孔海超 孫偉 衣松泉

摘 要：直流電機(jī)是高線生產(chǎn)過程中的最重要的設(shè)備之一，如何實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)精確調(diào)速是高線生產(chǎn)過程中的問題之一。本文以西門子6RA70系列直流調(diào)速裝置為背景介紹了宣鋼高速線材生產(chǎn)線直流傳動(dòng)系統(tǒng)的組成及速度調(diào)節(jié)方式。

關(guān)鍵詞：6RA70；直流調(diào)速裝置；閉環(huán)控制；弱磁控制

一、概述

宣鋼高速線材生產(chǎn)線是一條全連軋熱軋生產(chǎn)線，其主要產(chǎn)品為Φ5mm～Φ12mm盤條和盤螺。直流傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成：宣鋼高速線材軋機(jī)主傳動(dòng)（從粗軋至預(yù)精軋共18架軋機(jī)）及部分輔傳動(dòng)（包括飛剪、吐絲機(jī)等）使用西門子6RA70 SIMOREG？DC？MASTER直流調(diào)速系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)采用西門子S7-400 PLC，采用三級(jí)控制系統(tǒng)和兩層通訊網(wǎng)絡(luò)的模式，三級(jí)控制系統(tǒng)包括人機(jī)界面（西門子WINCC畫面）、控制單元（PLC）和遠(yuǎn)程執(zhí)行單元（包括PLC遠(yuǎn)程站、交直流調(diào)速裝置等），兩層通訊網(wǎng)絡(luò)包括工業(yè)以太網(wǎng)和Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)。直流調(diào)速系統(tǒng)通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)連接PLC，完成直流調(diào)速系統(tǒng)的控制。

二、直流電機(jī)調(diào)速控制

直流主電機(jī)的調(diào)速控包括：

（一）設(shè)定速度給定

電機(jī)啟動(dòng)時(shí)能夠進(jìn)行平穩(wěn)加速控制，調(diào)速系統(tǒng)由遠(yuǎn)程和本地兩種方式設(shè)定。本地設(shè)定通過在PMU操作面板選擇P401參數(shù)進(jìn)行電機(jī)給定設(shè)置，用于電機(jī)調(diào)試運(yùn)行；遠(yuǎn)程操作通過PROFIBUS-DP寫入PLC中給定的控制字，寫入調(diào)速裝置中，從而完成對(duì)電機(jī)速度的設(shè)定。電機(jī)的速度設(shè)定值的100%為直流電機(jī)的最大速度，速度給定為線性斜坡，可以使得電機(jī)平穩(wěn)的啟動(dòng)。

在電機(jī)調(diào)速控制時(shí)，系統(tǒng)可進(jìn)行手動(dòng)人工干預(yù)功能，在允許范圍可以使用手動(dòng)給定干預(yù)進(jìn)行調(diào)速。例如在軋鋼過程中，主操作人員使用調(diào)速桿對(duì)軋鋼系統(tǒng)進(jìn)行級(jí)聯(lián)調(diào)速以滿足正常的榨汁需求。

（二）直流電機(jī)速度反饋

直流電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度可使用電機(jī)后軸的速度編碼器獲取。脈沖編碼器測(cè)速精度高，在電機(jī)運(yùn)行過程中，每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出1024個(gè)脈沖信號(hào)（軋機(jī)為1024個(gè)脈沖，飛剪為2048個(gè)脈沖）。脈沖信號(hào)接入6RA70裝置的CUD1板，系統(tǒng)進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換、運(yùn)算，將此信號(hào)反饋到速度調(diào)節(jié)器進(jìn)行比較運(yùn)算，構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的雙閉環(huán)外環(huán)控制。

（三）直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)

該系統(tǒng)內(nèi)為速度負(fù)反饋三相全控橋式晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，主回路是正、反兩組橋式電路，控制系統(tǒng)為電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的雙閉環(huán)負(fù)反饋控制。在調(diào)速過程中，電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，為調(diào)壓控制，調(diào)節(jié)電樞電壓，電樞電壓越大，速度越大，此時(shí)電樞電壓與速度成正比；當(dāng)電壓無法繼續(xù)增大時(shí)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流越小，速度越大，此時(shí)勵(lì)磁電流與速度成反比，進(jìn)入高速運(yùn)行狀態(tài)。速度環(huán)調(diào)節(jié)使用PI調(diào)節(jié)器（P為比例環(huán)節(jié)，I為積分環(huán)節(jié)），作用是實(shí)現(xiàn)速度穩(wěn)態(tài)無靜差調(diào)節(jié)。電流環(huán)調(diào)節(jié)同樣使用PI調(diào)節(jié)器，為抑制系統(tǒng)電流電壓波動(dòng)，對(duì)過電流起到自保護(hù)作用。

1ACR為橋式電路正組晶閘管的門極觸發(fā)，2ACR為橋式電路反組晶閘管的門極觸發(fā)。系統(tǒng)使用1ACR的給定信號(hào)Ui1取反后作為2ACR的給定信號(hào)-Ui1，使得Ui1極性在正向和反向時(shí)均不變化，因此避免使用了反極性的電流檢測(cè)器。該系統(tǒng)和核心部件包括一個(gè)無環(huán)流邏輯控制器DLC，它可以確保系統(tǒng)在正、反組橋?qū)ㄇ袚Q過程中，不使兩組晶閘管同時(shí)出發(fā)導(dǎo)通，即在一組晶閘管導(dǎo)通時(shí)，另一組晶閘管自動(dòng)封鎖，這樣確保了系統(tǒng)無環(huán)流情況，避免出現(xiàn)短路放炮情況。

除上述的速度、電流調(diào)節(jié)器、無環(huán)流邏輯控制器DLC，還包括下列重要的控制單元，即ON/OFF控制單元、使能控制單元、給定值單元、斜坡發(fā)生器、電流限幅，以及勵(lì)磁控制PI調(diào)節(jié)器、限幅單元等。

（四）直流電機(jī)弱磁控制

宣鋼高線軋機(jī)主電機(jī)有三種型號(hào)規(guī)格，分別是550kW，基速800r/min，最高速度1200 r/min ；650 kW，基速600 r/min，最高速度1200 r/min：750kW，基速600r/min，最高速度1400 r/min。高線生產(chǎn)工藝要求電機(jī)轉(zhuǎn)速需要非常寬的調(diào)速范圍要求，因此在軋鋼生產(chǎn)中，調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速均需要用到。

上段已說到，直流電機(jī)的調(diào)速方式有兩個(gè)階段，第一階段是全磁通條件下，改變電樞電壓，電樞電壓范圍是零至額定電壓，速度為零速至額定速度；如進(jìn)一步提升速度，需要減小勵(lì)磁，即減少勵(lì)磁電流，那么電樞磁通逐漸減少，速度即進(jìn)一步提升，在全磁通條件下，額定電壓下的電機(jī)速度叫做基速，需要在增速，需要減少勵(lì)磁電流，即弱磁調(diào)速。

以650KW電機(jī)為例，需要注意，速度調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)系數(shù)P需要隨電動(dòng)勢(shì)的減小而增大。電動(dòng)勢(shì)調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)系數(shù)需要隨著速度的增加而減小。

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度在基速的95%以下時(shí)，即570r/min，電樞處于全磁通狀態(tài)下，速度調(diào)節(jié)器比例環(huán)節(jié)系數(shù)P取值較小，系統(tǒng)機(jī)械特性較軟，能夠滿足生產(chǎn)工藝和設(shè)備運(yùn)行要求。

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度超過基速的95%和超過基速，即大于570r/min并逐漸增大至1400r/min，在超過基速時(shí)，即大于600 r/min，電機(jī)進(jìn)行弱磁調(diào)速，電樞磁通需要逐漸減少，此時(shí)速度調(diào)節(jié)器比例環(huán)節(jié)系數(shù)P需要逐漸增大，增強(qiáng)系統(tǒng)機(jī)械特性以彌補(bǔ)電樞磁通減少引起的轉(zhuǎn)矩減小。這樣，通過在不同調(diào)速階段下，調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)系數(shù)P，可以滿足寬范圍的調(diào)速，滿足生產(chǎn)工藝要求。

（五）PLC對(duì)直流電機(jī)的通訊與控制

直流電機(jī)電樞電壓調(diào)節(jié)是通過外部晶閘管導(dǎo)通角進(jìn)行調(diào)壓，勵(lì)磁調(diào)節(jié)通過6RA70控制箱調(diào)節(jié)內(nèi)部晶閘管導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，控制全部由6RA70控制箱內(nèi)部控制板卡進(jìn)行控制，控制參數(shù)存儲(chǔ)于內(nèi)部控制模塊內(nèi)，CUD1板上連接開關(guān)量和編碼器信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行急停快停等控制及采集速度信號(hào)。

CUD1板上的CBP2通訊板通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)連接PLC，實(shí)現(xiàn)直流調(diào)試裝置與PLC相互通訊，電機(jī)的合分閘信號(hào)、故障報(bào)警、實(shí)際速度和實(shí)際電流均通過此方式通訊，以達(dá)到對(duì)直流電機(jī)的控制。

三、結(jié)語

宣鋼高速線材生產(chǎn)線充分利用西門子自動(dòng)化設(shè)備在自動(dòng)化控制方面的優(yōu)良特性，結(jié)合西門子可編程邏輯控件PLC與配套的step7編程軟件和可視化軟件WINCC，設(shè)計(jì)應(yīng)用了一套比較完善的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，在軋鋼生產(chǎn)過程中取得了優(yōu)良的效果。