胡 琳
(中鋁洛陽銅業(yè)公司,河南洛陽471000)
中鋁洛陽銅業(yè)公司有2臺雙面銑機列,一臺為上世紀(jì)80年代中期從Black-Clawson公司引進(jìn),另一臺為2009年自日本Ikuta公司引進(jìn)。兩臺設(shè)備功能相同,均為將熱軋機開胚的銅板卷表面的氧化層及雜質(zhì)通過銑削方式去除,但因分屬不同年代的產(chǎn)品,雖然機列的機械構(gòu)造基本相同,但電氣方面采用的技術(shù)卻有很大不同,體現(xiàn)出了鮮明的時代特征,展現(xiàn)了在20~30年間,電氣技術(shù)飛速發(fā)展的成果。而且,因采用的技術(shù)不同,Ikuta雙面銑銑削后的產(chǎn)品表面品質(zhì)也更為優(yōu)異?,F(xiàn)僅就兩臺雙面銑電氣系統(tǒng)方面的差異進(jìn)行比較,從中可看出20年來電氣技術(shù)方面的一些發(fā)展歷程。
兩臺機列電氣系統(tǒng)方面的不同有很多,大致可分為傳動、現(xiàn)場總線、伺服驅(qū)動、人機交互等4個方面。
Black-Clawson雙面銑機列的傳動部分,全部為直流傳動,大致分為開卷機、矯直機、卷取機等主體部分。包括有矯直電機(60 kW),銑刀喂入輥電機(60 kW),上卷取電機(30 kW)。上述直流電機分別由其直流控制器控制。
Ikuta雙面銑機列的傳動部分,全部為交流變頻傳動,包括有矯直電機(55 kW),1#、2#、3#給料輥電機(22 kW,30 kW,37 kW),導(dǎo)向輥電機(2.2 kW),彎曲輥電機(30 kW),卷曲電機(30 kW)。上述矢量電機分別由其變頻器控制。
從上比較可知,兩臺銑面機所采用的傳動功率基本相同,但所采用的技術(shù)完全不同。
在電力拖動中,在過去很長一段時間里,變速拖動的電動機都是直流電動機,不變速拖動的電動機,都是交流電動機。
(1)有電刷和換向器,需經(jīng)常檢查和維護(hù)。
(2)有換向火花,難以用在易燃易爆場合。
(3)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
交流電機能克服上述缺點,但不容易調(diào)速。近年來,隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展,變頻技術(shù)獲得了很大發(fā)展。變頻器將輸入幅值、頻率固定的交流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都可調(diào)的交流電源,從而實現(xiàn)了對異步電動機的轉(zhuǎn)速控制。隨著變頻技術(shù)的不斷成熟,其調(diào)速性能與可靠性也不斷完善,價格不斷降低,特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯,而且易于實現(xiàn)過程自動化,深受工業(yè)行業(yè)的青睞。
(1)調(diào)速時平滑性好。
(2)調(diào)速范圍大,精度好。
(3)變頻器體積小,便于安裝、調(diào)試。
(4)節(jié)能。
1)變頻調(diào)速系統(tǒng)自身損耗小,工作效率高。
2)電機總是保持在低轉(zhuǎn)差率運行的狀態(tài),減小了轉(zhuǎn)子損耗。
3)可實現(xiàn)軟啟動、制動功能,啟動電流低,對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊。
雖然變頻調(diào)速有許多優(yōu)點,但也有其不利因素,主要問題是電流中含高次諧波較多,除對電網(wǎng)有污染外,也使電機自身增加損耗,引起自身發(fā)熱。再有,變頻器價格貴,投資回收周期長,技術(shù)復(fù)雜。但交流變頻調(diào)速是異步電機最有發(fā)展前途的調(diào)速方法。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,性能可靠,價格便宜的變頻器會不斷出現(xiàn),這一技術(shù)將得到更廣泛、普遍的應(yīng)用。
Ikuta雙面銑選用了AB的PowerFlex700s系列變頻器,該變頻器是有速度傳感器的矢量控制方式變頻器。70年代西門子工程師F.Blaschke首先提出異步電機矢量控制理論來解決交流電機轉(zhuǎn)矩控制問題。
矢量控制實現(xiàn)的基本原理,是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量,根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制,從而達(dá)到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量,分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制,并同時控制兩分量間的幅值和相位,即控制定子電流矢量,所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。
矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。這樣就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制,因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。矢量控制算法已被廣泛地應(yīng)用在siemens,AB,GE,F(xiàn)uji等國際化大公司的變頻器上。
在Ikuta雙面銑投入使用的一年中,變頻器及電機都非常穩(wěn)定,除極端情況下出現(xiàn)過的電機過載后自動停車保護(hù)之外,未出現(xiàn)任何異常情況,再一次證明了變頻技術(shù)的優(yōu)越性。
Black-Clawson雙面銑的PLC采用的是Siemens S5-135U CPU,本地機架帶一擴展機架,無遠(yuǎn)程模塊。
Ikuta雙面銑的PLC采用的是Rockwell的RSlogix 5563 CPU,以ControlLogix控制平臺為基礎(chǔ),全面實現(xiàn)了Ether-Net/IP,ControlNet,DeviceNet三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。簡圖如圖1所示。
圖1 三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡圖
通過工業(yè)以太網(wǎng),接入兩臺觸摸屏Gp3000,工程師站,及二級管理站。兩臺觸摸屏用來進(jìn)行設(shè)備運行的狀態(tài)參數(shù)顯示,報警、故障顯示,以及操作人員的操作參數(shù)輸入。以位于現(xiàn)場的二級管理站為基礎(chǔ),三級管理(廠級)的各種指令可直接下達(dá)至現(xiàn)場,現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)、參數(shù)、生產(chǎn)情況又可直接上傳至三級,實現(xiàn)了生產(chǎn)流程與管理的透明化,自動化。
通過控制網(wǎng)ControlNet,接入所有的遠(yuǎn)程I/O模塊及變頻器。
通過DeviceNet,接入測厚儀、稱重儀。
Black-Clawson雙面銑的控制系統(tǒng),可稱之為集中式數(shù)字控制系統(tǒng)。集中式數(shù)字控制系統(tǒng)于20世紀(jì)70~80年代占主導(dǎo)地位,采用PLC、計算機作為控制器,控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號,克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中,模擬信號精度低的缺點,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。優(yōu)點是易于根據(jù)全局情況進(jìn)行控制和判斷,在控制方式、控制時機的選擇上可以統(tǒng)一的調(diào)度和安排。缺點是,對控制器本身的要求很高,必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性,當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)增加時,控制器的效率和可靠性急劇下降,
Ikuta雙面銑的控制系統(tǒng),全面應(yīng)用了現(xiàn)場總線技術(shù)?,F(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn),標(biāo)志著工業(yè)控制領(lǐng)域一個新時代的開始?,F(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò),基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System,F(xiàn)CS)。FCS用現(xiàn)場總線這一開放的、具有可互操作性的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場各控制器以及儀表設(shè)備互聯(lián),構(gòu)成FCS,同時,將控制功能徹底下放到現(xiàn)場,降低了安裝成本和維護(hù)費用。
(1)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。在FCS中,各現(xiàn)場設(shè)備單元之間通過現(xiàn)場總線相連,彼此可以相互通信聯(lián)絡(luò)。
(2)一對N的結(jié)構(gòu)。一對傳輸線(現(xiàn)場總線),可以掛接N臺現(xiàn)場設(shè)備,雙向傳輸多個數(shù)字信號,結(jié)構(gòu)布線簡單,安裝費用低,維護(hù)方便。
(3)徹底的分散控制功能模塊。由于采用了具有綜合功能的智能儀表,現(xiàn)場總線將控制功能由傳統(tǒng)的控制站下放到現(xiàn)場儀表設(shè)備中,做到了徹底分散控制功能,提高了系統(tǒng)的靈活性。
(4)完全開放式系統(tǒng)?,F(xiàn)場總線的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)是公開的,不同廠家的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可以集成在同一FCS中,只要他們遵守相同的通信協(xié)議,就可以實現(xiàn)各層網(wǎng)絡(luò)之間的信息交流。
(5)更高的可靠性?,F(xiàn)場總線采用全數(shù)字化處理和數(shù)字通信技術(shù),大大提高了現(xiàn)場裝置的信號測控精度,以及信號傳輸?shù)目垢蓴_能力,從而可提高系統(tǒng)測控的可靠性和穩(wěn)定性。
現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢,主要體現(xiàn)在以下方面:
(1)多種總線共存。
(2)工業(yè)Ethernet逐漸成新的熱點。
(3)從管理層到設(shè)備層信息的無縫集成。
現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展,使從現(xiàn)場設(shè)備層到工廠管理層信息的縱向集成變?yōu)榭赡?,為企業(yè)帶來整體效益。
Ikuta雙面銑的控制系統(tǒng),全面體現(xiàn)了現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展趨勢,代表了現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展方向,經(jīng)過一年多的運行,系統(tǒng)非常穩(wěn)定。
銑面機的精度由銑刀部分決定。Black-Clawson雙面銑的邊銑功能因為種種原因,早已廢棄不用,面銑機的壓下量即吃刀量,已無從看出,僅能通過銑刀電流反饋值,由富有經(jīng)驗的操作工人工判斷出實際壓下量,精度根本無從保證。
Ikuta雙面銑的銑刀進(jìn)給量,全部由伺服電機控制,即由Kinetix 6000伺服驅(qū)動模塊來進(jìn)行控制。進(jìn)給量在觸摸屏上由操作人員手工設(shè)定即可。實際進(jìn)給量由系統(tǒng)反饋值直接顯示在觸摸屏上,極大方便了操作人員的操作,也保證了銑削的精度。Kinetix 6000伺服驅(qū)動模塊的使用也非常簡單,現(xiàn)將Kinetix簡述如下:
ControlLogix控制器的功能,不限于單純的時序邏輯控制,而且是一種綜合型的控制器,其運動控制功能實現(xiàn)了對運動軸各物理量進(jìn)行控制的目的。ControlLogix控制器建立了一套運動控制指令,如MAM(Motion Axis Move),MAS(Motion Axis Stop),MAFR(Motion Axis Fault Reset)等等,在梯形圖中直接用運動控制指令編制運動過程,運控指令的執(zhí)行將運控要求送到伺服控制模塊,再由伺服控制模塊實施運動控制,從而使得運動控制是可變的,程控的,并和整個控制系統(tǒng)配合緊密。
近10年來以工業(yè)局域網(wǎng)為基礎(chǔ)的工廠自動化工程技術(shù)得到了很大發(fā)展,為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢,最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口和專用的局域網(wǎng)接口。羅克韋爾自動化公司的集成運動控制,是使用SERCOS總線實現(xiàn)的。SERCOS接口,是數(shù)字控制器與驅(qū)動器間的串行實時總線式通信接口。SERCOS總線用于將控制器和伺服驅(qū)動器連接起來,可以用來控制伺服系統(tǒng),完成定位,速度及轉(zhuǎn)距的控制等諸多功能,是為實現(xiàn)多軸系統(tǒng)運動控制任務(wù)而設(shè)計的。
Kinetix 6000伺服驅(qū)動器通過SERCOS接口與Logix平臺集成在一起,由電源卡軌,集成軸模塊,軸模塊三個基本組件構(gòu)成的Kinetix 6000,其尺寸小,接線簡單,易于使用??刂破骱唸D如圖2。
圖2 控制器簡圖
Black-Clawson雙面銑的操作臺上有電流表、電壓表及數(shù)個故障警示燈,操作人員據(jù)此來掌握設(shè)備運行情況。
Ikuta雙面銑的操作臺上有2臺觸摸屏,設(shè)計了19幅畫面,畫面詳盡囊括了幾乎設(shè)備的所有操作相關(guān)參數(shù)的查詢、設(shè)定,設(shè)備運行狀態(tài)顯示,故障報警等,并以友好的畫面形式展現(xiàn)出來,操作工可據(jù)此輕松掌握設(shè)備狀況,進(jìn)行操作。在Black-Clawson雙面銑上操作工需要漫長的時間來熟悉設(shè)備性能,掌握操作技巧,而在Ikuta雙面銑上僅需月余時間,操作工即可熟練獨立操作。
另外,共計200余條的報警信息,也考慮到了幾乎所有可能出現(xiàn)的電氣故障,一旦報警信息出現(xiàn),操作工即可馬上知道故障所在,并通知具體相關(guān)維護(hù)人員來處理,縮短了停機判斷、查找故障原因的時間,提高了設(shè)備產(chǎn)能,減少了維護(hù)人員的工作量。
從上述簡單的比較可看出,電氣技術(shù)在過去20余年間的一些發(fā)展歷程。在短短的20余年中,迅猛發(fā)展的技術(shù),正以驚人的速度應(yīng)用于實際中,改變著生活的面貌。
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