西门子6SL3120-1TE32-0AA4

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2018年6月7日，西门子楼宇科技集团“用数字化创造**空间”主题路演正式在北京开幕。本次路演共计十二站，已经先后在兰州和西安成功举办。“作为智能楼宇解决方案的****者，西门子始终以提供世界良好的解决方案为用户实现舒适、节能、安全的生活和工作环境为己任。”西门子（中国）有限公司执行副总裁、楼宇科技集团总经理邵康文表示，“我们希望借助此次中国十二城的路演活动与客户进行深入而有效的沟通，用我们的技术与诚意携手中国用户共创**空间。”

随着中国楼宇市场的不断成熟，客户需求也逐渐走向精细化。除了低能耗、绿色环保、舒适、便捷、安全等要求外，如何让建筑实现数字化从而更好地为人服务，满足用户的个性化需求，这就对楼宇行业提出了更高的要求。

楼宇自动化是楼宇行业数字化的基石。通过楼宇自动化与“以人为本”的理念相结合，智能空间的概念就应运而生。智能空间将为客户带来更安全、健康、舒适和节能的优势。此次巡展，西门子楼宇科技集团全面展示的控制产品与系统和解决方案与服务将切实支持智能空间的实现。控制产品与系统涵盖楼宇自动化与控制系统、房间自控、暖通空调标准控制器、传感器、阀门与执行器、风阀、工程调试与能源优化工具和消防安全产品及系统，其研发中心遍布**。解决方案和服务涵盖智能楼宇自动化解决方案、全集成楼宇解决方案及垂直市场方案、生命周期管理服务、火灾报警解决方案、入侵与门禁控制解决方案、周界与视频管理系统以及指挥与控制系统。

在未来，楼宇设备与解决方案还可以接入西门子基于云的物联网开放系统MindSphere，实现楼宇互联，对其产生的海量数据进行深度挖掘分析，在能效优化之外，借助数字化的力量让人与建筑的“对话”从而较终实现创造**空间的品牌理念。

西门子楼宇科技集团提供智能综合的楼宇解决方案，包括楼宇自控、消防、安防等领域*的产品、系统和解决方案，目前已广泛实践和应用于不**业如商业楼宇，酒店、地铁、数据中心、机场等。

1问题的提出

1.1 如何扩展**值编码器的测量范围
在运动控制系统中，经常使用**值旋转编码器作为位置反馈，**值编码器具有返回值与实际位置一一对应、断电后位置信息不丢失等优点，在使用时给用户带来了很多方便，比如在设备重新上电时，不需要重新寻找参考点（回零）。
不过**值旋转编码器也有缺点，不管是单圈**值编码器，还是多圈**值编码器，它的测量范围都是有限的。如果负载不停地单方向运行，那么一定会造成编码器返回值溢出，此时编码器的值又重新返回零，周而复始。此时如果设备重新上电，编码器返回值是不包含溢出次数信息的，所得到的位置值也是不可用的。

图1 **值旋转编码器的返回值与负载位置的关系

问题1：在使用SINAMICS S120进行位置控制时，在采用**值编码器作为位置反馈时，如果负载行程较长，**出了**值编码器的测量范围，那么在设备重新上电时，编码器的返回位置r0483与负载实际位置是不匹配的。此时应该如何扩展**值编码器的测量范围，正确地读取负载的位置？

1.2 如何正确使用测量齿轮
在一些场合会使用测量齿轮改变电机或负载的转速特性，以便于速度或位置的测量，如图2所示为一个齿轮比为1：3的测量齿轮。如果所用的编码器为**值编码器，那么在发生溢出时，编码器返回值的零点与电机/负载的零点就出现偏移，偏移量的大小取决于齿轮比。一旦编码器返回值发生溢出，负载的实际位置值就不可用了。

图2 测量齿轮示意图

举一个例子，在使用图2的测量齿轮时，假设所用的编码器是一个8圈的**值编码器，那么默认情况下，编码器返回位置、电机/负载的角度、编码器的角度随时间变化的关系如图3所示。

图3 编码器返回位置、电机/负载角度、编码器角度的关系

从图3可以看出，在编码器旋转8圈以后发生溢出，每次溢出后编码器返回值的零点与电机/负载的零点会有1/3圈的偏移，在发生溢出以后编码器返回的位置值就不可用了。在溢出3次以后，编码器返回值零点与电机/负载零点又重合了。

问题2：在使用SINAMICS S120进行位置控制时，在采用**值编码器作为位置反馈时，如果使用了测量齿轮，那么如何在编码器溢出时，也能正确读取电机/负载的实际位置？

2 SINAMICS S120位置跟踪功能的使用

2.1 SINAMICS S120位置跟踪功能概述
SINAMICS S120位置跟踪（Position Tracking）可用于：

? 扩展**值编码器的测量范围
? 在使用测量齿轮时，正确计算负载的位置

该功能可通过参数P0411.0来激活，激活以后，编码器溢出的次数信息会被保存在断电保持数据区中，这样即使编码器返回值发生溢出，即使设备重新上电，也可以重新根据编码器溢出次数和当前返回值计算出负载的当前位置。

图4 测量齿轮和编码器的示意图

**值编码器位置实际值保存在参数r0483中，r0483是一个无符号32位数，需要激活编码器的控制字中*13位（GnSTW.13）才会将编码器的实际值显示在r0483中。如果P0411.0＝0，那么位置跟踪功能未被激活，此时r0483中的位置值由以下数据构成：

? 编码器每转脉冲数P0408
? 编码器信号细分位数P0419
? 编码器圈数P0421

如果P0411.0＝1，那么位置跟踪功能被激活，此时r0483中的位置由以下数据构成：

? 编码器每转脉冲数P0408
? 编码器信号细分位数P0419
? **值旋转编码器虚拟圈数P0412
如果没有测量齿轮，编码器的圈数即为P0421的值，如果P0421太小，不满足负载行程要求，那么可以通过放大P0412来扩展**值编码器的位置测量范围。
? 测量齿轮比P0433/P0432

2.2 扩展**值编码器测量范围的参数设置
要扩展**值编码器的测量范围，可以在配置向导中编码器配置画面上进行设置。使用STARTER软件打开项目，在Config DDS的配置向导中，在配置编码器数据时，点击Details按钮，如图5所示。

图5 编码器配置画面

在弹出的对话框中Details选项卡中，选择激活位置跟踪功能，并在虚拟圈数P0412中输入需要的值，如图6所示。配置完毕后，下载数据并保存。

图6 激活位置跟踪功能

另外也可以在ONLINE情况下，通过参数表直接设置。使用PG/PC连接设备，在STARTER软件中连接在线后，通过驱动器的Expert List打开参数列表，依次设置以下参数即可。

P0010＝4， Encoder Commissioning 编码器调试
P0411.0＝Yes， Activate Position Tracking 激活位置跟踪功能
P0412＝600， Set Virtual Revolution 设置虚拟圈数，根据实际情况调整
P0010＝0， Ready 返回就绪状态

2.3 使用测量齿轮时的参数设置
针对1.2节中的例子，编码器每溢出一次，都会在电机/负载侧产生1/3圈的偏移，每溢出3次以后，编码器零点与电机/负载的零点重新吻合。在编码器溢出时，电机/负载的位置就可能不正确了。
此时需要激活位置跟踪功能，并设置测量齿轮的齿轮比P0433和P0432，如图7所示。本例中**值编码器是一个8圈的**值编码器，所以P0412=8。

图7 测量齿轮的参数设置

这样可以扩展位置值r0483的表示范围（如图8所示），在使用测量齿轮时，即使发生编码器返回值溢出，也能正确指示电机/负载的实际位置。

图8 位置跟踪功能激活后的位置值

一、概述
S120 有两种形式：
用于多轴系统的 DC/AC 装置
用于单轴系统的 AC/AC 装置

这两种形式的 Firmware V2.4 及以上版本都已具备基本定位功能。当前V2.4 版本的 S120具有如下定位功能：
? 点动 (Jog)： 用于手动方式移动轴，通过按钮使轴运行至目标点
? 回零 (Homing/Reference)：用于定义轴的参考点或运行中回零
? 限位 (Limits)：用于限制轴的速度、位置。包括软限位、硬限位
? 程序步 (Traversing Blocks)： 共64个程序步，可自动连续执行一个完整的程序也可单步执行
? 直接设定值输入/手动设定值输入 (Direct Setpoint Input / MDI)：目标位置及运行速度可由上位机实时控制。

使用 S120 基本定位功能的前提条件：
调试软件：Starter V4.0 或更高版本 / SCOUT V4.0 或更高版本
硬件版本：SINAMICS FW: V2.4 HF2 或更高版本

注：
安装 SCOUT V4.0 需要STEP 7 版本至少为 V5.3.3.1 以上

二、激活基本定位功能
S120的定位功能必须在变频器离线配置中激活，步骤如下：

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定位功能激活后可使用STARTER中的控制面板或*参数表进行设置

定位功能激活后可使用STARTER中的控制面板或*参数表进行设置

使用控制面板                                                     使用*参数表

使用控制面板的操作步骤：

三、基本定位_点动（JOG）

S120 中基本定位功能的点动有两种方式：
? 速度方式( travel endless)：点动按钮按下，轴以设定的速度运行直至按钮释放。
? 位置方式( travel incremental)：点动按钮按下并保持，轴以设定的速度运行至目标位置后自动停止。

? 使用控制面板的点动功能**于速度方式，位置方式需使用*参数表设定。

? 执行点动功能，应先使能变频器ON/OFF1（P0840）

四、基本定位_回零（Homing / Reference）
回零/寻参（Homing / Reference）
回参考点模式（回零模式）只有使用增量编码器（旋转编码器 Reserver、正/余弦编码器Sin/Cos 或 脉冲编码器）时需要，因每次上电时增量编码器与轴的机械位置之间没有任何确定的关系。因此轴都必须被移至预先定义好的零点位置。即执行 Homing 功能。
当使用**编码器 ( Absolute ) 时每次上电不需重新回零。
S120 中回零有三种方式：
? 直接设定参考点 (Reference): 对任意编码器均可
? 主动回零 (Reference point approach): 主要指增量编码器
? 动态回零 (Flying Reference)：对任意编码器均可

4.1设置参考点 (Set_Reference)
通过用户程序可设置任意位置为坐标原点。通常情况下只有当系统即无接近开关又无编码器的零脉冲时，或者当需要轴被设置为一个不同的位置时才使用该方式

操作步骤（已设定开关量输入点 DI2 为ON/OFF1命令源 P840）
1. 进入“Homing”
2. 连接一数字量输入点 ( DI 1 )至参数 P2596作为设置参考点信号位，该位上升沿有效
3. 设定参考点位置坐标值 P2599（如 0）
4. 闭合DI 2运行使能
5. 闭合DI 1 激活“设置参考点”命令，于是该轴当前位置 r 2521 立即被置为P2599 中设定的值。如 r2521=0

4.2主动回零（Active Homing）
主动回零方式只适用于增量编码器，**值编码器只需在初始化阶段进行一次编码器校准，以后不必做回零

主动回零有三种方式：
仅用编码器零标志位( Encoder Zero Mark ) 回零
仅用外部零标志( External Zero Mark ) 回零
使用接近开关 + 编码器零标志位( Homing output cam + Zero Mark ) 回零

4.2.1**值编码器的主动回零
如果我们使用**值编码器并且作主动回零时会看到如下页面：

4.2.2增量编码器的主动回零
依下图所示进行配置

相关参数设定

1. 进入 “ Homing “ (回零) 页面
2. 定义开关量输入点DI 1为开始寻参命令（参数P2595=722.0）
3. 回零方式选择主动回零P2597=0
4. 定义开关量输入点DI 2为接近开关 P2612= 722.1（粗脉冲）
5. *轴运行极限点，如果回零过程中极限点到达（P2613/P2614=0）则轴反转。若两点全为零则轴停止。
6. *回零方式：接近开关 + 编码器零脉冲
7. *回零开始方向P2604 (0:正向；1：反向)

动作过程：
变频器运行ON/OFF1闭合，DI 1闭合，开始寻参过程

? 上图中（Step1）轴按照P2604 定义的搜索方向，以较大加速度 P2572 加速至搜索速度 P2605，到达接近开关后（DI 2 闭合）,以较大减速度P2573减速停止，进入下一步：搜索编码器的零脉冲
? 轴反向加速至速度 P2608，离开接近开关后（DI 2 断开）遇到的编码器的**个零脉冲后轴停止。进入下一步：回参考点
? 上图中（Step3）轴反向加速以速度 P2611运行偏置距离P2600后停止在参考点，完成主动回零过程。

4.3动态回零（Passive Homing）
Passive Homing （动态回零）又称为 Homing on the fly
动态回零用于轴工作于任意定位状态时动态修改当前位置值为零（如：在点动时、执行程序步时，执行 MDI 时），执行动态回零后并不影响轴当前的运行状态，轴并不是真正的回到零点而只是其当前位置值被置为0，重新开始计算位置。
前提条件：P2597=1
**值编码器的动态回零：

参数设定

? 打开 “ Homing “ (回零) 页面
? 定义开始寻参命令P2595源（如开关量输入点DI2）
? 回零方式选择动态回零P2597=1
? *接近开关Bero为上升沿有效（如上图中P2511）
? 定义开关量输入点DI 10（只能为快速I / O）为接近开关 P488= 722.10（如上图中2）

动作过程：

? 变频器运行（使能ON/OFF1），选择任意一种命令（如点动，程序步、MDI等）轴按照所选择的方式运行
? 闭合DI 2，开始动态回零
? 闭合快速开关DI 10（下图中红色线为该开关状态），可见到位置实际值立即恢复为0，后重新计值（如图中绿色线所示），在整个动态回零过程中轴的运行速度不受影响。

五、基本定位_限位（Limit）
S120 中包含两种限位功能：软限位、硬限位。以限制轴运行范围。同时还有对轴运行速度，加减速的限制。

如下图所示激活限位方式

? 项目导航栏中选择限位功能块
? 激活软限位P2582 =1，正/反向位置范围通过 P2578, P2579设定
? 激活硬限位P2568 =1，硬限位位置开关源 P2569, P2570
? 较大速度：P2571、较大加速度：P2572、较大减速度：P2573

注：限位开关信号为 “ 低 “ 有效
到达硬限位后轴将以较大减速度 P2573 故障停车，即使故障复位后也只允许反向运行

六、基本定位_程序步（Traversing Blocks）
通过使用Traversing Blocks _ “程序步” 模式可以自动执行一个完整的定位程序，也可实现单步控制；各程序步之间可通过数字量输入信号切换。但只有当前程序步执行完后下一程序步才有效。
在S120 中提供了较多 64个程序步供使用。

程序步执行步骤：
1. 项目导航栏中选择 Traversing Blocks 模式，设定开关量输入点DI4用于激活程序步功能
2. 不拒绝任务 P2641= r722.2=1、没有停止命令 P2640=1
运行过程中P2640=0发出停止命令，则轴将以减速度P2620减速停车。
若断开DI 3 ( r722.2=0 )发出拒绝任务命令，则轴将以较大减速度P2573减速停车。
3. 按工艺需要设定各个程序步参数，程序步代号决定程序的执行顺序。代号为 -1表示该步不执行（初始代号全部为 -1）。
4. 通过6个数字量输入点的不同组合选择需要的程序步
5. 变频器运行，闭合DI 4（r722.3=1）激活 Traversing 方式 ( P2631=1有效 )轴按设定步骤运行。

结构说明：
P2616 (No.) 每个程序步都要有一个任务号，运行时依此任务号顺序执行 （ -1 表示无效的任务）
P2621 (Job ) 表示该程序步的任务。有7 种任务供选择：Positioning （位置方式）、Endless_POS / Endless_NEG（正 / 反向速度方式）、Waiting（等待parameter 中*的时间后执行下一步） Goto（跳转到parameter中*的程序步） Set_O / Reset_O（置位/复位parameter 中*的开关量输出点）
P2622 ( Parameter ) 依赖于不同的Job，对应不同的Job有不同的含义（参见List Manual）
P2623.8/9 ( Mode ) 定义定位方式，仅当任务 ( Job )为位置方式 ( Position ) 时有效
P2617/P2618/P2619/P2620 ( Position, Velocity, Acceleration, Deceleration ) *运动的位置，速度，加/减速
P2623.4/5/6 ( Advance ) 制定本任务结束方式。END: 本任务结束不连续执行下一任务，Continue_With_Stop: 本任务结束准确定位，电机停止后重新启动开始下一任务。Continue_Flying: 本任务结束连续执行下一任务。
P2623.0 ( Hide ) 跳过本条程序步不执行该任务。
依赖于 Job 的方式，Configuration of digital output 仅当Job 设定为 SET_O / RESET_O时有效，用于设定开关量输出。

示例：
编制一段程序：
以速度 700 LU/min， 加 / 减速为** 运行相对位置 50000 LU 减速停止；等待 30ms；再以速度 600 LU/min， 加 / 减速为** 运行相对位置 40000 LU 减速停止。

编制程序步如下：

七、手动数据输入（MDI）
Direct Setpoint Input / MDI （直接设**输入方式/手动数据输入方式）, MDI 的缩写来自于 NC 技术“Manual Data Input ”

使用MDI 功能我们可以很轻松地通过外部控制系统来实现复杂的定位程序，通过由上位机控制的连续变化的位置、速度来满足我们的工艺需要。

MDI 有两种不同模式：
? 位置 ( position) 模式 P2653=0、
? 手动定位或称速度模式( setting up ) P2653=1这两种模式可在线切换

速度模式是指轴按照设定的速度及加/减速运行，不考虑轴的实际位置。
位置模式是指轴按照设定的位置、速度、加/减速运行；
位置模式又可分为**位置 （P2648=1）和 相对位置（ P2648=0）两种方式。

7.1 MDI 模式配置如下图所示

7.2 激活 MDI 方式及参数配置
1. 进入直接数据输入/ MDI 模式
2. 如上面程序步中所述：不拒绝任务 P2641=1、没有停止命令 P2640=1
运行过程中可通过断开联接与P2640的外部开关发出停止命令，则轴将以减速度P2620减速停车。
若断开联接与P2641的外部开关发出拒绝任务命令，则轴将以较大减速度P2573减速停车
3. 设定开关量输入点DI 9用于激活MDI功能（P2647为“1”有效）
4. 相关数据设置位置、速度、加 / 减速度 P2642 ~ P2645）

5. 位置模式选择 P2653
P2653=1：速度方式；P2653=0：位置方式
6. 定位方式选择 P2648
**位置方式：P2654=0, P2648=1；相对定位方式：P2654=**1*(16H)
7. 方向设定源 P2651、P2652
8. 数据传输形式 (P2649) 及数据设定值确认命令源( P2650)

S120 中MDI 的数据传输可采用两种形式：
连续传输 P2649=1
单步传输、由上升沿确认 P2649=0
? 所谓单步传输是指MDI 数据的传输依赖于参数 P2650 中选择的开关量信号。该命令为 “沿” 有效，每次执行完一个机器步后，需要再次施加上升沿，新的速度、位置等才能有效。
? 与单步传输不同，一旦激活连续数据传输，MDI 数据（位置、速度、加 / 减速度）可连续修改且立即有效而*开关使能。这样我们就可通过上位机实时调整目标位置及轴的运行速度、加 / 减速度而不会停机

注：连续数据传输仅适用于**定位方式

7.3 调试参数
运行命令源 (ON/ OFF1)为 P840
不拒绝数据传输： P2641=1
无停止命令： P2640=1
MDI 位置模式： P2653=0/1
选择传输模式： P2649=0/1
数据设定值确认命令源 P2650 ( P2649=1时无效)
激活MDI 模式的命令源 P2647
选择**定位方式： P2648=1
设置目标参数：P2690、P2691、P2692、P2693
变频器运行后，激活MDI模式，轴按设定值运行。