西門子6RA80在鋁材冷軋機直流傳動勵磁改造中的應用

王西成，戢 亮，祝德勇，張 宏

（西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

隨著信息技術和電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，新的工控產(chǎn)品功能越來越強，穩(wěn)定性越來越好，部分老舊設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鋁材冷軋機的主電機、開卷、卷取直流電機驅動是ABB公司上世紀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]，且設備投產(chǎn)時間久遠，早已超過產(chǎn)品生命周期，加上備件獲取困難，技術支持也極其有限，僅靠有限的修復件維持運行。元器件老化導致系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制精度及響應速度等方面性能變差，特別是電機在弱磁段運行時勵磁電流不能及時跟隨電樞電壓的變化進行準確地調(diào)整，時常導致電樞過壓故障。傳動故障不僅影響生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定運行，降低效率，增加生產(chǎn)成本，對全油軋制的高速軋機來說還存在很大的火災風險。為了確保設備及生產(chǎn)的正常、安全運行，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冷軋機為例，結合西門子6RA80傳動裝置特點，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提供可變勵磁電流的方案，以期為該類軋機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

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，但該軋機控制系統(tǒng)（I14）的PLC通訊協(xié)議較為特殊，無法實現(xiàn)與當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，相對獨立，具備單獨改造條件[2]。新的勵磁單元要實現(xiàn)原勵磁單元的功能必須具備以下條件：（1）能實現(xiàn)與電樞控制單元及上級系統(tǒng)控制有關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)點結合在了一起，具有功能齊全、信號連接方便、輔助供電靈活、結構緊湊等優(yōu)點，在工業(yè)自動化控制領域和工廠設備改造中有著廣泛應用[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)控制和反電勢計算功能，并具有很高的運算速度，符合直流電機勵磁單元的要求。

根據(jù)對6RA80裝置和勵磁單元ASD的對比分析，只需將軋機傳動電機的勵磁繞組接到6RA80裝置的電樞輸出回路上，通過硬接線實現(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，即可實現(xiàn)用6RA80裝置電樞整流回路替代勵磁單元為直流電機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，以解決設備老化、故障率高及備件保供等問題。

2 硬件設計

不可逆軋機直流傳動電機運行時不需要改變勵磁電流方向，所以從實用和經(jīng)濟角度考慮選用了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，在進線側加進線電抗器；為了防止勵磁繞組產(chǎn)生過電壓，在直流側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 控制功能的實現(xiàn)

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

3.1 主要參數(shù)設置

以開卷電機為例，其主要參數(shù)設置如下：（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/轉矩控制）；（4）p50100[0]=34.8（將開卷勵磁電流34.8A設置為裝置的額定電樞電流）；（5）p50102[0]=34.8（開卷勵磁電流34.8A，用于弱磁計算）；（6）p50103[0]=2.5（開卷勵磁電流最小電流，弱磁計算極限保護）；（7）p50616[0]=52107（將PAD電樞裝置發(fā)送的EMF值作為EMF控制實際值）。

本次改造是利用6RA80裝置的電樞回路作為直流電機勵磁的電流源，不需要裝置本身的勵磁輸出，所以設置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，為便于計算需要將接收的電樞電壓、電流和EMF以及輸出的電流實際值信號進行規(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準控制邏輯[5]，如圖3所示。為了后續(xù)的計算精準，要對電樞電流調(diào)節(jié)的PI參數(shù)進行優(yōu)化。控制電機速度在弱磁點（開卷機速度在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 弱磁控制功能的實現(xiàn)

根據(jù)直流電動機的轉速公式n=Ea/CeΦ=（U-IaRa）/CeΦ（其中Ea為電機電動勢，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：當電機電樞電壓達到額定值時再想繼續(xù)提高電機轉速，只有降低電機勵磁電流，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）具有反電勢計算及閉環(huán)控制功能，可以實現(xiàn)弱磁控制功能[5]，如圖4所示。

圖4 EMF閉環(huán)控制功能圖

弱磁是為了實現(xiàn)在電機的電動勢恒定的前提下持續(xù)提升電機轉速的目的，為了讓反電勢調(diào)節(jié)器對電動勢進行閉環(huán)控制，需要得到實際的電動勢值，但電機的電動勢不能直接測量，只能通過計算得到。從電動勢方程Ea=U-IaRa可知，電機電動勢等于電樞電壓減去線路壓降的值，為了計算實際的電動勢反饋，我們需要得到電機的電樞電壓、電樞電流和電樞電阻三個參數(shù)。電機的電樞電阻在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時傳送到6RA80裝置來完成電機電動勢的計算。

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速度和準確性，需要確定電機的勵磁特性曲線，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行勵磁自優(yōu)化，只有通過手動方式計算勵磁特性曲線和優(yōu)化PI參數(shù)。

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

確定勵磁特性曲線之后，設定電機運行速度在弱磁點之上，每次給1%速度階躍（增加或減少），觀察電機勵磁電流和電機電樞電壓變化情況，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，實現(xiàn)了勵磁電流的快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)。在進入弱磁點和弱磁階段時電機的轉速變化平滑，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，保護功能更完善，參數(shù)設置更方便。同時還較好地解決了因故障頻發(fā)帶來的火災風險，延長了設備使用壽命，為工廠創(chuàng)造了很高的經(jīng)濟效益。

5 結束語

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，從原理入手找出兩個產(chǎn)品的共同點，結合舊系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸方式，避開了老設備通訊協(xié)議不開放問題，實現(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，穩(wěn)定性越來越好，老設備的升級改造已成為必然。由于廠家、設備以及開發(fā)人員的原因，老設備通訊協(xié)議的獨立性和保密性導致在新舊設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)品的共同點作為升級改造的突破點，突破廠家與品牌限制才能更好地解決老設備升級改造問題。