操作會依次被重現(xiàn)（現(xiàn)在為第2 個操作）
圖3 3: 事件回放
? Options 在此菜單下S7-PLCSIM可以先使用 Attach Symbols，導入step7項目的符號表,，然后在監(jiān)控的情況下使用,。
3.4. S7-PLCSIM的常見問題
3.4.1. 問題：S7-PLCSIM與在線連接的優(yōu)先級
問題：當S7-PLCSIM已經(jīng)運行，并且計算機已經(jīng)與真實PLC有正確的編程連接方式,，此時點擊在線監(jiān)控或者下載程序,，STEP7所訪問的節(jié)點是S7-PLCSIM還是真實PLC呢？
解答：S7-PLCSIM的優(yōu)先級要高于真實PLC在線連接的優(yōu)先級,。也就是說,，在S7-PLCSIM軟件運行的情況下，所有的下載/上傳/監(jiān)控操作,，都是針對S7-PLCSIM進行的，與真實PLC無關,。有時計算機與真實PLC無法建立連接可能就是因為S7-PLCSIM正在運行,，此時關閉S7-PLCSIM即可。
3.4.2. 問題：S7-PLCSIM與WinLC的區(qū)別
問題：S7-PLCSIM與WinLC有何區(qū)別,？
解答：WinLC的特性相當于真實PLC的特性, 所以此問題請參考本文中S7-PLCSIM與真實PLC區(qū)別的章節(jié),。
3.4.3. 問題：無法調用OB40
問題：為什么在S7-PLCSIM菜單中無法觸發(fā)OB40？
解答：S7-PLCSIM仿真真實的PLC,由于OB40與硬件組態(tài)關系密切,，所以只有在下載了硬件組態(tài)后（或者Block文件夾下的SDB文件）,，在S7-PLCSIM菜單中才可以觸發(fā)OB40。
3.4.4. 問題：S7-PLCSIM仿真通信程序
問題：S7-PLCSIM是否可以仿真通信程序,，例如：PTP通信,，以太網(wǎng)通信？
解答：S7-PLCSIM無法仿真通信程序,此問題請參考本文中S7-PLCSIM與真實PLC區(qū)別的章節(jié),。
3.4.5. 問題：S7-PLCSIM是否可以仿真定時器或定時中斷功能
問題：S7-PLCSIM是否可以仿真定時器或定時中斷功能,？
解答：S7-PLCSIM的本質是一個在Windows環(huán)境下運行的應用程序,，所以其執(zhí)行狀態(tài)與計算機的性能及系統(tǒng)資源使用狀態(tài)都有著密切的聯(lián)系。其仿真程序的掃描周期也實時受計算機負荷的影響,，程序掃描周期可能會延長到幾十個毫秒或者幾百個毫秒,。因此，當S7項目中的定時器時基定義非常?。ɡ?0 毫秒）時,，或者定時中斷周期非常小（例如幾個毫秒）時,，S7-PLCSIM（受Windows運行機制及計算機性能影響）是無法在這么短的時間內完成應有相應的,。對于真實的PLC, 由于其實時功能是由硬件來保證的，所以不存在上述問題（如果程序量比較大,，程序掃描周期大于定時器的預設時間,，這種情況下應當使用定時中斷功能代替定時器的使用）。所以對于時序邏輯要求不嚴格的程序邏輯,，可以使用S7-PLCSIM仿真的,；對于時序邏輯要求嚴格的程序邏輯，使用S7-PLCSIM仿真是不可靠的,。
3.4.6. 問題：項目下載后,，S7-PLCSIM 的SF點亮
問題：為什么項目下載后，S7-PLCSIM 的SF點亮,，但程序仿真執(zhí)行不受影響,？
解答：這種情況多出現(xiàn)于向低版本的S7-PLCSIM 軟件下載了其無法識別的新硬件組態(tài)。用戶升級S7-PLCSIM的軟件版本即可,。
變頻器在提升設備的相關應用
這一期和大家談談變頻器驅動提升類負載的相關問題,，提升類負載實際上是位能性恒轉矩負載的一個通俗說法。大家能直觀想到這類負載的實際應用,，比如：起重機的主鉤副鉤,，卷揚機、電梯,，扶梯,，堆垛機升降機構，礦井罐籠,，上料小車,，斗提機，塔機,，港口的裝卸橋,，門機，車廠的搬運設備等等,。
我們在之前的欄目中曾經(jīng)介紹過機械負載的分類,，其中包含位能性恒轉矩負載,，這里再次回顧一下這種負載類型的特點：
１、 負載轉矩恒定,。
２,、 負載轉矩方向始終向下。
３,、 特性曲線位于*,、第四象限。
４,、 重物下放,，存在能量回饋情況,。
針對這種負載特性，無論哪個行業(yè),，什么工況的提升機設備,，對于變頻器電機構成的電氣傳動系統(tǒng)來講,，核心的兩個問題就是：
（１） 位能的處理。
（２） 抱閘的控制,。
一,、位能的處理：
１、重物下放過程中能量的轉換過程
a.重物下放,，重力勢能轉換成重物的動能,。
b.重物通過鋼絲繩、減速機等機械機構反脫電機（電機轉子速度超過變頻器輸出的速度）,，使得電機處于發(fā)電狀態(tài),，重物所具有的動能轉化成電能。
c.電能通過變頻器的逆變橋二極管,，流向直流回路,。
d.由于直流環(huán)節(jié)的電容容量所限，電能不可能無限制地吸收,。
２,、直流環(huán)節(jié)電能的處理：
a.如果變頻器配備了制動單元和制動電阻,，可以通過CU單元控制制動單元的開通，將制動電阻接入,，將電能轉換成電阻發(fā)熱的熱能,。
b.如果變頻器的整流橋具備能量回饋功能，可以通過CU單元控制控制整流單元,，將能量回饋到電網(wǎng),。
c.電機回饋能量的及時處理,， 確保變頻器不發(fā)生過電壓故障。
d.當然直流環(huán)節(jié)的電能是通過發(fā)熱消耗掉,，還是回饋電網(wǎng)再利用,，需要綜合考慮設備的工況和變頻器的投入預算。
二,、抱閘的控制：
電機抱閘的控制,，西門子變頻器提供了抱閘控制方式，比如順序控制,，通過BICO互聯(lián)參數(shù)進行控制,。當電機的控制方式為矢量控制時，開閉抱閘條件為設定輸出扭矩的門限值,；如果電機的控制方式為V/F方式,，開閉抱閘條件設定為速度的百分比。
對于西門子的S120,、G130,、G150系列變頻器，還提供了擴展抱閘功能,，擴展抱閘的控制功能更強大一些,，可以加入一些更復雜的狀態(tài)參量，去控制抱閘,。
當然電機抱閘的控制也可以用外圍的PLC進行控制,。
三,、提升類負載變頻器調試注意事項
1、 抱閘的邏輯的調試,、打開關閉延時時機調試（P1216，P1217）,。
2,、 多變頻器控制多電機的系統(tǒng),，抱閘的動作需要*。
3,、 抱閘線圈不允許接到變頻器的輸出,，需要正確接到相應電源上,。
4、 制動單元,、制動電阻參數(shù)正確設置（P219,、P1531）,。
5、 制動電阻工作過程中會發(fā)熱,，需保證制電阻周圍有足夠的散熱空間。
6,、 速度環(huán)優(yōu)化、考慮 加速度預控,。
7,、 各種限幅保護,，比如轉矩、電流,、功率等,。
8、 對于載客人電梯,，需要考慮舒適度,，可以增加圓弧曲線；增設稱重傳感器,，進而調整速度環(huán)PI參數(shù),。
9、 這類負載通常需要帶載啟動,，要求變頻器能夠在低頻輸出大的扭矩,，需要調整低頻補償電壓。
10,、 通常提升類應用,，在軌道上或者鋼絲繩滾筒上，都會設置極限,、超極限保護,，系統(tǒng)超速保護,、鋼繩過卷保護，防止重物沖頂或者墜底,。
11,、 對于垂直載人電梯，設置機械電氣的多重保護,，比如機械限速、超重,、井道安全鉗等,。
四、提升類負載常見問題及處理
１,、 溜車：需要檢查抱閘延遲時間，開閉抱閘的扭矩,，或者外圍控制抱閘的邏輯,，抱閘的機械執(zhí)行機構是否有問題。
２,、 過流：抱閘打開過晚，電機處于堵轉狀態(tài),；重物由懸停狀態(tài)進行二次起升時抱閘打開過早,，重物開始下落，電機的輸出扭矩不足以克服重物向下的扭矩,，電機降速過程中抱閘投入過早,；提升重量超過額定負載；速度環(huán)參數(shù)不合理,。
３、 過壓：可能制動電阻功率不夠,，或者參數(shù)設置不合適,。
４,、 制動電阻發(fā)熱嚴重， 檢查電阻功率選擇,，是否滿足負載回饋功率的峰值及平均功率的曲線,，是否滿足電阻本身負載的重復周期。制動模塊和制動電阻的負載曲線請參考下圖：
化工儀器網(wǎng)