1、 引言 我公司道岔車間現(xiàn)有的兩臺(tái)鋼軌刨床電氣傳動(dòng)采用的是我國(guó)上世紀(jì)六十年代流行的交磁擴(kuò)大機(jī)控制的F－D(直流發(fā)電機(jī)－直流電動(dòng)機(jī))傳動(dòng)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(fèi)嚴(yán)重、噪音大，加之元件嚴(yán)重老化，系統(tǒng)故障頻繁，因此對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造勢(shì)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(shí)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(dòng)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(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，從而使整個(gè)電控系統(tǒng)裝置不但體積小，而且運(yùn)行可靠性大為提高，且系統(tǒng)效率比直流發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)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(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，其主機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)主要是由一臺(tái)110KW的直流發(fā)電機(jī)組和兩臺(tái)通過機(jī)械同軸剛性連接的60KW直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)成，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速通過交磁擴(kuò)大機(jī)的控制繞組進(jìn)行信號(hào)的放大與轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)組的輸出電壓，通過改變直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電壓來實(shí)現(xiàn)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。由于上世紀(jì)六十年代流行的交磁擴(kuò)大機(jī)控制的直流發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)方案存在電能→機(jī)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(dòng)系統(tǒng)，且有機(jī)組占地面積大、噪音大等缺點(diǎn)。 　　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(dòng)機(jī)的電樞和勵(lì)磁控制，適用于直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)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(jī)）完成，控制軟件包的結(jié)構(gòu)以及單片機(jī)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(gè)可控硅橋的轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)完成，以保證電流環(huán)的采樣時(shí)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(shí)間內(nèi)完成，以獲得優(yōu)越的性能。 鑒于以上原因，我們?cè)?005年8月先對(duì)其中的一臺(tái)12米鋼軌刨床進(jìn)行了改造，新改的電氣傳動(dòng)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(fù)責(zé)完成全數(shù)字直流調(diào)速裝置外圍的給定信號(hào)處理、機(jī)床按鈕站信號(hào)、各種限位信號(hào)和系統(tǒng)故障信號(hào)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(guó)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(jī)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(dòng)態(tài)控制性能；自整定算法可自動(dòng)計(jì)算出電流環(huán)的P、I常數(shù)及電流斷續(xù)點(diǎn)，使系統(tǒng)獲得最佳動(dòng)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(shí)，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(fù)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(kuò)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(jī)學(xué)我們知道：改變施加在直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端的供電電壓可以改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在這套系統(tǒng)中通過內(nèi)部或外部電位計(jì)給定0～10V的電壓信號(hào)到PLC中，在由PLC進(jìn)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(jī)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(dòng)態(tài)性，采用了雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)通過與直流電動(dòng)機(jī)同軸安裝的測(cè)速編碼器反饋回電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)-Un和給定的電壓信號(hào)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(hào)-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(jī)兩端的電壓。這種控制方式使電機(jī)轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Un`變化，對(duì)負(fù)載變化起抗干擾的作用，而且對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)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(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護(hù)作用。 4、 功能實(shí)現(xiàn) 以下是選用的電機(jī)、直流調(diào)速器和編碼器及其選項(xiàng)板的參數(shù)。直流電動(dòng)機(jī)：型號(hào) ZSD-32.7/19 ，數(shù)量 2臺(tái),額定功率 59KW ,電樞電流 298A,額定轉(zhuǎn)速 1000r/mim ,勵(lì)磁電壓 220V,電樞電壓 220V ，勵(lì)磁電流 10A；直流調(diào)速器：型號(hào) SSD590P/500A,Ie＝500A；編碼器選項(xiàng)板：型號(hào)AH387775U024,DC24V；編碼器：1024ppm,DC24V。 如圖1所示，這里A1為零伏基準(zhǔn)，它是調(diào)速器中所使用的所有模擬信號(hào)的通用基準(zhǔn)點(diǎn)；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(jì)指示； B3為+10V基準(zhǔn)電源；B4為－10V基準(zhǔn)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(shí)，調(diào)速器將按照輸入信號(hào)的要求運(yùn)行，當(dāng)程序停車輸入為開路或零伏時(shí)，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(shí)，控制器正常運(yùn)行，當(dāng)慣性停止為零伏或開路時(shí)，主接觸器打開，同時(shí)調(diào)速器不再運(yùn)行，電機(jī)滑行停止；C1 為零伏基準(zhǔn)；C2 為電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)；C3 為啟動(dòng)/運(yùn)行；C4 為點(diǎn)動(dòng)；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(fù)接線端；F+，F(xiàn)-為外部勵(lì)磁電源；L 為輔助電源L；N 為輔助電源N；TH1、TH2 為電機(jī)溫度檢測(cè)端子，本案例中沒有使用電機(jī)溫度檢測(cè)，用短接線將TH1、TH2端子短接。B6是驅(qū)動(dòng)器正常數(shù)字輸出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器接收到信號(hào)時(shí)，經(jīng)過自檢大約2秒之后便輸出正常的信息，PLC通過這個(gè)信號(hào)的狀態(tài)可以實(shí)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(tái)的正向、反向、低速進(jìn)刀、低速退刀和左右刀架的進(jìn)刀、退刀以及橫梁的升降等控制，通過CPM2A型PLC來實(shí)現(xiàn)邏輯控制，工作臺(tái)的正向、反向調(diào)速電位器安裝在懸掛按鈕站上，以便于機(jī)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(jì)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(xiàng)板的安裝時(shí)一定要按照說明書的要求對(duì)E1-E6的編碼器信號(hào)線進(jìn)行正確接線，編碼器選項(xiàng)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(xiàng)板安裝手冊(cè)）。系統(tǒng)上電后，首先調(diào)節(jié)編碼器選項(xiàng)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(dòng)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(fù)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(bào)警立即釋放）；解除端子C3上的“啟動(dòng)/運(yùn)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(jìn)行此項(xiàng)檢查時(shí)，接觸器的通電時(shí)間延長(zhǎng)，則控制器將檢測(cè)是否連接了三相電源，并關(guān)閉接觸器，同時(shí)發(fā)出三相電源報(bào)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(dòng)“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(lì)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(dá)到20%的最大值，若所有的連接都正確的話，電機(jī)應(yīng)該開始運(yùn)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(jī)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(diǎn)1.0V的電壓，電機(jī)將加速到這個(gè)速度，觀察個(gè)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(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)性能做以詳細(xì)比較。 6.1調(diào)速范圍 鋼軌刨床交磁擴(kuò)大機(jī)控制的直流發(fā)電機(jī)組拖動(dòng)方式（JF—F—D）采用電壓負(fù)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(dòng)方式（KZ—D）采用光電編碼器做轉(zhuǎn)速負(fù)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(dá)到1%，而KZ—D系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度卻能達(dá)到0.01%（光電編碼器反饋）。 6.3運(yùn)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(diǎn)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(jī)、交磁擴(kuò)大機(jī)、勵(lì)磁機(jī)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(gè)控制系統(tǒng)是適用于惡劣工業(yè)環(huán)境的工業(yè)計(jì)算機(jī)來完成所有控制算法，所以整個(gè)電控系統(tǒng)比JF—F—D系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，原控制電路中的繼電器邏輯控制硬觸點(diǎn)代之以PLC的軟觸點(diǎn)，原主電路中的直流發(fā)電機(jī)組、交磁擴(kuò)大機(jī)、勵(lì)磁機(jī)、啟動(dòng)電阻等代之以電路簡(jiǎn)練的全數(shù)字晶閘管整流裝置?？刂齐娐返暮?jiǎn)化、大電流接點(diǎn)的減少，必將進(jìn)一步提高鋼軌刨床電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)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(jì)算機(jī)軟件靈活的優(yōu)勢(shì)，具有完善的數(shù)字控制和保護(hù)功能；數(shù)字控制調(diào)整點(diǎn)少，調(diào)試參數(shù)自整定，發(fā)生故障后有準(zhǔn)確的故障信息顯示，縮短了維修時(shí)間。 6.5效率及設(shè)備體積 JF—F—D系統(tǒng)交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的直流發(fā)電機(jī)組效率僅能達(dá)到93%左右；其電氣傳動(dòng)系統(tǒng)除了電氣控制柜以<