1、 引言 我公司道岔車間現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(直流發電機－直流電動機)傳動方案，由于老設備控制精度低，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，系統故障頻繁，因此對其進行升級改造勢在必行。 近代電子技術的發展和大功率半導體器件的出現，為實現直流調速系統的全數字控制創造了良好的條件。當今大型龍門刨床成熟的直流傳動方案是采用全數字晶閘管可逆直流調速系統，它采用微型計算機進行控制，從而使整個電控系統裝置不但體積小，而且運行可靠性大為提高，且系統效率比直流發電機組傳動高，屬于高效、節能產品。 2、節能改造方案的確定 鋼軌刨床的刨削加工主要由工作臺的往復運動實現，其主機拖動系統主要是由一臺110KW的直流發電機組和兩臺通過機械同軸剛性連接的60KW直流電動機構成，直流電動機的調速通過交磁擴大機的控制繞組進行信號的放大與轉換，調節直流發電機組的輸出電壓，通過改變直流電動機電樞兩端的電壓來實現他勵直流電動機的調壓調速。由于上世紀六十年代流行的交磁擴大機控制的直流發電機組傳動方案存在電能→機械能→電能的這一轉換環節，其固有的轉換效率必然小于1，因此它屬于低效、高能耗的電氣傳動系統，且有機組占地面積大、噪音大等缺點。 　　歐陸590+系列全數字直流調速器是新型直流調速器中應用廣泛的產品，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，控制軟件包的結構以及單片機處理速度可以保證所有控制回路的調節作用在主電路六個可控硅橋的轉換時間內完成，以保證電流環的采樣時間小于3.3Ms(50Hhz電源)或2.67Ms(60HZ電源)，速度環算法也可在此時間內完成，以獲得優越的性能。 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）控制的全數字晶閘管可逆直流調速系統。電控系統的PLC選用日本OMRON公司的CPM2A型整體式PLC，它負責完成全數字直流調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故障信號的邏輯控制與處理。全數字晶閘管可逆直流調速裝置選用英國歐陸公司的590+系列500A四象限邏輯無環流（可逆）全數字直流電機調速裝置，它所有的控制算法都由高速16位微處理器完成，以獲得優越的動態控制性能；自整定算法可自動計算出電流環的P、I常數及電流斷續點，使系統獲得最佳動態性能；其電流環的自適應功能使系統變化較大時，也可獲得平穩的速度響應。此次改造調速系統采用編碼器構成轉速負反饋速度閉環控制，用以提高電氣調速系統的速度平穩性，擴大系統調速范圍、減小轉速靜差率?！?3、 系統概述 從電機學我們知道：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速。在這套系統中通過內部或外部電位計給定0～10V的電壓信號到PLC中，在由PLC進行數據處理后給定到直流調速裝置來調節電機的輸出轉速，具體系統控制原理圖見圖1所示。 為了保證系統有較高的動態性，采用了雙閉環的結構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速信號-Un和給定的電壓信號Un`共同給定速度調節器，經速度調節器PI整定后輸出Ui`和電流的反饋信號-Ui共同給定電流調節器，經PI整定后在輸入給控制晶閘管整流器的觸發裝置來控制加在電機兩端的電壓。這種控制方式使電機轉速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；在轉速調節過程中，還使電流跟隨其給定電壓Un`變化，并且當電機過載甚至堵轉時，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 以下是選用的電機、直流調速器和編碼器及其選項板的參數。直流電動機：型號 ZSD-32.7/19 ，數量 2臺,額定功率 59KW ,電樞電流 298A,額定轉速 1000r/mim ,勵磁電壓 220V,電樞電壓 220V ，勵磁電流 10A；直流調速器：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為斜坡速度設定值，＋10V＝全速設定值，－10V＝逆向全速設定值；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為調速器正常數字輸出；B8 為程序停車，當程序停車輸入保持在＋24V時，調速器將按照輸入信號的要求運行，當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的定義，產生受控停止或程序性停止；B9 為慣性停止，當慣性停止輸入為＋24V時，控制器正常運行，當慣性停止為零伏或開路時，主接觸器打開，同時調速器不再運行，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-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是驅動器正常數字輸出，當驅動器接收到信號時，經過自檢大約2秒之后便輸出正常的信息，PLC通過這個信號的狀態可以實現590+數字直流調速系統的故障診斷。 　　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來實現邏輯控制，工作臺的正向、反向調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。關于刨床的PLC控制，限于篇幅，此不贅述。 5、 系統調試概述 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置，檢查A6是否在+10V或者可調整到+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直流調速器控制基板的左下部（參見編碼器選項板安裝手冊）。系統上電后，首先調節編碼器選項板上的輸出電壓調節電位器，調節提供給編碼器的電壓保持在DC24V；然后手動向前旋轉編碼器軸，檢查速度反饋的極性，保證構成速度負反饋模式,編碼器參數應為正讀數。 5.4 設定MAIN CURR.LIMIT參數為0.00%。 5.5 +24V出現在端子B8和B9，施加指令“STAR/RUN”到C3，三相電源接觸器應該吸合通電（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，三相電源接觸器應該斷開并保持在未加電的狀態。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，并關閉接觸器，同時發出三相電源報警。 5.6 切斷設備電源，重新連接主三相電源。 5.7 把速度設定值轉到零，使“SPEED SETPOINT”參數為零。 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、反轉指示燈是否接通。 5.11 設置“SPEED SETPOINT”參數為5%左右，設定端輸入為0.5V，設定SPEED FBK SELECT參數為ENCODER，慢慢增加MAIN CURR.LIMIT參數達到20%的最大值，若所有的連接都正確的話，電機應該開始運轉，速度為全速的5%左右，檢查編碼器反饋的參數。停止調速器重新設定SPEED FBK SELECT參數為編碼器反饋，在執行如上相同的檢查，如果相同的話執行“參數保存”。如果超過了5%的速度且電機繼續加速，則表示接反了，重新接線。 5.12 將“SPEED SETPOINT”參數為10%左右，設定輸入點1.0V的電壓，電機將加速到這個速度，觀察個參數的變化。 5.13 把“SPEED SETPOINT”的值提高到最大，并檢查轉速是否正確。 6、 改造效果 下面就新舊兩種電氣傳動系統的技術性能做以詳細比較。 6.1調速范圍 鋼軌刨床交磁擴大機控制的直流發電機組拖動方式（JF—F—D）采用電壓負反饋、電流正反饋，其調速范圍D=20。高速16位微處理器控制的晶閘管可逆直流調速拖動方式（KZ—D）采用光電編碼器做轉速負反饋，其調速范圍D=100。 6.2穩態精度 JF—F—D系統的穩態精度只能達到1%，而KZ—D系統的穩態精度卻能達到0.01%（光電編碼器反饋）。 6.3運行可靠性 JF—F—D系統由于調整電阻多，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系統的直流發電機、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系統采用可編程序控制器（PLC）后，由于整個控制系統是適用于惡劣工業環境的工業計算機來完成所有控制算法，所以整個電控系統比JF—F—D系統大為簡化，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字晶閘管整流裝置?？刂齐娐返暮喕?、大電流接點的減少，必將進一步提高鋼軌刨床電氣傳動系統的運行可靠性。 6.4可維修性 JF—F—D系統可調電阻多，控制電機多，需調整的部位多，調試難度大，維修不易。高速微處理器控制的KZ—D系統采用全數字裝置，充分發揮了計算機軟件靈活的優勢，具有完善的數字控制和保護功能；數字控制調整點少，調試參數自整定，發生故障后有準確的故障信息顯示，縮短了維修時間。 6.5效率及設備體積 JF—F—D系統交流異步電動機拖動的直流發電機組效率僅能達到93%左右；其電氣傳動系統除了電氣控制柜以<