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(tái)雙面銑機(jī)列，一臺(tái)為上世紀(jì)80年代中期從Black-Clawson公司引進(jìn)，另一臺(tái)為2009年自日本Ikuta公司引進(jìn)。兩臺(tái)設(shè)備功能相同，均為將熱軋機(jī)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(jī)列的機(jī)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(shí)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(tái)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(tái)機(jī)列電氣系統(tǒng)方面的不同有很多，大致可分為傳動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)總線、伺服驅(qū)動(dòng)、人機(jī)交互等4個(gè)方面。

1 機(jī)列傳動(dòng)

Black-Clawson雙面銑機(jī)列的傳動(dòng)部分，全部為直流傳動(dòng)，大致分為開卷機(jī)、矯直機(jī)、卷取機(jī)等主體部分。包括有矯直電機(jī)（60 kW），銑刀喂入輥電機(jī)（60 kW），上卷取電機(jī)（30 kW）。上述直流電機(jī)分別由其直流控制器控制。

Ikuta雙面銑機(jī)列的傳動(dòng)部分，全部為交流變頻傳動(dòng)，包括有矯直電機(jī)（55 kW），1#、2#、3#給料輥電機(jī)（22 kW，30 kW，37 kW），導(dǎo)向輥電機(jī)（2.2 kW），彎曲輥電機(jī)（30 kW），卷曲電機(jī)（30 kW）。上述矢量電機(jī)分別由其變頻器控制。

從上比較可知，兩臺(tái)銑面機(jī)所采用的傳動(dòng)功率基本相同，但所采用的技術(shù)完全不同。

在電力拖動(dòng)中，在過去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，變速拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)都是直流電動(dòng)機(jī)，不變速拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，都是交流電動(dòng)機(jī)。

1.1 直流電動(dòng)機(jī)固有的缺點(diǎn)

（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(chǎng)合。

（3）結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

交流電機(jī)能克服上述缺點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)了對(duì)異步電動(dòng)機(jī)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(jià)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(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞。

1.2 交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性

（1）調(diào)速時(shí)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(jī)總是保持在低轉(zhuǎn)差率運(yùn)行的狀態(tài)，減小了轉(zhuǎn)子損耗。

3）可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、制動(dòng)功能，啟動(dòng)電流低，對(duì)系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊。

雖然變頻調(diào)速有許多優(yōu)點(diǎn)，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(duì)電網(wǎng)有污染外，也使電機(jī)自身增加損耗，引起自身發(fā)熱。再有，變頻器價(jià)格貴，投資回收周期長(zhǎng)，技術(shù)復(fù)雜。但交流變頻調(diào)速是異步電機(jī)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(jià)格便宜的變頻器會(huì)不斷出現(xiàn)，這一技術(shù)將得到更廣泛、普遍的應(yīng)用。

1.3 矢量控制方式變頻器

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(jī)矢量控制理論來解決交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問題。

矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理，是通過測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量，分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量（勵(lì)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(shí)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(tái)三相異步電機(jī)等效為直流電機(jī)來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)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(guó)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(jī)都非常穩(wěn)定，除極端情況下出現(xiàn)過的電機(jī)過載后自動(dòng)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。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線

Black-Clawson雙面銑的PLC采用的是Siemens S5-135U CPU，本地機(jī)架帶一擴(kuò)展機(jī)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(tái)為基礎(chǔ)，全面實(shí)現(xiàn)了Ether-Net/IP，ControlNet，DeviceNet三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)圖

通過工業(yè)以太網(wǎng)，接入兩臺(tái)觸摸屏Gp3000，工程師站，及二級(jí)管理站。兩臺(tái)觸摸屏用來進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)參數(shù)顯示，報(bào)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(chǎng)的二級(jí)管理站為基礎(chǔ)，三級(jí)管理（廠級(jí)）的各種指令可直接下達(dá)至現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)、生產(chǎn)情況又可直接上傳至三級(jí)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)流程與管理的透明化，自動(dòng)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(cè)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(jì)算機(jī)作為控制器，控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中，模擬信號(hào)精度低的缺點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。優(yōu)點(diǎn)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(shí)機(jī)的選擇上可以統(tǒng)一的調(diào)度和安排。缺點(diǎn)是，對(duì)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(shí)，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(chǎng)總線技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制領(lǐng)域一個(gè)新時(shí)代的開始?，F(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)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(chǎng)總線的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）。FCS用現(xiàn)場(chǎng)總線這一開放的、具有可互操作性的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)各控制器以及儀表設(shè)備互聯(lián)，構(gòu)成FCS，同時(shí)，將控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，降低了安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)

（1）現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。在FCS中，各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備單元之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線相連，彼此可以相互通信聯(lián)絡(luò)。

（2）一對(duì)N的結(jié)構(gòu)。一對(duì)傳輸線（現(xiàn)場(chǎng)總線），可以掛接N臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，雙向傳輸多個(gè)數(shù)字信號(hào)，結(jié)構(gòu)布線簡(jiǎn)單，安裝費(fèi)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(chǎng)總線將控制功能由傳統(tǒng)的控制站下放到現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)各層網(wǎng)絡(luò)之間的信息交流。

（5）更高的可靠性。現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)裝置的信號(hào)測(cè)控精度，以及信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力，從而可提高系統(tǒng)測(cè)控的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)，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(diǎn)。

（3）從管理層到設(shè)備層信息的無縫集成。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，使從現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，代表了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展方向，經(jīng)過一年多的運(yùn)行，系統(tǒng)非常穩(wěn)定。

3 伺服驅(qū)動(dòng)

銑面機(jī)的精度由銑刀部分決定。Black-Clawson雙面銑的邊銑功能因?yàn)榉N種原因，早已廢棄不用，面銑機(jī)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(yàn)的操作工人工判斷出實(shí)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(jī)控制，即由Kinetix 6000伺服驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)模塊的使用也非常簡(jiǎn)單，現(xiàn)將Kinetix簡(jiǎn)述如下：

ControlLogix控制器的功能，不限于單純的時(shí)序邏輯控制，而且是一種綜合型的控制器，其運(yùn)動(dòng)控制功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)軸各物理量進(jìn)行控制的目的。ControlLogix控制器建立了一套運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制指令編制運(yùn)動(dòng)過程，運(yùn)控指令的執(zhí)行將運(yùn)控要求送到伺服控制模塊，再由伺服控制模塊實(shí)施運(yùn)動(dòng)控制，從而使得運(yùn)動(dòng)控制是可變的，程控的，并和整個(gè)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(dòng)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(shì)，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(dòng)化公司的集成運(yùn)動(dòng)控制，是使用SERCOS總線實(shí)現(xiàn)的。SERCOS接口，是數(shù)字控制器與驅(qū)動(dòng)器間的串行實(shí)時(shí)總線式通信接口。SERCOS總線用于將控制器和伺服驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)多軸系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)而設(shè)計(jì)的。

Kinetix 6000伺服驅(qū)動(dòng)器通過SERCOS接口與Logix平臺(tái)集成在一起，由電源卡軌，集成軸模塊，軸模塊三個(gè)基本組件構(gòu)成的Kinetix 6000，其尺寸小，接線簡(jiǎn)單，易于使用。控制器簡(jiǎn)圖如圖2。

圖2 控制器簡(jiǎn)圖

4 人機(jī)交互功能

Black-Clawson雙面銑的操作臺(tái)上有電流表、電壓表及數(shù)個(gè)故障警示燈，操作人員據(jù)此來掌握設(shè)備運(yùn)行情況。

Ikuta雙面銑的操作臺(tái)上有2臺(tái)觸摸屏，設(shè)計(jì)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(yùn)行狀態(tài)顯示，故障報(bào)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(zhǎng)的時(shí)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(shí)間，操作工即可熟練獨(dú)立操作。

另外，共計(jì)200余條的報(bào)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(bào)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(jī)判斷、查找故障原因的時(shí)間，提高了設(shè)備產(chǎn)能，減少了維護(hù)人員的工作量。

5 結(jié)束語

從上述簡(jiǎn)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(shí)際中，改變著生活的面貌。

[1]鄧 李.ControlLogix系統(tǒng)實(shí)用手冊(cè)[K].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]黃允凱.談?dòng)⒆?深入淺出NetLinx網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]Rockwell Automation.Kinteix 6000多軸伺服驅(qū)動(dòng)器用戶手冊(cè)[K].China：Rockwell Automation Inc，2007.

[4]Rockwell Automation.ControlLogix 用 戶 手 冊(cè)[K].China：Rockwell Automation Inc，2006.