西門子MM440變頻器

6SE6440-2UD35-5FB1MICROMASTER 440 無濾波器 380-480V+10/-10% 三相交流 47-63Hz 恒定轉矩 55kW 過載 150% 60S，200% 3S 二次矩 75kW 850x 350x 320（高x寬x深） 護等級 IP20 環(huán)境溫度 -10+50°C 無 AOP/BOP

什么是PROFIdrive？
PROFIdrive是變頻器制造廠商為優(yōu)化周期通信而開發(fā)的用戶數據框架，目的是提供變頻器PROFIBUS接口的制造廠商標準，使集成、調試時間小化，這個FAQ描述了控制器和變頻器之間周期通信的常用語。

周期數據通信
周期數據通信報文基本結構如下：

圖1
 

用戶數據（PPO）構成：

用戶數據（PPO）
PROFIdrive Profile 2.0定義了周期通信的用戶數據為PPO。主站使用PPO周期地讀取從站參數，PPO分為兩部分：PKW區(qū)和PZD區(qū)。分成兩個區(qū)的結果是在處理時間上有所區(qū)分，通常對PKW處理要比PZD慢。

圖2
PKW區(qū)
通過PKW可以任意地監(jiān)控/修改變頻器的參數。例如，可以讀出故障值或者是小、限制。PKW區(qū)至少由三部分構成，分別是參數號碼PKE、參數下標IND、參數值PWE，參數值PWE占用兩個字。有的PPO類型沒有PKW區(qū)。

圖3
 

參數標志	解釋
參數號碼PKE	參數號碼PKE是一個16位的值，由任務或者應答ID（AK）、參數修改位（SPM）和參數標號（PNU）構成。它的結構如下： 圖4   任務/應答ID（AK） 任務/應答ID由位12～15構成，任務ID是主站發(fā)送報文到從站，應答ID是從站返回報文給主站。在PROFIdrive Profile 2.0版本中任務ID 值0到9定義如下：0－無任務，1－請求參數值，2－修改參數值等，可以對指定的變頻器發(fā)送多任務ID。用戶可以參考相關的手冊了解任務/應答ID。 參數修改位（SPM） 位11是一個觸發(fā)位，用于指定不同范圍的參數。 參數標號（PNU） 位0～10是指定變頻器的參數號碼。
參數下標IND	周期通信中參數下標IND在高字節(jié)中包含子下標（也包括數組子下標），在PROFIdrive Profile 2.0版本中低字節(jié)的值沒有定義，可以根據變頻器的使用分配。 圖5   編輯參數時子下標發(fā)送的是訪問參數的下標，編輯描述元素時（AK=4）發(fā)送的是期望元素的數量。
參數值PWE	參數值PWE總是以雙字方式發(fā)送，一個PPO報文只能傳輸一個參數值。 圖6   一個32位的參數值由PWE1（第三個字是高字）和PWE2（第四個字是低字）兩部分構成，一個16位的參數值以PWE2發(fā)送，這種情況下須在PROFIBUS-DP主站中把PWE1設為0。

PZD區(qū)
PZD區(qū)傳輸的是主站發(fā)送控制字、頻率設定值到從站和從站返回狀態(tài)字、實際值到主站。PZD區(qū)傳輸的參數不同于PKW區(qū)，即PKW區(qū)傳輸的參數要在報文中定義，而PZD區(qū)傳輸的過程變量在PPO類型或者變頻器中已經定義。PZD區(qū)傳輸的過程數據的數量由PPO類型或者變頻器決定。

圖7
 

下面是須具備的PZD預定義名字：
 

PROFIdrive Profile V2.0以后的版本有5個預先定義的PKW區(qū)，它不同于先前討論的PKW區(qū)或者PZD區(qū)的長度。

圖8 Fig. 8
 

在PROFIdrive Profile 3.0版本中除了預先定義的PPO類型外還可以自由的配置周期數據。例如，在MM420中可以配置4個字的PZD，在MM440/430中可以配置8個字的PZD，PZD的數量不影響PKW區(qū)的配置。

用戶可參考相關手冊得到更多信息，例如關于任務/應答ID的。如果你有電子版的相關手冊，推薦在MICROMASTER PROFIBUS選件板手冊（手冊ID：）或者在MASTERDRIVE運動控制簡述手冊（MC 1.66）（手冊ID：）搜索“PWE”。

問題:

        關于3VL4740-2CP36-8KA0的替代

解答:

       舊型號：
 3VL4740-2CP36-8KA0

斷路器VL 400N
高分斷能力
Icu=70KA/415V AC
3,電機保護型過電流脫扣器
LCD ETU40M,LI保護
額定電流IN=400A
過載保護整定范圍IR=160-400A
短路保護整定范圍II=1.25到11倍的IN
供電電壓為110-127V DC的分勵脫扣器,無輔助和報警觸點

       新型號:
 3VL5750-2CP36-8KA0

斷路器VL 630N
高分斷能力
Icu=70KA/415V AC
3,電機保護型過電流脫扣器
LCD ETU40M,LI保護
額定電流IN=500A
過載保護整定范圍IR=200-500A
短路保護整定范圍II=1.25到10倍的IN
供電電壓為110-127V DC的分勵脫扣器,無輔助和報警觸點

請注意如下約束條件：

• 此轉換考慮了在400VAC 50/60Hz情況下的開關容量

• 選擇性與后備保護的數據是不同的

• 相對于環(huán)境溫度的降額系數是不同的

• 物理尺寸、導體橫截面、體積是不同的

• 電氣間隙和飛弧距離是不同的

• 輔助脫扣器和電動機操作機構的功率消耗是不同的

• 輔助觸點的開關容量是不同的

• 需要考慮產品的標準存在的差異

• 對于3VL室內安裝請遵循VDE 0660 p..500/IEC 439標準

• 對于類似變頻器設備的保護請咨詢具體的設備制造廠商

1 FB58基本特性介紹

在標準庫（Libraries/Standard Library/PID Control Blocks）中的PID控制塊中提供了兩個用于溫度控制的功能塊FB58和FB59。其中，FB58用于具有連續(xù)或脈沖輸入信號的執(zhí)行器的溫度控制器，而FB59用于類似于定位電機的執(zhí)行器的步進溫度控制器。除了基本的功能之外，FB58還提供PID的參數自整定功能。

PID功能塊是純軟件控制器，相關運算數據存放在相應的背景數據塊中，對于不同的回路，應該使用不同的背景數據塊，否則會導致PID運算混亂的錯誤。

FB58可以用在加熱的溫度控制回路（例如控制蒸汽的供給量來控制溫度），也可以用在冷卻的溫度控制回路（例如控制冷卻風扇的頻率、或者冷媒的供給量來控制溫度）。如果用于冷卻，則回路工作在反作用狀態(tài)，則需要給比例增益參數GAIN分配一個負數，其他保持不變。

和常規(guī)PID功能塊（例如FB/SFB41）對比，FB58具有如下特性：
提供控制帶（Control Zone）功能；
控制輸出提供脈沖方式；
過程值轉換增加對溫度信號轉換（PV_PER*0.1/0.01）方式的支持；
參數保存和重新裝載；
控制器參數自整定功能；
設定值變化時的比例作用弱化功能。

2 FB58基本使用

2.1 功能塊調用
在STEP 7中，提供了關于FB58和FB59的一個示例項目，其路徑如下圖所示：

圖1 FB58/59示例項目

該示例項目包含有如下幾個示例程序：
（1）連續(xù)控制器Continuous controller
輸出類型是連續(xù)數值的一類控制器，其中的FB100和DB100是一個模擬的控制對象；
（2）脈沖控制Pulse control OB35, OB1
輸出類型是單個脈沖信號的一類控制，在OB35和OB1中同時調用，其中的FB102和DB102是一個模擬的接收脈沖信號的控制對象；
（3）脈沖控制Pulse control OB35, OB32
輸出類型是單個脈沖信號的一類控制，在OB35和OB32中同時調用，其中的FB102和DB102是一個模擬的接收脈沖信號的控制對象。和上一個項目不同，這個項目要求運行的CPU能夠支持OB32定時中斷，例如S7-400 CPU；
（4）脈沖控制器 Pulse controller
輸出類型是單個脈沖信號的一類控制，只在OB35中調用，其中的FB102和DB102是一個模擬的接收脈沖信號的控制對象。和前面兩個項目不同，這個項目只在OB35中調用FB58即可；
（5）步進控制器 Step controller
輸出類型是兩個脈沖信號的一類控制，只在OB35中調用，其中的FB101和DB101是一個模擬的控制對象，例如步進電動閥門。這是一個FB59的應用示例。
通過示例項目可以測試FB58的各項功能。在具體的編程過程中，可以從示例項目中將相關功能塊、組織塊、背景數據塊拷貝過來，也可以直接編程調用。
在STEP 7中創(chuàng)建一個OB35，打開并在其中添加FB58：

西門子MM440變頻器圖2 調用FB58

如上圖所示，在左側的總覽列表中，依次進入“Libraries”?“Standard Library”?“PID Control Blocks”，在其中拖拽FB58到右側編程窗口中。填寫一個背景數據塊（例如DB58），由于是新建的一個DB塊，軟件會彈出如下窗口：

圖3 生成背景數據塊

點擊“Yes”即可生成一個用于FB58的背景數據塊。
在塊（“Blocks”）中找到剛生成的DB塊，雙擊打開：

圖4 背景數據塊

在背景數據塊中可以直接修改相關的控制參數，然后點擊工具欄上的按鈕 來參數。如果需要查看更加具體的參數信息，可以切換到數據視圖：

圖5 切換到數據視圖

在數據視圖中，可以點擊工具欄上的 來進行在線監(jiān)控。

2.2 過程值的處理
在FB58中，對模擬量的處理遵照如程圖：

圖6 過程值處理流程

如圖中所示，FB58提供有兩個過程值的輸入通道：PV_IN和PV_PER，這兩個通道用PVPER_ON來選擇：

表1 PVPER_ON參數

注：PVPER_ON的默認值為False。

對于PV_PER的輸入，根據溫度測量方式的不同，從模擬量輸入通道過來的數據格式也有所不同，因此，FB58提供過程值格式轉換的環(huán)節(jié)CRP_IN，其中涉及到參數PER_MODE：

表2 PER_MODE參數

注：PER_MODE的默認值為0。

從圖1中的處理流程中可以看到經過CRP_IN之后，還有一個規(guī)格化（rmalize）的環(huán)節(jié)PV_RM。該環(huán)節(jié)可以對過程值進行修正，對于溫度值，可以規(guī)格化為百分比值，同樣地，百分比的值也可以規(guī)格化為溫度值。
其轉換公式是：
PV_RM的輸出 = CPR_IN的輸出*PV_FAC+PV_OFFS
例如，通過溫度變送器將一個-200℃~1000℃范圍里的溫度值以4~20mA的信號送至模擬量輸入通道PIW256中。在FB58中設置

PV_PER         = PIW256
PVPER_ON   = TRUE
PER_MODE  = 2
PV_FAC        = 1.2
PV_OFFS      = -200.0

通過如上的參數設置，則在“PV”參數中得到一個溫度值。同樣地，此時的設定值SP_INT可以直接設置為溫度值。
設定值SP_INT的取值由過程值的處理過程所決定，如果過程值經過處理得到一個百分比的值，那么SP_INT就是一個量程的百分比；如果處理得到一個實際溫度值，那么設定值SP_INT也須是一個溫度值。SP_INT須要有和過程值一樣的基本單位。

2.3 PID運算
PID運算是FB58的運算，主要通過對偏差信號（設定值SP_INT-過程值PV）進行比例、積分、微分運算來得到對閥門、變頻器等執(zhí)行機構的控制信號。具體流圖如下圖所示：

西門子MM440變頻器圖7 PID運算流程

從上述流程圖中有如下幾點信息：
- 比例、積分和微分都是對比例和增益參數的乘積之積的運算，其在時間域上的表達式為：

- 地，在積分時間TI和微分時間TD為0的時候，積分作用和微分作用被取消激活，此時為純比例控制；
- 對于反作用方式，需要將增益GAIN設置為負數；
- PFAC_SP為比例弱化功能。在設定值SP_INT發(fā)生階躍變化時，設置比例因子PFAC_SP，從而減弱因為設定值修改而導致的不穩(wěn)定，該比例因子PFAC_SP的取值范圍是0.0~1.0；
- 對于積分作用，在I_ITL_ON為1的時候，積分結果就是I_ITLVAL；
- 積分功能中的INT_HPOS和INT_HNEG參數為正向積分功能保持和反向積分功能保持，如果此時偏差ER和增益GAIN的乘積為正，且INT_HPOS為True，那么此次運算周期中積分的增加量為0，即積分項LMN_I的輸出不會改變。INT_HNEG的作用與此類似。
- 微分功能中的D_F參數是微分因子，在微分運算中和周期時間CYCLE作用類似。

2.4 手動/自動切換
FB58的手動/自動切換是通過參數MAN_ON來完成的，在MAN_ON為True的時候，PID處在手動工作狀態(tài)，此時，手動值通過參數MAN給出。

圖8 控制輸出

默認情況下，LMN_HLM和LMN_LLM分別是100.0和0.0，從上圖中可以看出，手動值的數值范圍也應該是0.0~100.0。
在參數MAN_ON為False的情況下，PID投入運行，控制回路處于自動工作狀態(tài)。
為了降低手動/自動切換過程中擾動，算法通過如下措施來實現無擾切換：
- 在自動的狀態(tài)下，比例和積分的運算結果之和會寫入到單元MAN中，這樣在由自動切換到手動的過程中不會引起控制輸出波動；
- 在手動的狀態(tài)下，積分項的輸出等于MAN的值減去比例項的值（偏差ER*增益Gain），而在自動狀態(tài)中，積分項是一個累計的結果，這樣在切換到自動狀態(tài)時積分項不會有太大的突變。
從上面的分析可以知道，FB58已經集成了相應的無擾切換的功能，不需要編寫額外的程序來實現。

2.5 保存和重新裝載參數
保存和重新裝載控制器參數是FB58中的新功能，主要用來實現在多套參數之間的切換。

圖9 控制參數保存和重新裝載

從上圖中可以看出，控制參數的處理有三種方式：
（1）從PID_CON/PI_CON中裝載
要實現此裝載，須滿足如下幾種條件：
手動控制狀態(tài)（MAN_ON=True）；
PID_CON.GAIN或者PI_CON.GAIN不為0；
LOAD_PID為1
如果參數PID_ON為1，則從PID_CON中裝載如下參數：
GAIN、TI、TD，并計算CONZONE=250.0/GAIN
如果參數PID_ON為0，則從PI_CON中裝載如下參數：
GAIN、TI、TD，并計算CONZONE=250.0/GAIN。地，此時會關閉控制帶功能，即設置CON_ZONE參數為0，并讓微分參數TD設置為0.0。
裝載完成之后，參數LOAD_PID會自動復位。
值得注意的是，如果PID_CON中保存的增益參數PID_CON.GAIN為0，則自動會修改PID_ON為0，并轉而從PI_CON中獲取參數。
注：PID_CON/PI_CON中的參數來自于自整定過程。
（2）保存參數
保存參數可以在任何工作狀態(tài)下進行，設置參數SE_PAR為1即可?？梢詫⑷缦聟当４嬲襊AR_SE結構體中：
PFAC_SP、GAIN、TI、TD、D_F、CONZ_ON、CON_ZONE
在保存結束之后，參數位SE_PAR會自動復位。
（3）重新裝載參數
重新裝載是“保存參數”的逆過程，但其執(zhí)行是需要條件的：
手動控制狀態(tài)（MAN_ON=True）；
PAR_SE.GAIN不為0；
參數UNDO_PAR為1。
在重新裝載完成之后，參數UNDO_PAR會自動復位。

3 功能

3.1 控制帶
溫度控制回路是一個有明顯滯后特性的對象，這給實際的調節(jié)過程帶來了很多的問題，顯著的困難就是在過程值偏離設定值較大時，調節(jié)過程過于緩慢，而在接近設定值時容易出現較大的調。
從上述的兩個問題出發(fā)，PID應該滿足這樣的功能：
- 在偏差過的范圍時，PID輸出或者小的調節(jié)量，讓溫度值快速回到一個小的范圍中，以縮短回路的調節(jié)時間；
- 在設定值附近時，越靠近調節(jié)量變化越小，以調。
為此，FB58提供了一個“控制帶(Control Zone)”功能，其工作原理是這樣的：
- 當過程值PV大于設定值SP_INT，且偏差的值過CON_ZONE，則以輸出下限LMN_LLM作為輸出值；
- 當過程值PV小于設定值SP_INT，且偏差的值過CON_ZONE，則以輸出上限LMN_HLM作為輸出值；
- 如果偏差的值小于CON_ZONE，則以實際PID的計算結果作為輸出值。

圖10 控制帶（正作用情況下，即GAIN>0.0）

默認參數中LMN_LLM是0.0，LMN_HLM是100.0，控制帶使能位CONZ_ON是False，控制帶范圍是100.0。
如上圖所示的控制帶解決了在偏差較大時PID調節(jié)過于緩慢的問題，但在控制帶范圍中要避免因大滯后導致的調，需要弱化PID的輸出，要實現這個功能，可以通過降低比例參數和增加微分作用。在同樣的偏差情況下，比例增益越小，PID輸出變化越緩慢。微分作用簡單來看就是通過偏差的變化量來調節(jié)，在接近設定值的過程中，溫度變化速度在逐步變慢，此時的微分作用可以起到弱化控制輸出的功能，進而減少調的目的。因此，推薦控制帶在有微分作用的前提下使用。參數裝載的過程也體現了這一點：
- 如果是裝載PI_CON下的參數，因為沒有微分功能，所以會設置CONZ_ON為False。
在使用過程中，控制帶參數CON_ZONE應該設置為一個大于等于0.0的值，否則會導致PID運算結果不會被執(zhí)行的故障現象。

3.2 脈沖輸出方式
和FB41不同，FB58中集成有脈寬調制輸出的功能，通過將PID的運算結果換算成對應的脈沖占空比來加熱/冷卻的控制。
在FB58的脈沖輸出環(huán)節(jié)中涉及到的關鍵參數有：
PULSE_ON：脈沖輸出使能；
PER_TM：輸出脈沖的周期時間；
CYCLE_P：脈沖輸出的刷新時間，推薦PER_TM/CYCLE_P>50，即將周期時間分為時間長度為CYCLE_P的“片”，在每個CYCLE_P時間間隔里，脈沖輸出單元運算以判斷下一個CYCLE_P中應該輸出高電平還是低電平，PER_TM和CYCLE_P的比值越大，說明輸出脈沖的就也高；
P_B_TM：小脈沖/小斷開時間。例如當PID的計算輸出接近于100.0時，那么輸出的脈沖中低電平時間接近于0，針對執(zhí)行機構而言，其需要在短的時間里關斷，然后再打開，這會嚴重縮短設備的工作壽命，為此，通過設置小脈沖斷開/脈沖時間就可以避免此問題。當需要輸出的高電平時間小于P_B_TM時，則不會輸出這個高電平；當需要輸出的高電平時間大于周期時間PER_TM-P_B_TM時，則整個周期都輸出高電平。P_B_TM設置的過長，可以降低對執(zhí)行機構的沖擊，但會影響輸出脈沖和整個回路的控制；設置的過短，則對執(zhí)行機構不利。

圖11 脈沖輸出

如上圖所示，LmnN為PID的運算結果，通過和脈沖周期時間PER_TM相乘得到高電平的輸出時間：
脈寬=LmnN*PER_TM/100
脈沖輸出單元每次執(zhí)行都累加一個CYCLE_P，通過判斷累加值和脈寬，或者和周期與脈寬差值的比較來改變輸出點的狀態(tài)。

3.2.1 脈沖輸出和PID運算
在FB58中，脈沖輸出和PID計算是兩個相對的過程，各自有自己的計算周期。對于PID計算來說，CYCLE參數可以看成是PID計算的循環(huán)周期時間，例如PID在OB35每次執(zhí)行過程中都會被調用，而硬件組態(tài)過程中OB35的周期時間被設置成了500ms，則CYCLE應該填寫為0.5。對于脈沖輸出來說，其循環(huán)周期時間是CYCLE_P。這兩個時間參數可以一樣，也可以不一樣。PID的計算周期主要由被測量的變化規(guī)律決定的，而脈沖輸出的CYCLE_P參數由要求的脈沖輸出決定。
為了協調PID和脈沖輸出之間的矛盾，FB58提供了“SELE”參數，其具體使用如下所示：

表3 SELE的參數配置

根據上表描述，FB58的調用可以有如下三種情況：
（1）SELE=0，FB58只在周期中斷OB（例如OB35）中調用
此時的參數配置應該將CYCLE_P和周期中斷OB的中斷時間保持一致。因為PID計算的執(zhí)行條件是CYCLE_P的累計值和CYCLE參數一致，而脈沖輸出周期PER_TM則應該CYCLE_P的整數倍，和CYCLE無關。
例如，在OB35中調用FB58，OB35的周期時間為50ms，FB58中的CYCLE_P是0.05s，CYCLE是1.0s，PER_TM是3.0s。
觀察參數之間的關系，CYCLE是CYCLE_P的20倍，即OB35每20個周期執(zhí)行FB58里的PID計算，而輸出的脈沖周期是3秒鐘。
（2）FB58分別在OB1和周期中斷OB（例如OB35）中調用
在兩個OB塊中調用的FB58使用同樣的背景數據塊和參數，只是SELE參數有所不同，在OB1中調用，SELE設置為1；在周期中斷OB中調用，SELE設置為2。為了縮短OB1執(zhí)行時間，可以通過FB58背景數據塊中的“QC_A”來選擇是否執(zhí)行FB58，當QC_A為TRUE時，執(zhí)行，否則跳過。
在這種方式下，處理原理同（1）一致，不同的是PID運算總是在OB1中執(zhí)行罷了。OB1的執(zhí)行周期對PID運算、脈沖輸出均沒有影響。
（3）FB58在兩個不同周期時間的周期中斷OB（例如OB32和OB35）中調用
FB58分別在兩個周期中斷OB中調用，其中周期時間長的OB中調用的FB58的SELE參數設置為3，時間短的設置為2。
同前面兩種情況不一樣，SELE選擇為3時，PID的運算只和調用周期有關。例如OB32定義的周期時間是1000ms，OB35的周期時間是100ms，CYCLE_P是0.02s，PER_TM是1.0s。這樣在OB32中定義SELE參數為3，則每1秒鐘就執(zhí)行PID運算，并不是由CYCLE和CYCLE_P的關系來決定。

3.2.2 參數設置的經驗法則
前面的描述說明了CYCLE/CYCLE_P/PER_TM之間的關系，對于具體的參數設置，可以有如下幾條法則：
（1）CYCLE時間不能過積分時間TI的10%；
（2）為了控制，脈沖周期時間PER_TM應該至少是CYCLE_P的50倍；
（3）脈沖周期時間CYCLE不能過積分時間TI的5%。

4 自整定功能
FB58的背景數據塊中集成了控制器參數整定的功能，打開DB塊，點擊工具欄的 按鈕，使DB塊在線：

西門子MM440變頻器圖12 背景數據塊的參數分配視圖的在線

背景數據塊在線之后，可以看到，相關的參數均能讀取。點擊菜單項“Options”下的“Controller Tuning...”，即可開始整定：

圖13 選擇控制器整定菜單

控制器整定的向導一共有5步，步是簡單的功能介紹：

如下是FB58常用參數表：

西門子MM440變頻
器