1、 引言 我公司道岔車間現(xiàn)有的兩臺鋼軌刨床電氣傳動采用的是我國上世紀六十年代流行的交磁擴大機控制的F－D(直流發(fā)電機－直流電動機)傳動方案，由于老設(shè)備控制精度低，效率不高，占地面積大、電能浪費嚴重、噪音大，加之元件嚴重老化，系統(tǒng)故障頻繁，因此對其進行升級改造勢在必行。 近代電子技術(shù)的發(fā)展和大功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，為實現(xiàn)直流調(diào)速系統(tǒng)的全數(shù)字控制創(chuàng)造了良好的條件。當(dāng)今大型龍門刨床成熟的直流傳動方案是采用全數(shù)字晶閘管可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，它采用微型計算機進行控制，從而使整個電控系統(tǒng)裝置不但體積小，而且運行可靠性大為提高，且系統(tǒng)效率比直流發(fā)電機組傳動高，屬于高效、節(jié)能產(chǎn)品。 2、節(jié)能改造方案的確定 鋼軌刨床的刨削加工主要由工作臺的往復(fù)運動實現(xiàn)，其主機拖動系統(tǒng)主要是由一臺110KW的直流發(fā)電機組和兩臺通過機械同軸剛性連接的60KW直流電動機構(gòu)成，直流電動機的調(diào)速通過交磁擴大機的控制繞組進行信號的放大與轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)直流發(fā)電機組的輸出電壓，通過改變直流電動機電樞兩端的電壓來實現(xiàn)他勵直流電動機的調(diào)壓調(diào)速。由于上世紀六十年代流行的交磁擴大機控制的直流發(fā)電機組傳動方案存在電能→機械能→電能的這一轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，其固有的轉(zhuǎn)換效率必然小于1，因此它屬于低效、高能耗的電氣傳動系統(tǒng)，且有機組占地面積大、噪音大等缺點。 　　歐陸590+系列全數(shù)字直流調(diào)速器是新型直流調(diào)速器中應(yīng)用廣泛的產(chǎn)品，它使用交流110V到500v的三相電源，提供直流輸出電壓和電流，用于直流電動機的電樞和勵磁控制，適用于直流他勵電動機和永磁電動機的控制。590+系列中所有的控制算法都由最新的高速16位微處理（單片機）完成，控制軟件包的結(jié)構(gòu)以及單片機處理速度可以保證所有控制回路的調(diào)節(jié)作用在主電路六個可控硅橋的轉(zhuǎn)換時間內(nèi)完成，以保證電流環(huán)的采樣時間小于3.3Ms(50Hhz電源)或2.67Ms(60HZ電源)，速度環(huán)算法也可在此時間內(nèi)完成，以獲得優(yōu)越的性能。 鑒于以上原因，我們在2005年8月先對其中的一臺12米鋼軌刨床進行了改造，新改的電氣傳動采用PLC（可編程邏輯控制器）控制的全數(shù)字晶閘管可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。電控系統(tǒng)的PLC選用日本OMRON公司的CPM2A型整體式PLC，它負責(zé)完成全數(shù)字直流調(diào)速裝置外圍的給定信號處理、機床按鈕站信號、各種限位信號和系統(tǒng)故障信號的邏輯控制與處理。全數(shù)字晶閘管可逆直流調(diào)速裝置選用英國歐陸公司的590+系列500A四象限邏輯無環(huán)流（可逆）全數(shù)字直流電機調(diào)速裝置，它所有的控制算法都由高速16位微處理器完成，以獲得優(yōu)越的動態(tài)控制性能；自整定算法可自動計算出電流環(huán)的P、I常數(shù)及電流斷續(xù)點，使系統(tǒng)獲得最佳動態(tài)性能；其電流環(huán)的自適應(yīng)功能使系統(tǒng)變化較大時，也可獲得平穩(wěn)的速度響應(yīng)。此次改造調(diào)速系統(tǒng)采用編碼器構(gòu)成轉(zhuǎn)速負反饋速度閉環(huán)控制，用以提高電氣調(diào)速系統(tǒng)的速度平穩(wěn)性，擴大系統(tǒng)調(diào)速范圍、減小轉(zhuǎn)速靜差率?！?3、 系統(tǒng)概述 從電機學(xué)我們知道：改變施加在直流電動機電樞兩端的供電電壓可以改變直流電機的轉(zhuǎn)速。在這套系統(tǒng)中通過內(nèi)部或外部電位計給定0～10V的電壓信號到PLC中，在由PLC進行數(shù)據(jù)處理后給定到直流調(diào)速裝置來調(diào)節(jié)電機的輸出轉(zhuǎn)速，具體系統(tǒng)控制原理圖見圖1所示。 為了保證系統(tǒng)有較高的動態(tài)性，采用了雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)通過與直流電動機同軸安裝的測速編碼器反饋回電機實際轉(zhuǎn)速信號-Un和給定的電壓信號Un`共同給定速度調(diào)節(jié)器，經(jīng)速度調(diào)節(jié)器PI整定后輸出Ui`和電流的反饋信號-Ui共同給定電流調(diào)節(jié)器，經(jīng)PI整定后在輸入給控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置來控制加在電機兩端的電壓。這種控制方式使電機轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Un`變化，對負載變化起抗干擾的作用，而且對電網(wǎng)電壓波動起及時抗干擾的作用，還保證獲得允許的最大電流；在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，還使電流跟隨其給定電壓Un`變化，并且當(dāng)電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護作用。 4、 功能實現(xiàn) 以下是選用的電機、直流調(diào)速器和編碼器及其選項板的參數(shù)。直流電動機：型號 ZSD-32.7/19 ，數(shù)量 2臺,額定功率 59KW ,電樞電流 298A,額定轉(zhuǎn)速 1000r/mim ,勵磁電壓 220V,電樞電壓 220V ，勵磁電流 10A；直流調(diào)速器：型號 SSD590P/500A,Ie＝500A；編碼器選項板：型號AH387775U024,DC24V；編碼器：1024ppm,DC24V。 如圖1所示，這里A1為零伏基準，它是調(diào)速器中所使用的所有模擬信號的通用基準點；A4為斜坡速度設(shè)定值，＋10V＝全速設(shè)定值，－10V＝逆向全速設(shè)定值；A6為主電流極限或輔助電流限幅；A9為電樞電流的輸出電流計指示； B3為+10V基準電源；B4為－10V基準電源； B6為調(diào)速器正常數(shù)字輸出；B8 為程序停車，當(dāng)程序停車輸入保持在＋24V時，調(diào)速器將按照輸入信號的要求運行，當(dāng)程序停車輸入為開路或零伏時，控制器將按照程序性停止參數(shù)的定義，產(chǎn)生受控停止或程序性停止；B9 為慣性停止，當(dāng)慣性停止輸入為＋24V時，控制器正常運行，當(dāng)慣性停止為零伏或開路時，主接觸器打開，同時調(diào)速器不再運行，電機滑行停止；C1 為零伏基準；C2 為電動機過熱保護；C3 為啟動/運行；C4 為點動；C5 為啟用輸入 ；C6為電流鉗位選擇；C9 為+24V電源；C(3) 為主接觸器線圈L；N(4) 為主接觸器線圈N ；L1，L2，L3為 110V-500V三相交流電源；A+為電樞正接線端；A- 為電樞負接線端；F+，F(xiàn)-為外部勵磁電源；L 為輔助電源L；N 為輔助電源N；TH1、TH2 為電機溫度檢測端子，本案例中沒有使用電機溫度檢測，用短接線將TH1、TH2端子短接。B6是驅(qū)動器正常數(shù)字輸出，當(dāng)驅(qū)動器接收到信號時，經(jīng)過自檢大約2秒之后便輸出正常的信息，PLC通過這個信號的狀態(tài)可以實現(xiàn)590+數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的故障診斷。 　　鋼軌刨床工作臺的正向、反向、低速進刀、低速退刀和左右刀架的進刀、退刀以及橫梁的升降等控制，通過CPM2A型PLC來實現(xiàn)邏輯控制，工作臺的正向、反向調(diào)速電位器安裝在懸掛按鈕站上，以便于機床操作者操縱刨床。關(guān)于刨床的PLC控制，限于篇幅，此不贅述。 5、 系統(tǒng)調(diào)試概述 5.1 改變A4端電位計的值，觀察輸入電壓的變化（0-10V）。 5.2 使用操作面板檢查外部鉗位電流設(shè)置，檢查A6是否在+10V或者可調(diào)整到+10V。 5.3 在編碼器和編碼器選項板的安裝時一定要按照說明書的要求對E1-E6的編碼器信號線進行正確接線，編碼器選項板安裝在590直流調(diào)速器控制基板的左下部（參見編碼器選項板安裝手冊）。系統(tǒng)上電后，首先調(diào)節(jié)編碼器選項板上的輸出電壓調(diào)節(jié)電位器，調(diào)節(jié)提供給編碼器的電壓保持在DC24V；然后手動向前旋轉(zhuǎn)編碼器軸，檢查速度反饋的極性，保證構(gòu)成速度負反饋模式,編碼器參數(shù)應(yīng)為正讀數(shù)。 5.4 設(shè)定MAIN CURR.LIMIT參數(shù)為0.00%。 5.5 +24V出現(xiàn)在端子B8和B9，施加指令“STAR/RUN”到C3，三相電源接觸器應(yīng)該吸合通電（也可能由于三相故障報警立即釋放）；解除端子C3上的“啟動/運行”指令，三相電源接觸器應(yīng)該斷開并保持在未加電的狀態(tài)。如果在進行此項檢查時，接觸器的通電時間延長，則控制器將檢測是否連接了三相電源，并關(guān)閉接觸器，同時發(fā)出三相電源報警。 5.6 切斷設(shè)備電源，重新連接主三相電源。 5.7 把速度設(shè)定值轉(zhuǎn)到零，使“SPEED SETPOINT”參數(shù)為零。 5.8 檢查MAIN CURR.LIMIT是否為零。 5.9 啟動“STAR/RUN”，并檢查三相電源是否加在L1、L2、L3上，接通“ENABLE”，立即檢查F+和F-之間是否出現(xiàn)正確的勵磁電壓。 5.10 檢查正常和停止操作面板指示器，還有正、反轉(zhuǎn)指示燈是否接通。 5.11 設(shè)置“SPEED SETPOINT”參數(shù)為5%左右，設(shè)定端輸入為0.5V，設(shè)定SPEED FBK SELECT參數(shù)為ENCODER，慢慢增加MAIN CURR.LIMIT參數(shù)達到20%的最大值，若所有的連接都正確的話，電機應(yīng)該開始運轉(zhuǎn)，速度為全速的5%左右，檢查編碼器反饋的參數(shù)。停止調(diào)速器重新設(shè)定SPEED FBK SELECT參數(shù)為編碼器反饋，在執(zhí)行如上相同的檢查，如果相同的話執(zhí)行“參數(shù)保存”。如果超過了5%的速度且電機繼續(xù)加速，則表示接反了，重新接線。 5.12 將“SPEED SETPOINT”參數(shù)為10%左右，設(shè)定輸入點1.0V的電壓，電機將加速到這個速度，觀察個參數(shù)的變化。 5.13 把“SPEED SETPOINT”的值提高到最大，并檢查轉(zhuǎn)速是否正確。 6、 改造效果 下面就新舊兩種電氣傳動系統(tǒng)的技術(shù)性能做以詳細比較。 6.1調(diào)速范圍 鋼軌刨床交磁擴大機控制的直流發(fā)電機組拖動方式（JF—F—D）采用電壓負反饋、電流正反饋，其調(diào)速范圍D=20。高速16位微處理器控制的晶閘管可逆直流調(diào)速拖動方式（KZ—D）采用光電編碼器做轉(zhuǎn)速負反饋，其調(diào)速范圍D=100。 6.2穩(wěn)態(tài)精度 JF—F—D系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度只能達到1%，而KZ—D系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度卻能達到0.01%（光電編碼器反饋）。 6.3運行可靠性 JF—F—D系統(tǒng)由于調(diào)整電阻多，采用的繼電器邏輯控制方式固有連接接點多，從而造成電路虛接的故障幾率很高。JF—F—D系統(tǒng)的直流發(fā)電機、交磁擴大機、勵磁機均有換向器和電刷，因電刷接觸不良造成的故障頗多。高速微處理器控制的KZ—D系統(tǒng)采用可編程序控制器（PLC）后，由于整個控制系統(tǒng)是適用于惡劣工業(yè)環(huán)境的工業(yè)計算機來完成所有控制算法，所以整個電控系統(tǒng)比JF—F—D系統(tǒng)大為簡化，原控制電路中的繼電器邏輯控制硬觸點代之以PLC的軟觸點，原主電路中的直流發(fā)電機組、交磁擴大機、勵磁機、啟動電阻等代之以電路簡練的全數(shù)字晶閘管整流裝置?？刂齐娐返暮喕⒋箅娏鹘狱c的減少，必將進一步提高鋼軌刨床電氣傳動系統(tǒng)的運行可靠性。 6.4可維修性 JF—F—D系統(tǒng)可調(diào)電阻多，控制電機多，需調(diào)整的部位多，調(diào)試難度大，維修不易。高速微處理器控制的KZ—D系統(tǒng)采用全數(shù)字裝置，充分發(fā)揮了計算機軟件靈活的優(yōu)勢，具有完善的數(shù)字控制和保護功能；數(shù)字控制調(diào)整點少，調(diào)試參數(shù)自整定，發(fā)生故障后有準確的故障信息顯示，縮短了維修時間。 6.5效率及設(shè)備體積 JF—F—D系統(tǒng)交流異步電動機拖動的直流發(fā)電機組效率僅能達到93%左右；其電氣傳動系統(tǒng)除了電氣控制柜以<