Applikation zur Antriebstechnik

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1 Applikation zur Antriebstechnik Beispiel zur Berechnung der Grenzwerte für SS1 und SLS Applikationsbeschreibung für SINAMICS G120

2 Gewährleistung, Haftung und Support Hinweis Die Applikationsbeispiele sind unverbindlich und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit hinsichtlich Konfiguration und Ausstattung sowie jeglicher Eventualitäten. Die Applikationsbeispiele stellen keine kundenspezifische Lösungen dar, sondern sollen lediglich Hilfestellung bieten bei typischen Aufgabenstellungen. Sie sind für den sachgemäßen Betrieb der beschriebenen Produkte selbst verantwortlich. Diese Applikationsbeispiele entheben Sie nicht der Verpflichtung zu sicherem Umgang bei Anwendung, Installation, Betrieb und Wartung. Durch Nutzung dieser Applikationsbeispiele erkennen Sie an, dass Siemens über die beschriebene Haftungsregelung hinaus nicht für etwaige Schäden haftbar gemacht werden kann. Wir behalten uns das Recht vor, Änderungen an diesen Applikationsbeispielen jederzeit ohne Ankündigung durchzuführen. Bei Abweichungen zwischen den Vorschlägen in diesen Applikationsbeispiel und anderen Siemens Publikationen, wie z.b. Katalogen, hat der Inhalt der anderen Dokumentation Vorrang. Gewährleistung, Haftung und Support Für die in diesem Dokument enthaltenen Informationen übernehmen wir keine Gewähr. Unsere Haftung, gleich aus welchem Rechtsgrund, für durch die Verwendung der in diesem Applikationsbeispiel beschriebenen Beispiele, Hinweise, Programme, Projektierungs- und Leistungsdaten usw. verursachte Schäden ist ausgeschlossen, soweit nicht z.b. nach dem Produkthaftungsgesetz in Fällen des Vorsatzes, der grober Fahrlässigkeit, wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit, wegen einer Übernahme der Garantie für die Beschaffenheit einer Sache, wegen des arglistigen Verschweigens eines Mangels oder wegen Verletzung wesentlicher Vertragspflichten zwingend gehaftet wird. Der Schadensersatz wegen Verletzung wesentlicher Vertragspflichten ist jedoch auf den vertragstypischen, vorhersehbaren Schaden begrenzt, soweit nicht Vorsatz oder grobe Fahrlässigkeit vorliegt oder wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit zwingend gehaftet wird. Eine Änderung der Beweislast zu Ihrem Nachteil ist hiermit nicht verbunden. Copyright 2007 Siemens A&D. Weitergabe oder Vervielfältigung dieser Applikationsbeispiele oder Auszüge daraus sind nicht gestattet, soweit nicht ausdrücklich von Siemens A&D zugestanden. Bei Anregungen zu diesem Beitrag wenden Sie sich bitte über folgende E- Mail-Adresse an uns: Version Ausgabe Februar /14

3 Vorwort Vorwort Ziel der Applikation Diese Applikation wurde erstellt, um dem Anwender eine Möglichkeit der Berechnung der Grenzwerte für die Safety Funktionen SLS und SS1 zu geben. Die vorliegende Applikation zeigt wie diese Berechnung richtig durchgeführt werden soll, um Safety Fehlermeldungen zu vermeiden und maximale Verfügbarkeit des Antriebs zu gewährleisten. Kerninhalte dieser Applikation Folgende Kernpunkte werden in dieser Applikation behandelt: Allgemeine Informationen zur Berechnung der Grenzwerte für SLS und SS1 Beispiel für die Berechnung der Grenzwerte für SLS und SS1 Abgrenzung Diese Applikation enthält nicht / keine Beschreibung: Inbetriebnahme der Safety Funktionen mögliche Anwendungen Handhabung der Safety Funktionen Grundlegende Kenntnisse über diese Themen werden vorausgesetzt. Referenz zum Automation and Drives Service & Support Dieser Beitrag stammt aus dem Internet Applikationsportal des Automation and Drives Service & Support. Durch den folgenden Link gelangen Sie direkt zur Downloadseite dieses Dokuments. Version Ausgabe Februar /14

4 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Applikationsbeschreibung Übersicht und Beschreibung der Funktionalität... 5 SLS - Safely-Limited Speed... 5 SS1 - Safe Stop STO - Safe Torque Off... 6 SBC - Safe Brake Control... 6 Hinweise und Einschräkungen Berechnung der Grenzwerte für SS1 und SLS Parametrieren der Hüllkurve für SLS und SS Oberer Toleranzbereich für die SLS P Resultierende Frequenztoleranz Fhigh Resultierende Frequenztoleranz Flow Verzögerung Fdelay Minimale Verzögerung der Bremsrampe Beispiel: Berechnung der Safety Formeln Oberer Toleranzbereich für die SLS P Resultierende Frequenztoleranz Fhigh Resultierende Frequenztoleranz Flow Verzögerung Fdelay Minimale Verzögerung der Bremsrampe Somit ist das Ergebnis unserer Berechnung: Anhang und Literaturhinweise Literaturhinweise Literaturangaben Internet-Link-Angaben Historie Version Ausgabe Februar /14

5 Übersicht und Beschreibung der Funktionalität Applikationsbeschreibung 1 Übersicht und Beschreibung der Funktionalität Der Frequenzumrichter SINAMICS G120 ist als modulares Umrichtersystem aufgebaut, welches im Wesentlichen aus den beiden Funktionseinheiten Control Unit (CU) und Power Modul (PM) besteht. Bei Nutzung der Control Unit CU240S DP-F stehen Ihnen die folgenden, in den Frequenzumrichter integrierten, Sicherheitsfunktionen zur Verfügung: SLS - Safely-Limited Speed Sicher begrenzte Geschwindigkeit - Gemäß IEC Der Frequenzumrichter überwacht das Überschreiten eines eingestellten Motordrehzahl-Grenzwertes ohne zusätzliche externe Komponenten Begrenzung und Überwachung der Antriebsdrehzahl Unabhängige und kontinuierliche Überwachung garantiert kürzeste Reaktionszeiten im Fehlerfall Kein Drehzahlgeber nötig SS1 - Safe Stop 1 Sicherer Stopp 1 - Gemäß IEC Der Frequenzumrichter reduziert die Drehzahl des Motors an einer Bremsrampe bis zum Stillstand und überwacht diesen Bremsvorgang kontinuierlich und ohne zusätzliche externe Komponenten Schnelles und sicher überwachtes Stillsetzen des Antriebs Unabhängige und kontinuierliche Überwachung garantiert kürzeste Reaktionszeiten im Fehlerfall Kein Drehzahlgeber nötig Version Ausgabe Februar /14

6 Übersicht und Beschreibung der Funktionalität STO - Safe Torque Off Sicher abgeschaltetes Moment - Gemäß IEC Der Antrieb wird durch den Umrichter sicher drehmomentfrei geschaltet Über den Umrichter ist der Schutz gegen den unbeabsichtigten Anlauf des Antriebes gewährleistet (Der Schutz vor Wiederanlauf erfordert keine galvanische Trennung zwischen Motor und Umrichter). SBC - Safe Brake Control Sichere Bremsansteuerung Der Frequenzumrichter überwacht die Ansteuerung der elektromechanischen Motorbremse. Das für diese Funktion notwendige Relais ist unter der MLFB 6SL3252-0BB01-0AA0 erhältlich. Sichere Ansteuerung einer externen Bremse unter Verwendung des Safe Brake Relay Angesteuert werden die Sicherheitsfunktionen entweder über zwei fehlersichere digitale Eingänge (4 digitale Eingänge, welche in der CU 240S DP F zweikanalig fehlersicher ausgewertet werden) oder über PROFIsafe in Verbindung mit einer fehlersicheren CPU. Hinweise und Einschräkungen Bitte beachten Sie, dass die beiden Sicherheitsfunktionen SLS und SS1 für durchziehende oder dauerhaft regenerative Lasten nicht verwendet werden dürfen. Eine durchziehende bzw. dauerhaft regenerative Last ist gegeben, wenn der Motor im spannungsfreien Zustand durch die Last beschleunigt wird (z.b. Heber, Wickler, Windkraftwerk). Voraussetzung für den Einsatz der fehlersicheren Funktionen ist eine einwandfrei Funktion der Regelung. Der Antrieb (System Umrichter + Motor + Arbeitsmaschine) muss so ausgelegt sein, dass alle Betriebsfälle der jeweiligen Applikation beherrscht werden. Nach Aktivierung der Sicherheitsfunktionen STO und SS1 besteht keine galvanische Trennung zwischen der Netzversorgung des SINAMICS G120 und dem Motor. Wenn dies in Ihrer Anwendung gefordert ist, müssen Sie ein entsprechendes Netzschütz vor dem SINAMICS G120 installieren. Version Ausgabe Februar /14

7 Berechnung der Grenzwerte für SS1 und SLS 2 Berechnung der Grenzwerte für SS1 und SLS Beim Parametrieren der Safety Funktionen SLS und SS1 sind einige Grenzwerte in der sogenannten Hüllkurve festzulegen. Hierzu müssen Safety Berechnungsformeln berücksichtigt werden welche helfen Fehler bei der Safety Parametrierung bzw. daraus resultierende Fehlermeldungen zu vermeiden. Im Folgenden wird diese Berchnung ausführlich dargestellt. 2.1 Parametrieren der Hüllkurve für SLS und SS1 Beim Parametrieren der Hüllkurve für SLS und SS1, mit P9680/P9880 und P9691/P9891, sollten die folgenden minimalen Toleranzen beachtet werden, um maximale Verfügbarkeit des Antriebs zu gewährleisten. Abbildung 2-1 Sicherheitsgrenzen für SLS und SS1 Version Ausgabe Februar /14

8 Berechnung der Grenzwerte für SS1 und SLS 1. Oberer Toleranzbereich für die SLS P9691 Der obere Toleranzbereich für die SLS P9691 sollte auf P P Fslip gesetzt sein. Dadurch ist die minimale Frequenztoleranz als F = P P9690 Fslip definiert, wobei Fslip = r0330 P0310 Diese Parametrierung verhindert durch Messfehler hervorgerufene Ausfälle. Es ist zu beachten, dass P9691 auch dann gesetzt sein muss, wenn SLS nicht parametriert wurde. 2. Resultierende Frequenztoleranz Fhigh Die resultierende Frequenztoleranz Fhigh ist, wegen der minimalen Frequenztoleranz bei hohen Frequenzen, demnach gegeben durch: Fhigh 0.15 Fmax - F wobei Fmax die maximale Frequenz beim Initialisieren von SLS oder SS1 definiert. 3. Resultierende Frequenztoleranz Flow Die resultierende Frequenztoleranz Flow ist, wegen der minimalen Frequenztoleranz bei niedrigen Frequenzen, demnach gegeben durch: Flow m / D - F Wobei die Steigung m definiert ist als m = 200 / P9681 Der Wert für D in der oberen Formel wird wie folgt berechnet: SLS parametriert: D = 2 P9690 SS1 parametriert: D = 2 P9682 SLS und SS1 parametriert: D = 2 min [P9682, P9690] Version Ausgabe Februar /14

9 Berechnung der Grenzwerte für SS1 und SLS 4. Verzögerung Fdelay Die gültige Verzögerung Fdelay ist gegeben als Maximum von Fdelay = max [0, Flow, Fhigh] 5. Minimale Verzögerung der Bremsrampe Die minimale Verzögerung der Bremsrampe lässt sich letztendlich berechnen durch P9680 Fdelay / m Die Hüllkurve für SS1 und SLS ergibt sich aus einer Zeitverzögerung (P9680) in t-richtung und einer zusätzlichen Frequenztoleranz F in F- Richtung. Version Ausgabe Februar /14

10 Beispiel: Berechnung der Safety Formeln 3 Beispiel: Berechnung der Safety Formeln In dem folgenden Beispiel wird die Berechnung der Safety Formeln für den Motor 1LA7060-4AB10-Z und für die Werkseinstellungen der Safety Parametern durchgeführt. Die technischen Daten des Motors sowie die Werte der für die Berechnung der notwendigen Safety Parameter sind in den nachfolgenden Tabellen dargestellt. Tabelle 3-1 Technische Daten Parameter Parametertext Wert P0300 Auswahl Motortyp 1; Asynchronmotor P0304 Motornennspannung 230/400 [V] /Y P0305 Motornennstrom 0.73/0.42 [A] P0307 Motornennleistung 0.12 [kw] P0308 Motornennleistungsfaktor 0.75 P0310 Motornennfrequenz 50 [Hz] P0311 Motornenndrehzahl 1350 [1/min] r0313 Motorpolpaare 2 Tabelle 3-2 Werkseinstellungen der Safety Parameter Parameter Parametertext Wert P9681 SI Bremsrampe Rücklaufzeit 10 [s] P9682 SI Minimale Drehzahl für 5.0 [Hz] Stillstandserkennung P9690 SI Sollwert für SLS 10.0 [Hz] 1. Oberer Toleranzbereich für die SLS P9691 Die Schlupffrequenz berechnet sich aus: Fslip = r0330 P0310, wobei r0330 der Motornennschlupf ist r0330 = (P P0311 r0313 / 60) / P % Fslip = (50 [Hz] [1/min] 2 / 60) / 50 [Hz] 100% 50 [Hz] = 5 [Hz] oder 10 [%] von 50 [Hz] (P2000 = 50 [Hz]); Version Ausgabe Februar /14

11 Beispiel: Berechnung der Safety Formeln Der obere Toleranzbereich für die SLS P9691 ist danach: P P Fslip, oder P [Hz] + 5 [Hz], P [Hz]; An dieser Stelle soll man den Parameter P9691 auswählen, z.b. P9691 = 16.5 [Hz] (oder 17 [Hz]). Die minimale Frequenztoleranz berechnet sich aus: F = P P9690 Fslip oder F = 16.5 [Hz] - 10 [Hz] - 5 [Hz] = 1.5 [Hz] 2. Resultierende Frequenztoleranz Fhigh Die Formel zur bestimmung der oberen Frequenztoleranz Fhigh lautet: Fhigh 0.15 Fmax - F; Ist z.b. Fmax = 50 [Hz], dann ergibt sich: Fhigh [Hz] 1.5 [Hz], Fhigh 6 [Hz] 3. Resultierende Frequenztoleranz Flow Die Formel zur bestimmung der unteren Frequenztoleranz Flow lautet: Flow m / D - F Die Steigung m wird wie folgt berechnet: m = 200 / P9681 = 200 [Hz] / 10 [s] = 20 [Hz/s] Der Wert D für - SLS parametriert - D = 2 P9690 = 2 10 [Hz] = 20 [Hz] SS1 parametriert - D = 2 P9682 = 2 5 [Hz] = 10 [Hz] SLS und SS1 parametriert - D = 2 min [P9682, P9690] = 2 min [5 [Hz], 10[Hz]] = 10 [Hz] Version Ausgabe Februar /14

12 Beispiel: Berechnung der Safety Formeln Betrachten wir den Fall, wenn die beiden Funktionen, SLS und SS1, parametriert sind. Hier lautet die Fromel der resultierenden Frequenztoleranz Flow: Flow m / D - F, Flow 20 [Hz/s] / 10 [Hz] [Hz], Flow 0.5 [Hz] 4. Verzögerung Fdelay Bitte beachten Sie, dass Flow und Fhigh sowohl negative Werte als auch 0 annehmen können. Es ist deshalb wichtig Fdelay mit 0 zu vergleichen und den maximalen Wert zu bestimmen. Die Formel wie folgt: Fdelay = max [ Flow, Fhigh, 0] = max [0.5 [Hz], 6 [Hz], 0] = 6 [Hz] 5. Minimale Verzögerung der Bremsrampe Die Berechnung der minimalen verzögerung der Bremsrampe wie folgt: P9680 Fdelay / m, P [Hz] / 20 [Hz/s], P [s] Der Parameter P9680 ist auf 300 [ms] zu parametrieren. Somit ist das Ergebnis unserer Berechnung: Der obere Toleranzbereich P9691 = 16.5 [Hz] Die minimale Verzögerung der Bremsrampe P9680 = 300 [ms] Version Ausgabe Februar /14

13 Anhang und Literaturhinweise Literaturhinweise 4 Literaturhinweise Anhang und Literaturhinweise 4.1 Literaturangaben Diese Liste ist keinesfalls vollständig und spiegelt nur eine Auswahl an geeigneter Literatur wieder. Tabelle 4-1 Themengebiet /1/ SINAMICS G120 Betriebsanleitung /2/ SINAMICS G120 Parameterliste Titel Betriebsanleitung: Control Unit CU240S, CU240S DP, CU240S DP-F Software-Version 2.0 Listenhandbuch: Control Unit CU240S, CU240S DP, CU240S DP-F Software-Version 2.0 /3/ Systemhandbuch Safety Integrated /4/ Getting Started SIMATIC S7 Distributed Safety 4.2 Internet-Link-Angaben Diese Liste ist keinesfalls vollständig und spiegelt nur eine Auswahl an geeigneter Literatur wieder. Tabelle 4-2 Themengebiet Titel \1\ Webseite Siemens A&D Customer Support \2\ Applikation Note Ansteuerung eines SINAMICS G120 über Profibus Sicherheitsfunktionen über Profisafe in Kategorie 3 (EN 954-1) bzw. SIL 2 (IEC 61508) \3\ Applikation Note Inbetriebnahme von SINAMICS G120 Safety Integrated Funktionen mit Starter \4\ FAQ Fehler F0395 Akzeptanztest Version Ausgabe Februar /14

14 Anhang und Literaturhinweise Literaturhinweise 4.3 Historie Tabelle 4-3 Historie Version Datum Änderung V1.0 Januar 2007 Erste Ausgabe V1.1 Februar 2007 Excel Tabelle (Berechnung der Grenzwerte) hinzugefügt Version Ausgabe Februar /14