從新老銑面機的不同看電氣技術的發展

胡 琳

（中鋁洛陽銅業公司，河南洛陽471000）

中鋁洛陽銅業公司有2臺雙面銑機列，一臺為上世紀80年代中期從Black-Clawson公司引進，另一臺為2009年自日本Ikuta公司引進。兩臺設備功能相同，均為將熱軋機開胚的銅板卷表面的氧化層及雜質通過銑削方式去除，但因分屬不同年代的產品，雖然機列的機械構造基本相同，但電氣方面采用的技術卻有很大不同，體現出了鮮明的時代特征，展現了在20～30年間，電氣技術飛速發展的成果。而且，因采用的技術不同，Ikuta雙面銑銑削后的產品表面品質也更為優異?，F僅就兩臺雙面銑電氣系統方面的差異進行比較，從中可看出20年來電氣技術方面的一些發展歷程。

兩臺機列電氣系統方面的不同有很多，大致可分為傳動、現場總線、伺服驅動、人機交互等4個方面。

1 機列傳動

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。

1.1 直流電動機固有的缺點

（1）有電刷和換向器，需經常檢查和維護。

（2）有換向火花，難以用在易燃易爆場合。

（3）結構復雜。

交流電機能克服上述缺點，但不容易調速。近年來，隨著微電子技術的高速發展，變頻技術獲得了很大發展。變頻器將輸入幅值、頻率固定的交流電源轉換為頻率和電壓都可調的交流電源，從而實現了對異步電動機的轉速控制。隨著變頻技術的不斷成熟，其調速性能與可靠性也不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調速節電效果明顯，而且易于實現過程自動化，深受工業行業的青睞。

1.2 交流變頻調速的優異特性

（1）調速時平滑性好。

（2）調速范圍大，精度好。

（3）變頻器體積小，便于安裝、調試。

（4）節能。

1）變頻調速系統自身損耗小，工作效率高。

2）電機總是保持在低轉差率運行的狀態，減小了轉子損耗。

3）可實現軟啟動、制動功能，啟動電流低，對系統及電網無沖擊。

雖然變頻調速有許多優點，但也有其不利因素，主要問題是電流中含高次諧波較多，除對電網有污染外，也使電機自身增加損耗，引起自身發熱。再有，變頻器價格貴，投資回收周期長，技術復雜。但交流變頻調速是異步電機最有發展前途的調速方法。隨著電力電子技術的不斷發展，性能可靠，價格便宜的變頻器會不斷出現，這一技術將得到更廣泛、普遍的應用。

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首先提出異步電機矢量控制理論來解決交流電機轉矩控制問題。

矢量控制實現的基本原理，是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量，分解為產生磁場的電流分量（勵磁電流）和產生轉矩的電流分量（轉矩電流）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，因而獲得與直流調速系統同樣的靜、動態性能。矢量控制算法已被廣泛地應用在siemens，AB，GE，Fuji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定，除極端情況下出現過的電機過載后自動停車保護之外，未出現任何異常情況，再一次證明了變頻技術的優越性。

2 現場總線

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，全面實現了Ether-Net/IP，ControlNet，DeviceNet三層網絡架構。簡圖如圖1所示。

圖1 三層網絡架構簡圖

通過工業以太網，接入兩臺觸摸屏Gp3000，工程師站，及二級管理站。兩臺觸摸屏用來進行設備運行的狀態參數顯示，報警、故障顯示，以及操作人員的操作參數輸入。以位于現場的二級管理站為基礎，三級管理（廠級）的各種指令可直接下達至現場，現場設備的運行狀態、參數、生產情況又可直接上傳至三級，實現了生產流程與管理的透明化，自動化。

通過控制網ControlNet，接入所有的遠程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，可稱之為集中式數字控制系統。集中式數字控制系統于20世紀70～80年代占主導地位，采用PLC、計算機作為控制器，控制器內部傳輸的是數字信號，克服了模擬儀表控制系統中，模擬信號精度低的缺點，提高了系統的抗干擾能力。優點是易于根據全局情況進行控制和判斷，在控制方式、控制時機的選擇上可以統一的調度和安排。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，當系統任務增加時，控制器的效率和可靠性急劇下降，

Ikuta雙面銑的控制系統，全面應用了現場總線技術?，F場總線技術的出現，標志著工業控制領域一個新時代的開始?，F場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，基于現場總線的控制系統稱為現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）。FCS用現場總線這一開放的、具有可互操作性的網絡將現場各控制器以及儀表設備互聯，構成FCS，同時，將控制功能徹底下放到現場，降低了安裝成本和維護費用。

2.1 現場總線的特點

（1）現場通信網絡。在FCS中，各現場設備單元之間通過現場總線相連，彼此可以相互通信聯絡。

（2）一對N的結構。一對傳輸線（現場總線），可以掛接N臺現場設備，雙向傳輸多個數字信號，結構布線簡單，安裝費用低，維護方便。

（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，現場總線將控制功能由傳統的控制站下放到現場儀表設備中，做到了徹底分散控制功能，提高了系統的靈活性。

（4）完全開放式系統?，F場總線的技術與標準是公開的，不同廠家的網絡產品可以集成在同一FCS中，只要他們遵守相同的通信協議，就可以實現各層網絡之間的信息交流。

（5）更高的可靠性。現場總線采用全數字化處理和數字通信技術，大大提高了現場裝置的信號測控精度，以及信號傳輸的抗干擾能力，從而可提高系統測控的可靠性和穩定性。

2.2 現場總線的發展趨勢

現場總線的發展趨勢，主要體現在以下方面：

（1）多種總線共存。

（2）工業Ethernet逐漸成新的熱點。

（3）從管理層到設備層信息的無縫集成。

現場總線技術的發展，使從現場設備層到工廠管理層信息的縱向集成變為可能，為企業帶來整體效益。

Ikuta雙面銑的控制系統，全面體現了現場總線技術的發展趨勢，代表了現場總線技術的發展方向，經過一年多的運行，系統非常穩定。

3 伺服驅動

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雙面銑的銑刀進給量，全部由伺服電機控制，即由Kinetix 6000伺服驅動模塊來進行控制。進給量在觸摸屏上由操作人員手工設定即可。實際進給量由系統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伺服驅動模塊的使用也非常簡單，現將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了對運動軸各物理量進行控制的目的。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，并和整個控制系統配合緊密。

近10年來以工業局域網為基礎的工廠自動化工程技術得到了很大發展，為適應這一發展趨勢，最新的伺服系統都配置了標準的串行通信接口和專用的局域網接口。羅克韋爾自動化公司的集成運動控制，是使用SERCOS總線實現的。SERCOS接口，是數字控制器與驅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動器連接起來，可以用來控制伺服系統，完成定位，速度及轉距的控制等諸多功能，是為實現多軸系統運動控制任務而設計的。

Kinetix 6000伺服驅動器通過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

4 人機交互功能

Black-Clawson雙面銑的操作臺上有電流表、電壓表及數個故障警示燈，操作人員據此來掌握設備運行情況。

Ikuta雙面銑的操作臺上有2臺觸摸屏，設計了19幅畫面，畫面詳盡囊括了幾乎設備的所有操作相關參數的查詢、設定，設備運行狀態顯示，故障報警等，并以友好的畫面形式展現出來，操作工可據此輕松掌握設備狀況，進行操作。在Black-Clawson雙面銑上操作工需要漫長的時間來熟悉設備性能，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的電氣故障，一旦報警信息出現，操作工即可馬上知道故障所在，并通知具體相關維護人員來處理，縮短了停機判斷、查找故障原因的時間，提高了設備產能，減少了維護人員的工作量。

5 結束語

從上述簡單的比較可看出，電氣技術在過去20余年間的一些發展歷程。在短短的20余年中，迅猛發展的技術，正以驚人的速度應用于實際中，改變著生活的面貌。

[1]鄧 李.ControlLogix系統實用手冊[K].北京：機械工業出版社，2008.

[2]黃允凱.談英姿.深入淺出NetLinx網絡架構[M].北京：機械工業出版社，2008.

[3]Rockwell Automation.Kinteix 6000多軸伺服驅動器用戶手冊[K].China：Rockwell Automation Inc，2007.

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