沈玉梅

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧大連 116037）

全數(shù)字直流調(diào)速器在龍門刨床改造中的應(yīng)用

沈玉梅

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧大連 116037）

龍門刨床電氣控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，經(jīng)長時(shí)間的使用后，經(jīng)常發(fā)生故障。為了充分挖掘設(shè)備的潛力，采用全數(shù)字直流調(diào)速器和PLC對(duì)龍門刨床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行全面的技術(shù)改造，對(duì)系統(tǒng)總體方案和主拖動(dòng)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。改造后的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，直觀性好，控制安全可靠，運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速精度高，而且投入的資金較少，節(jié)能效果明顯。

直流調(diào)速器 龍門刨床 技術(shù)改造

龍門刨床作為機(jī)械工業(yè)中的主要工作機(jī)床之一，在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。龍門刨床的電氣控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，目前我國有相當(dāng)一部分企業(yè)使用的A系列龍門刨床，其電氣主拖動(dòng)大多采用的是20世紀(jì)60年代流行的電機(jī)擴(kuò)大機(jī)－發(fā)電機(jī)－電動(dòng)機(jī)（K－G－D）控制系統(tǒng)，電氣控制部分采用有觸點(diǎn)的繼電器邏輯控制線路。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是設(shè)備多、體積大、效率低、運(yùn)行噪聲大、電能浪費(fèi)嚴(yán)重，且經(jīng)過多年的使用后，器件老化嚴(yán)重，故障頻繁發(fā)生，維修量大，設(shè)備停臺(tái)率高，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

隨著各種高性能電力電子器件的出現(xiàn)，電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中，以微處理器為控制核心的全數(shù)字控制系統(tǒng)取代以前的模擬控制系統(tǒng)成為可能，調(diào)速控制的功能幾乎均可通過微處理器借助軟件來實(shí)現(xiàn)。因此采用先進(jìn)、科學(xué)、可靠的微電子數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行技術(shù)改造是很有必要的。

1 龍門刨床改造方案選擇

龍門刨床的技術(shù)改造要根據(jù)設(shè)備的情況和市場(chǎng)現(xiàn)階段所能提供的設(shè)備和電氣元件情況，以投資最少、效益最高為目的。根據(jù)主拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)備狀況，目前主要有兩套方案可供選擇：一是工作臺(tái)主拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)良，且還有相當(dāng)長的使用年限，在這種情況下，建議保留直流電動(dòng)機(jī)，采用全數(shù)字直流調(diào)速裝置替代交磁擴(kuò)大機(jī)－直流發(fā)電機(jī)組進(jìn)行改造。因?yàn)楸Ａ糁绷麟妱?dòng)機(jī)后，其改造費(fèi)用要比采用交流異步電動(dòng)機(jī)和變頻器進(jìn)行改造節(jié)省15%～20%;二是主拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的使用壽命已不會(huì)太長，或沒有太大使用價(jià)值，在這種情況下，建議用交流異步電動(dòng)機(jī)替代主拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，用變頻器替代交磁擴(kuò)大機(jī)－直流發(fā)電機(jī)組進(jìn)行改造。其優(yōu)點(diǎn)是控制電路大大簡化，給電氣維修帶來很大方便，故障停臺(tái)率減少。

本文以A系列龍門刨床為例，介紹用全數(shù)字直流調(diào)速器對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改造的方案設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

龍門刨床主拖動(dòng)系統(tǒng)的刨削過程是工件與刨刀的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此龍門刨床的主運(yùn)動(dòng)是一個(gè)頻繁的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，它不僅要求啟動(dòng)快，制動(dòng)快，還要求工作速度穩(wěn)定，速度調(diào)節(jié)范圍寬。原龍門刨床的工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)是由交流電動(dòng)機(jī)－直流發(fā)電機(jī)組、直流電動(dòng)機(jī)組及交磁擴(kuò)大機(jī)構(gòu)成，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是通過交磁擴(kuò)大機(jī)調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，改變交流電動(dòng)機(jī)－直流發(fā)電機(jī)組的輸出電壓，來實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。

歐陸590全數(shù)字直流調(diào)速器為三相交流電源直接供電的全數(shù)字控制裝置，用于對(duì)直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組和勵(lì)磁繞組供電，是新型直流調(diào)速器中應(yīng)用非常廣泛的產(chǎn)品。裝置本身帶有參數(shù)設(shè)定單元，不需其他附加設(shè)備便可完成參數(shù)的設(shè)定，所有的控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)控及附加功能都由16位微處理器通過軟件來實(shí)現(xiàn)，集控制功能和功率驅(qū)動(dòng)于一體，具有優(yōu)越的動(dòng)態(tài)控制性能。

龍門刨床主拖動(dòng)選用歐陸590系列4象限全數(shù)字直流調(diào)速器替代電機(jī)擴(kuò)大機(jī)－發(fā)電機(jī)機(jī)組構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，以保證工作臺(tái)主拖動(dòng)具有比較寬的調(diào)速范圍和較硬的機(jī)械特性。控制部分選用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N －80MR PLC控制，通過PLC軟件實(shí)現(xiàn)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邏輯控制。改造后的系統(tǒng)主要電氣設(shè)備構(gòu)成框圖如圖1所示。

2.2 主拖動(dòng)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

歐陸590全數(shù)字直流調(diào)速器采用先進(jìn)的比例－積分（PI）調(diào)節(jié)，具有完全匹配的電流環(huán)，以達(dá)到最佳動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能。電流反饋傳感器是內(nèi)置式的，電流環(huán)具有自整定功能和積分分離功能。可采用編碼器或模擬測(cè)速機(jī)反饋形成閉環(huán)控制，采用電樞電壓反饋具有IR補(bǔ)償。所有參數(shù)都用軟件通過串行口或面板上控制按鈕和液晶顯示器完成。

為了保證龍門刨床主拖動(dòng)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)調(diào)速性能，此次主拖動(dòng)電氣控制系統(tǒng)改造采用光電編碼器構(gòu)成轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制。系統(tǒng)主拖動(dòng)電氣控制原理圖如圖2所示。

端子 L1、L2、L3為三相電源進(jìn)線端，A+，A － 為直流電動(dòng)機(jī)電樞電路供電;D3、D4為直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電路供電;A1為0 V電壓基準(zhǔn)端，B3為+10 V基準(zhǔn)電壓端，B4為－10 V基準(zhǔn)電壓端;A4為斜坡速度輸入端;A6為主電流箝位或輔助（正）電流箝位;D5、D6為主電源合閘輸出端，提供AC220V 3 A輸出給繼電器KA1的線圈;D7，D8為輔助電流輸入，作為控制器控制電源輸入端;C1為0 V基準(zhǔn);C2為電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)，本方案沒有使用，所以將C1、C2短接;C9為+24 V電源;C3為啟動(dòng)/運(yùn)行，C3高態(tài)時(shí)啟動(dòng)控制器主電源合閘，低態(tài)時(shí)停止控制器主電源分閘;C5允許工作，C5為高態(tài)時(shí)，控制器啟動(dòng)有效，C5為低態(tài)時(shí)，控制啟動(dòng)無效，封鎖所有脈沖輸出，主電源不分閘;B8為程序停車，當(dāng)程序停車輸入保持在+24 V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0 V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+24 V時(shí)，控制器正常運(yùn)行，當(dāng)慣性停止為0 V或開路時(shí)，主接觸器打開，同時(shí)調(diào)速器不再運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)滑行停止。

3 電路控制工作原理

（1）運(yùn)行前的準(zhǔn)備 在主空氣斷路器QF合上的情況下，按下總起動(dòng)按鈕，PLC按預(yù)先編制好的程序使繼電器KA3得電，歐陸590直流調(diào)速器端子B8、B9、C5獲電，同時(shí)，D5、D6輸出交流電壓，使 KA1線圈獲電，其動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，接通主接觸器KM線圈電路，KM動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，直流調(diào)速器主電路接通，為運(yùn)行做準(zhǔn)備。

（2）工作臺(tái)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行 按下前進(jìn)點(diǎn)動(dòng)按鈕，PLC按預(yù)先編制好的程序使繼電器KA2動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，歐陸590直流調(diào)速器運(yùn)行，PLC按預(yù)先編制好的程序使斜坡輸入端子A4（給定端）有正電壓輸入，歐陸590調(diào)速器A+、A－便有電樞電壓輸出，D3、D4有勵(lì)磁電壓輸出，直流電動(dòng)機(jī)M運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)松開前進(jìn)點(diǎn)動(dòng)按鈕，KA2動(dòng)合觸點(diǎn)斷開，A4端子無輸入電壓，電動(dòng)機(jī)M停轉(zhuǎn)。

后退點(diǎn)動(dòng)與前進(jìn)點(diǎn)動(dòng)原理相同，只不過是PLC按預(yù)先編制好的程序把負(fù)電壓加到斜坡輸入給定端子A4上，使A+、A－輸出電壓極性改變，于是，直流電動(dòng)機(jī)M便反轉(zhuǎn)。

（3）工作臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行 按下按鈕站上的前進(jìn)按鈕，PLC按預(yù)先編制好的程序使繼電器KA2動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，歐陸590直流調(diào)速器運(yùn)行，PLC按預(yù)先編制好的程序把正電壓加到斜坡輸入給定端子A4上，歐陸590調(diào)速器A+、A－有電樞電壓輸出，D3、D4有勵(lì)磁電壓輸出，直流電動(dòng)機(jī)M正轉(zhuǎn)，工作臺(tái)前進(jìn)運(yùn)行。當(dāng)工作臺(tái)前進(jìn)到所調(diào)行程時(shí)，感應(yīng)前進(jìn)接近開關(guān)，經(jīng)PLC程序控制，前進(jìn)減速。同時(shí)，把負(fù)電壓加到斜坡輸入給定端子A4上，使A+、A－輸出電壓極性改變，于是，直流電動(dòng)機(jī)M反轉(zhuǎn)。工作臺(tái)便后退運(yùn)行。當(dāng)工作臺(tái)后退到所調(diào)行程時(shí)，感應(yīng)后退接近開關(guān)，經(jīng)PLC程序控制，后退減速、換向。如此往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)正常工作。

4 改造后的全數(shù)字龍門刨床控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。全數(shù)字直流調(diào)速裝置替代直流發(fā)電機(jī)組、交磁擴(kuò)大機(jī)，占地面積減小，噪聲明顯降低;用PLC取代繁雜的繼電器控制系統(tǒng)，連接點(diǎn)減少，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)可靠性大大提高。

（2）能耗低，效率高。交磁擴(kuò)大機(jī)機(jī)組傳動(dòng)方案能量經(jīng)過2次轉(zhuǎn)換（電能→機(jī)械能→電能），轉(zhuǎn)換效率只有0.7左右;而數(shù)字直流傳動(dòng)裝置能量是一次性轉(zhuǎn)換，所以能耗大大降低，其效率可達(dá)到0.99以上。

（3）調(diào)速性能高。全數(shù)字直流調(diào)速裝置是一種高精度傳動(dòng)裝置，以其自身的優(yōu)點(diǎn)使整個(gè)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度、調(diào)速范圍、快速性能得到很大的改善，從而提高了加工能力及其加工質(zhì)量。

（4）裝機(jī)水平高，具有完善的保護(hù)功能。系統(tǒng)具有良好的保護(hù)和監(jiān)控功能，PLC有自身的輸入/輸出監(jiān)控指示燈，而全數(shù)字直流調(diào)速裝置則更有良好的保護(hù)監(jiān)控功能，且具有故障存儲(chǔ)記憶、自適應(yīng)參數(shù)優(yōu)化等多種功能。

（5）維護(hù)保養(yǎng)容易。改造后的系統(tǒng)，全數(shù)字直流調(diào)速裝置和可編程控制器易于維護(hù)，系統(tǒng)的工作效率提高，減少了運(yùn)行成本。

5 結(jié)語

采用全數(shù)字直流調(diào)速裝置，同時(shí)用可編程控制器PLC替代原來的繼電器邏輯控制系統(tǒng)對(duì)龍門刨床進(jìn)行改造，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了工作效率及控制水平，保證了工件的加工精度，改善了工作環(huán)境，減少了噪聲污染，而且投入的資金較少，節(jié)能效果非常明顯，值得推廣應(yīng)用。

1 張春雷，宋家成，于文磊.常用機(jī)電設(shè)備電氣維修［M］.北京：中國電力出版社，2007.

2 喬忠良.全數(shù)字直流調(diào)速裝置及工程應(yīng)用［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（3）：152～155

3 范彩霞，盧杉.采用全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)改造龍門刨床［J］.機(jī)床與液壓，2008（8）：296～298

作者：沈玉梅，女，1961年生，副教授，碩士學(xué)位，研究方向：自動(dòng)控制工程。

（編輯 李 靜）

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Application of Full Digital DC Converter in the Reformation of Double Housing Planer

SHEN Yumei
（Dalian Vocational Technology College，Dalian 116037，CHN）

The electrical control system of double housing planer is complex，and breaks down frequently after a long time of use.In order to fully discover the potential of the equipments，overall technical reform using full digital DC converter and PLC is used in the electrical control system of double housing planer.The general plan of the system and the main drive of the electrical control system are designed .The reconstructed system is simple in hardware structure，easy to operate，reliable to control，smooth running，with high speed control precision，cheap and can save energy efficiently.

DC Converter;Double Housing Planer;Technical Reform

2009―09―24）

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