王西成，戢 亮，祝德勇，張 宏

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

隨著信息技術(shù)和電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，新的工控產(chǎn)品功能越來越強(qiáng)，穩(wěn)定性越來越好，部分老舊設(shè)備因種種原因存在眾多對生產(chǎn)和產(chǎn)品不利的因素和缺陷。例如某些老舊1850 mm鋁材冷軋機(jī)的主電機(jī)、開卷、卷取直流電機(jī)驅(qū)動是ABB公司上世紀(jì)80年代的PAD控制系統(tǒng)，電樞部分是SPZAD 06系列功率單元，勵磁單元是外置式ASD6401模塊[1]，且設(shè)備投產(chǎn)時間久遠(yuǎn)，早已超過產(chǎn)品生命周期，加上備件獲取困難，技術(shù)支持也極其有限，僅靠有限的修復(fù)件維持運(yùn)行。元器件老化導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制精度及響應(yīng)速度等方面性能變差，特別是電機(jī)在弱磁段運(yùn)行時勵磁電流不能及時跟隨電樞電壓的變化進(jìn)行準(zhǔn)確地調(diào)整，時常導(dǎo)致電樞過壓故障。傳動故障不僅影響生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，降低效率，增加生產(chǎn)成本，對全油軋制的高速軋機(jī)來說還存在很大的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。為了確保設(shè)備及生產(chǎn)的正常、安全運(yùn)行，必須尋求一種合適的傳動升級方案來徹底解決該問題。

鑒于此，本文以上述1850 mm冷軋機(jī)為例，結(jié)合西門子6RA80傳動裝置特點(diǎn)，提出了用6RA80直流傳動的電樞回路替代原勵磁單元為直流電機(jī)提供可變勵磁電流的方案，以期為該類軋機(jī)的改造升級探索出一條有效的解決途徑。

1 改造思路及6RA80特點(diǎn)

PAD直流傳動裝置與上一級PLC之間的信號交換用的是通訊方式，但該軋機(jī)控制系統(tǒng)（I14）的PLC通訊協(xié)議較為特殊，無法實(shí)現(xiàn)與當(dāng)前主流傳動裝置的通訊，在不改造整個電控系統(tǒng)的情況下很難實(shí)現(xiàn)傳動裝置的整體改造。而勵磁單元ASD與電樞回路間的信號交換都是用電壓電流信號，相對獨(dú)立，具備單獨(dú)改造條件[2]。新的勵磁單元要實(shí)現(xiàn)原勵磁單元的功能必須具備以下條件：（1）能實(shí)現(xiàn)與電樞控制單元及上級系統(tǒng)控制有關(guān)的全部信號的匹配和交換；（2）具有電流閉環(huán)控制、電樞反電勢計(jì)算功能。

6RA80傳動裝置是西門子生產(chǎn)的新一代直流調(diào)速器，與上一代產(chǎn)品相比在功能、質(zhì)量以及可靠性方面都有很大提高。它把SIMOREG DC-MASTER的優(yōu)勢與SINAMICS系列的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在了一起，具有功能齊全、信號連接方便、輔助供電靈活、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域和工廠設(shè)備改造中有著廣泛應(yīng)用[3]。其電樞回路采用的是一個（2象限）或兩個（4象限）三相全控橋式整流電路將三相交流電轉(zhuǎn)換成可控的直流電源[4]，系統(tǒng)控制模塊帶有電流閉環(huán)控制和反電勢計(jì)算功能，并具有很高的運(yùn)算速度，符合直流電機(jī)勵磁單元的要求。

根據(jù)對6RA80裝置和勵磁單元ASD的對比分析，只需將軋機(jī)傳動電機(jī)的勵磁繞組接到6RA80裝置的電樞輸出回路上，通過硬接線實(shí)現(xiàn)與電樞控制單元之間信號的匹配和交換以及與系統(tǒng)控制有關(guān)的聯(lián)鎖功能；然后再通過修改內(nèi)部控制參數(shù)及算法實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制和自動弱磁功能，輔以合適的控制電路，即可實(shí)現(xiàn)用6RA80裝置電樞整流回路替代勵磁單元為直流電機(jī)提供可變勵磁電流的功能。所以，確定采用6RA80傳動裝置作為勵磁電流發(fā)生器替代原ASD勵磁單元，以解決設(shè)備老化、故障率高及備件保供等問題。

2 硬件設(shè)計(jì)

不可逆軋機(jī)直流傳動電機(jī)運(yùn)行時不需要改變勵磁電流方向，所以從實(shí)用和經(jīng)濟(jì)角度考慮選用了2象限不可逆的直流傳動裝置，型號為6RA8025-6DS22-0AA0，電樞電流60 A。為了減小整流對電網(wǎng)的諧波干擾，在進(jìn)線側(cè)加進(jìn)線電抗器；為了防止勵磁繞組產(chǎn)生過電壓，在直流側(cè)加雙向瞬變抑制二極管。電氣控制原理圖如圖1所示。

圖1 勵磁單元改造原理圖

3 控制功能的實(shí)現(xiàn)

裝置安裝完畢后進(jìn)行送電前的檢查，使用西門子傳動軟件STARTER來完成調(diào)試。首先使用STARTER建立項(xiàng)目，配置驅(qū)動設(shè)備（注意：配置時STARTER必須處于離線模式），選擇設(shè)備型號為6RA8025-6DS22-0AA0。

3.1 主要參數(shù)設(shè)置

以開卷電機(jī)為例，其主要參數(shù)設(shè)置如下：（1）p50076[0]=58（裝置電樞電流60 A，開卷勵磁電流34.8 A）；（2）p50082[0]=23（設(shè)置為外部勵磁單元，封鎖裝置本身的勵磁輸出）；（3）p50084[0]=2（電流/轉(zhuǎn)矩控制）；（4）p50100[0]=34.8（將開卷勵磁電流34.8A設(shè)置為裝置的額定電樞電流）；（5）p50102[0]=34.8（開卷勵磁電流34.8A，用于弱磁計(jì)算）；（6）p50103[0]=2.5（開卷勵磁電流最小電流，弱磁計(jì)算極限保護(hù)）；（7）p50616[0]=52107（將PAD電樞裝置發(fā)送的EMF值作為EMF控制實(shí)際值）。

本次改造是利用6RA80裝置的電樞回路作為直流電機(jī)勵磁的電流源，不需要裝置本身的勵磁輸出，所以設(shè)置p50082=23來封鎖裝置的勵磁輸出。因PAD電樞單元與6RA80的生產(chǎn)年代及廠家不同，信號定義存在差異，為便于計(jì)算需要將接收的電樞電壓、電流和EMF以及輸出的電流實(shí)際值信號進(jìn)行規(guī)格化（以EMF值為例，如圖2所示）。

圖2 電樞EMF在6RA80中的規(guī)格化

3.2 電流閉環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)

電流的閉環(huán)控制使用的是6RA80傳動裝置電樞控制回路的標(biāo)準(zhǔn)控制邏輯[5]，如圖3所示。為了后續(xù)的計(jì)算精準(zhǔn)，要對電樞電流調(diào)節(jié)的PI參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化?？刂齐姍C(jī)速度在弱磁點(diǎn)（開卷機(jī)速度在30.4%）之下，在反電勢調(diào)節(jié)還沒起作用、電樞電流輸出為恒值時，開啟STARTER軟件中Device trace的測量功能記錄電樞電流的變化情況，不斷調(diào)節(jié)電樞電流控制的PI參數(shù)，觀察電樞電流輸出情況直至輸出穩(wěn)定；為減少擾動對電流控制的影響，設(shè)置p50153=3激活電樞前饋功能。

圖3 電流閉環(huán)控制功能圖

3.3 弱磁控制功能的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式n=Ea/CeΦ=（U-IaRa）/CeΦ（其中Ea為電機(jī)電動勢，U為電樞電壓，Ia為電樞電流，Ra為電樞電阻，Ce為常量，Φ為磁通）可知：當(dāng)電機(jī)電樞電壓達(dá)到額定值時再想繼續(xù)提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，只有降低電機(jī)勵磁電流，減少勵磁磁通量[6]。6RA80 裝置勵磁控制模塊中的磁場電路閉環(huán)控制（EMF閉環(huán)控制）具有反電勢計(jì)算及閉環(huán)控制功能，可以實(shí)現(xiàn)弱磁控制功能[5]，如圖4所示。

圖4 EMF閉環(huán)控制功能圖

弱磁是為了實(shí)現(xiàn)在電機(jī)的電動勢恒定的前提下持續(xù)提升電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，為了讓反電勢調(diào)節(jié)器對電動勢進(jìn)行閉環(huán)控制，需要得到實(shí)際的電動勢值，但電機(jī)的電動勢不能直接測量，只能通過計(jì)算得到。從電動勢方程Ea=U-IaRa可知，電機(jī)電動勢等于電樞電壓減去線路壓降的值，為了計(jì)算實(shí)際的電動勢反饋，我們需要得到電機(jī)的電樞電壓、電樞電流和電樞電阻三個參數(shù)。電機(jī)的電樞電阻在PAD裝置優(yōu)化時已獲得，所以需將PAD電樞裝置中檢測的電樞電壓和電流通過模擬量實(shí)時傳送到6RA80裝置來完成電機(jī)電動勢的計(jì)算。

3.4 勵磁特性曲線確定和PI參數(shù)優(yōu)化

為了提高弱磁時的勵磁電流響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性，需要確定電機(jī)的勵磁特性曲線，并對電樞電流控制和EMF閉環(huán)控制的PI調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。由于該裝置未使用本身的勵磁電流輸出所以無法進(jìn)行勵磁自優(yōu)化，只有通過手動方式計(jì)算勵磁特性曲線和優(yōu)化PI參數(shù)。

從電機(jī)弱磁點(diǎn)開始，逐步提高電機(jī)速度給定到電機(jī)速度的100%，過程中記錄不同磁通量時對應(yīng)的勵磁電流值（每個點(diǎn)至少記錄3次，求其平均值），將其轉(zhuǎn)換成百分?jǐn)?shù)并對應(yīng)填寫到p50120-p50139中，從而得到電機(jī)的勵磁特性曲線[3]。

確定勵磁特性曲線之后，設(shè)定電機(jī)運(yùn)行速度在弱磁點(diǎn)之上，每次給1%速度階躍（增加或減少），觀察電機(jī)勵磁電流和電機(jī)電樞電壓變化情況，手動調(diào)節(jié)裝置EMF控制器的PI參數(shù)，也可根據(jù)需要微量調(diào)整電樞電流控制的PI參數(shù)，觀察弱磁時段的裝置電樞電流輸出曲線直至電流輸出最優(yōu)化。手動優(yōu)化調(diào)整后弱磁階段電流輸出平穩(wěn)，見圖5。

圖5 EMF閉環(huán)控制弱磁時曲線記錄

4 改造效果

勵磁電流在反電勢計(jì)算和電樞電流控制雙閉環(huán)控制下，其調(diào)節(jié)精度和跟隨性都得到了很大的提高，實(shí)現(xiàn)了勵磁電流的快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)。在進(jìn)入弱磁點(diǎn)和弱磁階段時電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化平滑，未見明顯的振蕩或跟隨滯后問題發(fā)生。兩年的穩(wěn)定運(yùn)行也證明了用6RA80替代原勵磁單元的方案可行。

與改造前相比，新裝置穩(wěn)定性更好，控制精度更高，保護(hù)功能更完善，參數(shù)設(shè)置更方便。同時還較好地解決了因故障頻發(fā)帶來的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，延長了設(shè)備使用壽命，為工廠創(chuàng)造了很高的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語

此次勵磁改造是一次大膽嘗試，突破了一套傳動系統(tǒng)只能使用一家產(chǎn)品的觀念限制。通過分析ABB、SIEMENS兩個裝置作為直流電源的特點(diǎn)，從原理入手找出兩個產(chǎn)品的共同點(diǎn)，結(jié)合舊系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸方式，避開了老設(shè)備通訊協(xié)議不開放問題，實(shí)現(xiàn)了用6RA80直流傳動的電樞回路替代原ABB勵磁單元為直流電機(jī)提供可變勵磁電流的功能，較好地解決了原勵磁傳動故障多發(fā)問題。

隨著信息技術(shù)和電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，新的工控產(chǎn)品功能越來越強(qiáng)，穩(wěn)定性越來越好，老設(shè)備的升級改造已成為必然。由于廠家、設(shè)備以及開發(fā)人員的原因，老設(shè)備通訊協(xié)議的獨(dú)立性和保密性導(dǎo)致在新舊設(shè)備的銜接上所遇到的問題會很多。只有創(chuàng)新思路，大膽嘗試，從基本原理入手，找出不同產(chǎn)品的共同點(diǎn)作為升級改造的突破點(diǎn)，突破廠家與品牌限制才能更好地解決老設(shè)備升級改造問題。