張瑞虎

（首鋼長治鋼鐵有限公司軋鋼廠，山西 長治046000）

車床是為國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域提供基礎母件的重要基礎設備，是國防軍工現(xiàn)代化建設中的戰(zhàn)略性設備，是一個國家綜合競爭力的重要標志。車床調(diào)速裝置作為車床的重要組成部分，其工作性能和穩(wěn)定性直接影響到車床工作的效率[1]。從20世紀60年代開始，國內(nèi)應用最廣泛的車床調(diào)速系統(tǒng)為機組供電直流調(diào)速系統(tǒng)，其原理是交流電動機拖動直流發(fā)電機，根據(jù)使用情況直流發(fā)電機供電給需要的直流電動機。隨著生產(chǎn)力的不斷提升和控制需求的多樣化要求，該裝置已經(jīng)不能滿足日益增長的產(chǎn)品需求。為了提高生產(chǎn)力，減少故障率，目前國內(nèi)開始廣泛使用傳動系統(tǒng)采用西門子6RA80的直流調(diào)速控制系統(tǒng)。該裝置適用性強、應用靈活、控制系統(tǒng)易安裝、調(diào)試簡單方便、功能完善等優(yōu)點。

1 直流調(diào)速裝置系統(tǒng)分析

車床傳動控制系統(tǒng)由西門子6RA80直流調(diào)速控制系統(tǒng)，采用西門子S7-400進行PLC控制，控制交互界面采用西門子WINCC7.0。6RA80直流調(diào)速裝置包括控制電路，勵磁用功率單元和電樞。此外，還有一些滿足不同需求功能的選配模件[2]，裝置的勵磁板如圖1所示。該裝置的額定直流電流的范圍為15～2 800 A，也可以通過將直流調(diào)速裝置以并聯(lián)的方式來提高額定電流的范圍。在劃分直流調(diào)速裝置型號時，可以根據(jù)其中電樞整流電路的區(qū)別，將其分為四象限和二象限調(diào)速裝置。其中，二象限調(diào)速裝置采用一組三相全控橋式整流電路[3]，四象限調(diào)速裝置采用兩組三相全控橋式整流電路，該電路為無環(huán)流的反向并聯(lián)電路。6RA80直流調(diào)速裝置主要有以下一些特點：

圖1 ARA80直流調(diào)速器勵磁板

1）控制板由標準CUD和高級CUD兩種組成。在進行安裝使用時可以根據(jù)需求采用適合的控制板單獨控制，也可以將兩者結(jié)合起來達到不同速度、類型和計算性能的要求。

2）該型號的控制器前面板上制配了一塊操作面板，通過該面板，可以將參數(shù)、故障等都顯示出來。除此之外，還可以進行啟停、錄入等基本操作。

3）控制裝置勵磁部分可以選用一象限和二象限兩種[4]。一象限勵磁部分采用單相半控橋式脈沖對整流電路；二象限勵磁部分采用單相全控橋式脈沖對整流電路。

4）裝置本身集成了一個Profibus-DP接口，可以實現(xiàn)和中心處理器的Profibus-D通訊功能。此外，通過SINAMICS LINK連接，實現(xiàn)了不同CUD之間的數(shù)據(jù)交換，可以進行多個驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)矩分配和負載分配功能。

2 控制原理和功能實現(xiàn)

根據(jù)下頁圖2所示的可編程程序控制器系統(tǒng)設計流程，根據(jù)機床的實際生產(chǎn)需求和控制要求，對6RA80直流調(diào)速裝置進行控制原理和功能實現(xiàn)設計。6RA80對車床中主電機和左右卷曲電機進行控制，為了保護傳動單元，傳動裝置還配備了電壓吸收裝置。此外，為了防止工作電壓跌落，還配置了配備換向電感。車床的主電機和左右卷取機共用1臺變壓器[5]，該措施可以使系統(tǒng)主電機不使用電抗器，但在左右卷取機調(diào)速裝置的進線處設置電抗器。

圖2 可編程控制器系統(tǒng)設計流程圖

2.1 傳動模塊的選擇

為了使6RA80直流調(diào)速裝置和車床工作器械的負載特性匹配，在進行參數(shù)設置時，根據(jù)負載的工作周期選擇傳動裝置，其中負載級的設置通過6RA80直流調(diào)速裝置上的參數(shù)進行設置。對于車床來說，根據(jù)技術(shù)要求，選取四象限模塊傳動裝置。在主傳動電機模塊采用680 V，1 400 A，在左右卷取電機模塊選用390 V，500 A的配置。其直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示。

圖3 直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖

2.2 外部回路接線端子功能

在6RA80直流調(diào)速裝置上除了DI1，DI2兩個端子是定能接口，其他輸入和輸出端口都可以被編輯。連接電機轉(zhuǎn)速編碼器的端子為脈沖編碼器端子，為編碼器提供+15 V的工作電壓。此外，在該調(diào)速裝置上還設有安全停機回路，在突發(fā)意外情況時，在15 min內(nèi)負責控制主要接觸繼電器的端子會分斷，使其不受控制單元和半導體的影響，達到停機目的。

2.3 6RA80控制原理

直流電機調(diào)速系統(tǒng)一般使用閉環(huán)控制來達到精確的速度控制，6RA80系統(tǒng)內(nèi)部自帶閉環(huán)控速系統(tǒng)，分為轉(zhuǎn)速環(huán)閉和電流環(huán)閉兩種狀態(tài)。其中，轉(zhuǎn)速環(huán)閉為外部環(huán)閉，電流環(huán)閉為內(nèi)部環(huán)閉，即電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在進行調(diào)速工作時，通過電機編碼器檢測到的實際速度反饋至速度環(huán)，將其與之前設定的速度進行對比，得到速度差后將其傳輸至電流環(huán)。電流環(huán)在結(jié)合要求工作速度后，通過改變電流環(huán)輸入電流的方式來改變電機的轉(zhuǎn)矩，達到增加或者降低工作速度的操作。此外，電流環(huán)還會檢測元件的實際輸出電流，然后將其發(fā)饋至電流環(huán)入口和速度環(huán)輸出的電流定值進行比較，然后利用電流差值改變閘管的導通角，從而改變輸出電流，達到增降速的工作。

3 調(diào)速裝置參數(shù)設置和優(yōu)化

6RA80直流調(diào)速裝置的主要運行參數(shù)如表1所示。為了實現(xiàn)車床的自動化控制，提高生產(chǎn)運行的精確度和穩(wěn)定性，對調(diào)速裝置電機參數(shù)進行優(yōu)化。在進行優(yōu)化時，電機參數(shù)P50051=24（勵磁電流）和P50051=25（電樞電流）會自動控制PI參數(shù)，達到輸出電流可控可調(diào)的目的。電機參數(shù)P50051=26優(yōu)化時達到自動確認速度環(huán)PI值。電機參數(shù)P50051=27對EMF控制進行優(yōu)化。

表1 6RA80直流調(diào)速裝置參數(shù)

4 結(jié)語

為了增加車床工作時的自動化程度，提高其工作效率和準確度。文中提出了基于西門子6RA80的直流調(diào)速裝置，通過對其工作原理和性能結(jié)構(gòu)的分析，得到以下結(jié)論：

1）直流調(diào)速裝置在僅依靠軟件的支持下，不用改變硬件設置，可以簡單方便地實現(xiàn)各種控制和調(diào)節(jié)功能。

2）6RA80直流調(diào)速裝置在車床工作時可以自動調(diào)節(jié)運行速度，保證車床運行在最佳狀態(tài)，使主電機在調(diào)節(jié)時波動最小，工作運行穩(wěn)定。

3）6RA80直流調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、系統(tǒng)穩(wěn)定、控制安全可靠、精度高，具有較高的社會效益和經(jīng)濟效益。