为啥要出S210——之S210 硬件介绍

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西门子驱动家族介绍

西门子工业自动化作为全球领先的工业控制领导者，旗下不仅有前沿的工业控制系统（如机床控制系统、PLC控制）、其中在驱动控制领域更是独树一帜。



图（1）西门子模块化控制家族

如图（1），其中：

SIMOTION是运动控制系统，它是世界上第一款设计的控制系统，将运动控制，逻辑控制及工艺控制功能集成于一身，为生产机械提供了完整的解决方案。主要应用在机械运动复杂，对速度及精度的要很越高的场合，例如包装机械，橡塑机械，锻压机械，纺织机械，以及其他生产机械领域。

SINUMERIK是大名鼎鼎的西门子CNC数控系统，采用模块化设计，具有可扩缩性，融合了用于机床的多种产品。无论是否部署用于标准化车床和铣床，作为功能强大的、基于驱动的数控系统，或作为基于 PC 的解决方案。

SIMATIC是西门子自动化系列产品品牌统称，包括了从PLC、工业软件到HMI，从小型S7-200/smart  PLC到中型的S7-300/1200系列，到高端的S7-400/1500系列CPU。控制软件如之前的step7到现在的TIA博途系列。

SINAMICS 是西门子推出的、产品范围宽广的驱动器系列，适用于工业领域的机械和设备制造。 SINAMICS 可为所有的驱动任务提供解决方案 :

过程工业中简单的泵和风机应用

离心机、压力机、挤压机、升降机、输送和运输设备中要求苛刻的独立驱动装置

纺织机、薄膜机和造纸机以及轧钢设备的多轴驱动

机床、包装和印刷设备使用的高动态伺服驱动装置

图（2）SINAMICS 家族产品

从图（2）中可以看出：

V系列驱动（V20变频器、V90伺服）是比较低端的产品，用于运动要求不高的场所如：电机驱动，位置控制等（不要认为V是指VIP的意思

）

G系列是通用性的驱动控制器

S系列是高端的驱动控制器（下文有具体描述（图3））

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S210问世的前因后果



图（3）SINAMICS 低压产品归类描述

从上图的产品定位来说，S210属于一种高性能中低端产品。它的推出可能是出于以下原因：

2.1从产品角度来看：

在伺服产品中，SINAMICS V90功能简单应用要求不高的场合， V90在某些性能或功能上不能够满足客户的需求时（诸如高动态响应，电机尺寸，安全功能等）。

S110用于单轴定位的机械制造SinamicsS110 是一个单轴伺服驱动器，主要应用于需要单轴精确定位，快速响应的场合，如：机械手，堆垛机，自动化组装线，印刷，塑料等设备。

S210的推出，弥补了V90和S110的产品功能空缺，同时将S120低功率的产品进行填充（S120的解决方案成本过高时，可以推荐客户使用S210）。

2.2从市场角度来看：

S120在小功率伺服这一部分产品，性价比低，产品能力不强，变频伺服功能都有大而全但市场需要小而精。所以前几年推出V90专注这一块市场，但V90定位不高，属于基本型的。S210相当于拓展到中高端了，也可以用到机器人上。或者客户的机器设备需要出口到美国等地区时（UL）。

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S210的特点及应用

SINAMICS S210 是一款使用简便、运行安全可靠的高性能伺服驱动系统，全新设计的伺服驱动器与SIMOTICS S-1FK2 电机配套使用，目前提供有 5 种功率等级，涵盖 50W~1KW（1.5kW-7kW产品敬请期待，三相 400V 产品支持共直流母线应用。）；具有集成安全功能，并可实现快速工程组态。通过 PROFINET可连接到上位控制器， Webserver 和一键优化功能极大地简化了调试工作。与 SIMOTICS 伺服电机配套使用时，还可实现最小负载的高度动态移动以及中高负载的超精确移动。



图（4）1500 T CPU 与S210伺服

3.1集成Web server功能

采用HTTP传输协议的web server功能在保证了系统网络安全的基础上，无需安装任何的软件即可轻松完成驱动调试工作。是时候对调试软件说goodbye 了。

3.2单电缆技术（OCC）

One Cable Connection，单电缆不仅仅是把几根电缆捆在一起那么简单。基于Drive-CliQ的数字式反馈技术具有更强的EMC防护能力，极大地提升了系统的抗干扰能力，节省了安装空间的同时更是增强了系统的稳定性。

电机和驱动器的连接通常需要两根或者三根电缆，现在，一根电缆就可以轻松建立连接。这种新型的单电缆技术将电能传输、编码器信号传输和抱闸控制整合在一根电缆中。它集以下优点于一身：

接线迅速，因为现在只有一根电缆

安装和布线占用的空间变小

电缆清理工作量变少，这一点对于诸如制药企业以及对卫生要求苛刻的应用来说非常便利。

可按分米订购

电机侧配备 M12 连接器 （一种体积小巧的单电缆连接器）或者 M17 连接器

电机侧的连接器可旋转

结构规整小巧，可以适应狭小的电机安装空间

折弯半径由较大值优化到较小值， MOTION-CONNECT800Plus 静态的折弯半径达 2.5 倍的线径，动态的折弯半径高达4倍的线径

3.3两种编码器类型可供选择

22位单圈绝对值编码器、22位+12位多圈绝对值编码器两种编码器，都属于机械式绝对值编码器，无需电池供电。

3.4集成安全控制

S210系列集成了强大的安全功能,包括STO（安全转矩关断）和SSI（安全停止）。STO和SSI都能通过PROFIsafe执行，STO还能通过端子启动。

3.5支持共直流母线应用（仅400V）



图（5） S210 3AC 驱动器共直流母线应用方案

3.6与S7-1500(T)组成完美的伺服控制系统

支持Profinet通讯，自动适配PLC的通讯相关配置，无需单独在驱动器中组态报文。可通过工艺对象的方式实现各种运动控制功能，包括同步、凸轮、插补等功能。可应用于桁架机械手（插补功能）、高速包装设备（测量输入），收放卷应用（转矩/附加转矩控制）等。



图（6）1500与S210配置

3.7其他亮色

测量输入功能

UL认证

驱动器还集成了一个进线滤波器，在 10 米的电缆范围内，它满足 EMC C2 类的要求；在 25 米的电缆范围内，它满足EMC C3 类的要求。

可加装一个进线滤波器来增强驱动器的 EMC 性能：在 25 米的电缆范围内，它满足 EMC C2 类的要求；在 50 米的电缆范围内，它满足 EMC C3 类的要求。

PN IRT通讯，支持环网（MRP/MRPD）

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S210基本组成及组态

S210驱动单轴驱动系统包含了一个功率单元和一个控制单元，控制单元可以实现强大的通信、闭环和开环控制功能。

SINAMICS S210 伺服驱动器标配有以下端子和接口：

现场总线接口-

——1 个 PROFINET 接口带 2 个端口 （ RJ45 插口），采用 PROFIdrive V4 协议

——1 个服务接口，可以和一台服务 PC 建立以太网通信，进行控制器调试参数。

One Cable Connection (OCC)，单电缆连接

——1 个通信连接器，用于连接 SIMOTICS S-1FK2 电机的编码器线

——1 个动力连接端子，用于连接 SIMOTICS S-1FK2 电机的动力线

——1 个抱闸连接端子，用于连接 SIMOTICS S-1FK2 电机的抱闸线

1 个电子电源接口，通过 24 V DC 电源连接器连接（电源可以为多台 SINAMICS S210 供电）

1 个母线电压接口，它还可以连接选配的一台外部制动电阻

数字量输入

——1 个电位隔离、故障安全的数字量输入，可实现端子对 STO和 SS1 功能的控制

——2 个快速数字量输入，用于测头或参考标记

——1 个数字量输入，可实现外部制动电阻的温度监控

1 个存储卡插槽，可将固件、参数和授权保存在存储卡上

1 个三位式七段数码显示屏、 2 个状态 LED，可指示故障

1 个故障确认按键

图（7-1） S210 单轴1AC220V系统配置示意图



图（7-2） S210 单轴3AC380V系统配置示意图



图（8）S210面板端子图

S210控制器和 SIMATIC S7-1500、 SIMATIC S7-1500 T-CPU之间通过PROFINET网络能够完美协调工作，驱动器和上位控制器采用 PROFINET IRT 通信

SINAMICS S210 伺服驱动器有一个集成的 PROFINET 通信接口，以便连接到上位控制器，两者的通信周期时间在 250 μs内。

两者之间的通信支持实时 “ RT” 和等时实时同步 “ IRT” 模式，采用标准协议：定位运行中采用带 DSC 的 PROFIdrive 协议；在安全通信中采用 PROFIsafe 协议。另外，还提供诸如 “共享设备 ”、“ 环网冗余 ” 和 PROFIenergy 等功能。一站式提供全套自动化和驱动系统： SIMATIC S7 或 SIMOTION控制器中实现了运动控制功能。



图（9）S210与1500网络配置图

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S210基本选型和配件

5.1名词解释

扭矩：扭矩是使物体发生转动的一种特殊的力矩。电机的扭矩就是指电机从曲轴端输出的力矩。是反应电机性能的一个参数指标。扭矩输出与转速输出有一定的关系。



图（10） 1AC220V 50W伺服电机V90(左表)与S210（右表）对比

惯量：影响伺服电机响应的主要负载是负载惯量。伺服电机驱动器对伺服电机的响应控制，最佳值为负载惯量与电机转子惯量之比为一，最大不可超过五倍。通过机械传动装置的设计，可以使负载惯量与电机转子惯量之比接近一或较小。当负载惯量确实有这样大，机械设计不可能使负载惯量与电机转子惯量之比小于五倍时，则可使用电机转子惯量较大的电机，即所谓的大惯量电机。使用大惯量的电机，要达到一定的响应，驱动器的容量应要大一些。

SINAMICS S210 基础套件的产品包括：

一台SIMOTICS S-1FK2 伺服电机；

一台 SINAMICS S210 伺服驱动器；

一条  OCC 电缆（长度可预订）。其中伺服电机和伺服控制器为配套使用。

SIMOTICS S-1FK2伺服电机分为高动态型电机和紧凑型电机。

5.2伺服系统选型步骤：

5.2.1 伺服电机选型

1. 根据控制性能选择电机类型:

低惯量电机（S210高动态型电机），可在速度和加速方面实现极高的动态性能，电机制动性能好，启动，加速停止的反应很快，适合于一些轻负载，高速定位的场合。

中惯量电机（S210紧凑型型电机），可实现更加平稳的负载调节，并在扭矩和速度方面达到最佳的控制精度，适用于中型或大型物体移动的应用场合。

2. 根据需要的扭矩（负载）和速度、加速时间等参数，确定电机的额定功率

可以参考具体的扭矩\功率计算手册。

3. 选择编码器分辨率

S210支持22位单圈绝对值编码器、20位+12位多圈绝对值编码器两种编码器，都属于机械式绝对值编码器，无需电池供电，暂无增量式编码器。可以根据驱动设备运行的长度进行选择。

4. 选择电机抱闸

根据使用场合确定，根据动作机构的设计，考虑在停电状态下或静止状态下，是否会造成对电机的反转趋势。如果有反转趋势，就需要选择带抱闸的伺服电机。一般垂直运动或者张紧运动选择抱闸电机

5. 确定轴类型以及连接方式

S210高动态型电机轴高有20、30、40三种规格，

S210紧凑型电机轴高有30、40两种。

连接方式分为：光轴连接和键连接

5.2.2 伺服控制器选型

SIMOTICS S-1FK2伺服电机与之配套的伺服控制器是SINAMICS S210伺服驱动器

S210的控制器型号是根据电机型号进行匹配。

5.2.3 电缆选择

OCC电缆可以根据设备的实际距离选择不同长度的电缆从0.1米到50米。

另外还可以配置SPEED-CONNECT扩展电缆，用于连接电机侧和OCC电缆。或者延长拖链内的OCC电缆。

5.2.4 控制器选择

与S210伺服控制器的配套的西门子CPU包括S7-1200、S7-1500\1500T，推荐选择1500系列。

S210伺服控制器的进线电压分为1AC 220V、3AC 220v、3AC 380-480v 3种进线电源，但是伺服控制器输出的电源为3相电源。但同一功率的伺服电机不同的输入电压对应的型号是不同的。下表列出了，不同输入电压及轴高对应的伺服电机型号和对应的伺服控制器。



图（11） 不同规格电机及输入电压的产品选型表

其他选型工具：

西门子驱动选型配置软件Sizer V3.2，还有TIA Selection tool。

5.2.5 配件

S210伺服系统的配件产品包括进行滤波器、制动电阻，存储卡以及进行测电流保护装置。

1、进线滤波器

驱动器内已集成了滤波器，在 10 m 动力电缆长度范围内，满足EMC C2 类要求；在 25 米动力电缆长度范围内，满足 EMC C3 类要求。如需增强 EMC 性能，可以加装一个外部进线滤波器。



图（12） 进行滤波器参数及型号表

2、制动电阻

在一些型号上，驱动器内部已经集成了制动电阻。正常情况下，内部制动电阻可以和大容量直流母线电容协同工作，消耗制动能量，不再需要安装外部制动电阻。但在一些要求苛刻的应用中（如快速刹车、垂直运动等），内部制动电阻可能无法达到要求，此时可以选择连接一个外部制动电阻。

使用的外部制动电阻必须为内置温度监控的本质安全型制动电阻。在发生诸如组件故障导致的长时间过载时，该类电阻可以最大程度地降低爆炸、火灾以及外壳熔毁的发生风险。



图（13） 不同S210规格对应的制动电阻参数

3、存储卡

SINAMICS S210 也可以带存储卡 （即 SINAMICS SD 卡）运行。存储卡的卡槽位于驱动器正面翻盖下方。存储卡既可以保存SINAMICS S210 伺服驱动器的固件，也可以保存其参数设置。在进行驱动器更换等维修作业时，将存储卡中的数据直接导入新驱动器，即可立即使用新驱动器。在运行一些需要授权的功能时，则必须插入存储卡，才可以运行驱动器，因为相关授权保存在存储卡上。



图（14） S210存储卡选型表

4、其他选件说明

与S210配套的其他选件如电流保护装置，接触器等，可以根据自己的实际使用情况，选择不同功率等级的马达保护开关、熔断器、断路器、接触器等配电元件。