CUD1-L2 控制板在西門子6RA70 型直流調(diào)速裝置的應(yīng)用

張保師

（河鋼股份有限公司承德分公司、河北省釩鈦工程技術(shù)研究中心，河北 承德 067000）

作為河鋼承鋼軋鋼產(chǎn)線，西門子6RA70 直流調(diào)速裝置。西門子6RA70 型直流調(diào)速裝置就有三套裝備，還包括串聯(lián)六脈動(dòng)和并聯(lián)十二脈動(dòng)等。通過(guò)直聯(lián)的方式保證直流電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)作。但是由于現(xiàn)階段技術(shù)的改革，西門子6RA70 型直流傳動(dòng)裝置被新型號(hào)取代和停產(chǎn)，轉(zhuǎn)而出現(xiàn)了西門子6RA80 型直流傳動(dòng)裝置。而且所生產(chǎn)的備件都是6RA80 型直流調(diào)速裝置的備件。根據(jù)西門子官方反饋：新型的CUD1-L2 控制板能夠取代以往的L1 版控制板，實(shí)現(xiàn)上下的兼容。但是在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中出現(xiàn)故障較多，對(duì)此需要設(shè)計(jì)良好的方案，并對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化處理，使之與西門子6RA70 型直流調(diào)速裝置相匹配，減少因數(shù)據(jù)偏差造成的系統(tǒng)故障，提升使用過(guò)程的安全程度和穩(wěn)定性。

1 優(yōu)化安裝CUD1-L2控制板方案的必要性

1.1 6RA70 型直流調(diào)速裝置介紹

西門子6RA70 型直流調(diào)速裝置由三相交流電源直接供電，使用了微型計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的給定、比較、調(diào)節(jié)和控制，屬于數(shù)字化的整流控制裝置。內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，能實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)行自我診斷以及出現(xiàn)故障自動(dòng)報(bào)警功能，性能較好，可以為直流電機(jī)電樞供電，能通過(guò)對(duì)操作方式設(shè)計(jì)不同的給定方式來(lái)滿足不同的生產(chǎn)要求。整體的自動(dòng)化水平高，精度高且功能齊全。

1.2 安裝出現(xiàn)的問題

由于6RA70 型直流調(diào)速裝置的停產(chǎn)，通用備件不足，很難實(shí)現(xiàn)原裝標(biāo)配。這種時(shí)候要想對(duì)6RA70 型傳輸裝置進(jìn)行改造，就需要安裝新型的CUD1-L2 控制板。在安裝完控制板之后系統(tǒng)內(nèi)的電流會(huì)出現(xiàn)迅速升高現(xiàn)象，有時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)斷電停止運(yùn)行，與此同時(shí)系統(tǒng)會(huì)報(bào)出故障。

舊型的CUD1-L1 控制板安裝之后，電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中電流曲線非常平穩(wěn)，很少出現(xiàn)設(shè)備故障無(wú)法運(yùn)行的狀況。而相比之下，新版的CUD1-L2 控制板安裝之后，整體的運(yùn)行不平穩(wěn)，電流波動(dòng)較大，變流器因電流的較大波動(dòng)和速度告停，嚴(yán)重影響電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.3 優(yōu)化安裝方案的益處

西門子6RA70 型直流調(diào)速裝置屬于大型的設(shè)備，企業(yè)更換設(shè)備成本極高，一旦安裝CUD1-L2 控制板不成功，故障頻發(fā)，就需要企業(yè)更新設(shè)備。通過(guò)對(duì)控制板應(yīng)用方案的優(yōu)化，為企業(yè)節(jié)約了大量的資金投入，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。新的控制板的應(yīng)用能大大提升設(shè)備的運(yùn)行效率和安全穩(wěn)定程度，大大減少運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障，延誤工程進(jìn)度。此外也彰顯著我國(guó)技術(shù)水平的高超和先進(jìn)程度，為其他相關(guān)設(shè)備的研發(fā)優(yōu)化提供有價(jià)值的參考方向，促進(jìn)我國(guó)鋼鐵企業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。因而需要分析現(xiàn)有的安裝問題，尋找有效的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和實(shí)施，真正意義上實(shí)現(xiàn)CUD1-L2 控制板向下包容的特點(diǎn)，在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

2 安裝CUD1-L2控制板的設(shè)計(jì)方案

2.1 從速度環(huán)著手設(shè)計(jì)方案

2.1.1 速度環(huán)的工作原理

CUD1 控制板在西門子6RA70 型直流調(diào)速裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中所發(fā)揮的作用十分重要。它主要是用于對(duì)輸入裝置發(fā)出的各種信號(hào)進(jìn)行分析，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行比較和計(jì)算，最后把計(jì)算的結(jié)果向其他控制單元輸出。比較單元也是進(jìn)行數(shù)值的輸出，主編碼器和從編碼器都是用來(lái)反饋數(shù)據(jù)的，比較單元需要將兩者反饋的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，再把比較得出的數(shù)值向控制單元輸出。

設(shè)定新方案的目的是為了解決現(xiàn)階段安裝CUD1-L2 控制板導(dǎo)致的電機(jī)障礙。因此需要從目前的電機(jī)故障著手，由于速度波動(dòng)在一定程度上會(huì)影響到電流波動(dòng)，所以對(duì)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的速度和與之相應(yīng)的電流運(yùn)行曲線進(jìn)行了對(duì)比分析。具體情景電機(jī)傳輸過(guò)程屬于一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中存在著外環(huán)控制和內(nèi)環(huán)控制。外環(huán)控制依靠速度環(huán)展開，內(nèi)環(huán)控制是使用電流環(huán)進(jìn)行約束和調(diào)整。當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中速度環(huán)產(chǎn)生了波動(dòng)時(shí)，此時(shí)為了將外環(huán)當(dāng)中出現(xiàn)的信號(hào)波動(dòng)超調(diào)值消除掉，內(nèi)環(huán)就進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)波形進(jìn)行反方向的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度環(huán)產(chǎn)生的速度值的調(diào)整。在這個(gè)流程的運(yùn)轉(zhuǎn)期間就會(huì)出現(xiàn)電機(jī)的電流波動(dòng)狀況。

2.1.2 方案設(shè)計(jì)

針對(duì)以上對(duì)運(yùn)行原理的解析，為此做出了假設(shè)：能不能通過(guò)減少運(yùn)算單元和比較單元兩個(gè)單元的計(jì)算任務(wù)量，或者繞開這兩個(gè)單元，實(shí)現(xiàn)速度波動(dòng)量的減少，從而達(dá)到消除安裝CUD1-L2 控制板時(shí)出現(xiàn)的電流波動(dòng)狀況的目的。

首先需要對(duì)速度環(huán)展開分析。在速度環(huán)中進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋的裝置是編碼器。主編碼器從脈沖分配板經(jīng)過(guò)之后，輸入的信號(hào)被放大，進(jìn)入6RA70 型直流調(diào)速裝置的比較單元當(dāng)中。而從編碼器數(shù)值攜帶的輸入信號(hào)被脈沖分配板放大之后進(jìn)入到6RA70 型直流調(diào)速裝置的PLC 當(dāng)中。期間在進(jìn)入脈沖分配板時(shí)主編碼器的速度反饋會(huì)在此時(shí)出現(xiàn)不同程度的信號(hào)失真。對(duì)于這種信號(hào)失真CUD1-L2 控制板相較CUD1-L1 控制板更加敏感，運(yùn)行時(shí)就會(huì)出現(xiàn)劇烈的電流波動(dòng)。

將編碼器脈沖數(shù)當(dāng)作速度比較反饋和對(duì)發(fā)電機(jī)反饋的電壓值進(jìn)行測(cè)速然后作為速度比較反饋是電機(jī)進(jìn)行速度反饋的兩種形式。要想解決信號(hào)失真問題，可以采用第二種對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行測(cè)速并做速度比較反饋。對(duì)此可以用測(cè)試發(fā)電機(jī)的電壓信號(hào)這一方式來(lái)取代編碼器脈沖信號(hào)，把發(fā)電機(jī)電壓信號(hào)測(cè)速直接輸入到西門子6RA70 型直流調(diào)速裝置當(dāng)中，在此期間羅列出速度環(huán)的各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)他們進(jìn)行反復(fù)多次的調(diào)試，最終得到合理的參數(shù)，從而將速度環(huán)出現(xiàn)的電流波動(dòng)降低，處于允許的數(shù)值范圍內(nèi)。具體的操作是將端子外接輸入信號(hào)線纜進(jìn)行更換，主要是CUD1 控制板當(dāng)中的X171 和X172 等,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度環(huán)電流波動(dòng)的控制。

2.2 從包絡(luò)線曲線著手優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

2.2.1 包絡(luò)線運(yùn)行原理

在6RA70 型直流調(diào)速裝置當(dāng)中包絡(luò)線環(huán)節(jié)主要是對(duì)于運(yùn)行速度的監(jiān)控。它的工作原理是將電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)行曲線與計(jì)算曲線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)誤差，并方便展出出現(xiàn)誤差的參數(shù)項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)。從啟動(dòng)電機(jī)一直到關(guān)閉電機(jī)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，給每個(gè)位置點(diǎn)都設(shè)定出可運(yùn)行的最高速度，而一旦電機(jī)運(yùn)行速度超過(guò)這一位置點(diǎn)所設(shè)定的最高速度的15%時(shí)，安全裝置被啟動(dòng)，安全回路就會(huì)運(yùn)行起來(lái)自動(dòng)斷電。此時(shí)系統(tǒng)中就會(huì)報(bào)出包絡(luò)線超速。在整個(gè)計(jì)算環(huán)節(jié)對(duì)于速度拐點(diǎn)和加減速階段的比較曲線計(jì)算較為復(fù)雜且存在難度。前文中提到了更換CUD1-L2控制板時(shí)出現(xiàn)的包絡(luò)線超速故障，這些故障大多是電機(jī)運(yùn)行的減速段到爬行段的拐點(diǎn)處。下圖1 為CUD1 控制板的比較單元原理。

圖1 CUD1 控制板的比較單元原理

在原廠的CUD1-L1 控制板尚未停產(chǎn)時(shí)，安裝CUD1-L1 控制板在6RA70 型直流調(diào)速裝置當(dāng)中，整體運(yùn)行過(guò)程中電流相對(duì)穩(wěn)定，運(yùn)行各點(diǎn)包括拐點(diǎn)處時(shí)的運(yùn)行曲線平順，不會(huì)出現(xiàn)故障。但是在使用了CUD1-L2 控制板后，運(yùn)行過(guò)程中電流波動(dòng)較大，在運(yùn)行到拐點(diǎn)處時(shí)運(yùn)行曲線的波動(dòng)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了計(jì)算所得的最高數(shù)值，安全回路斷電，從而導(dǎo)致包絡(luò)線報(bào)超速故障。在進(jìn)行了多次的實(shí)驗(yàn)對(duì)比以后發(fā)現(xiàn)，從勻減速到爬行段的拐點(diǎn)，該點(diǎn)處計(jì)算后的比較曲線整定值與實(shí)際運(yùn)行曲線幾乎是完全重合，說(shuō)明運(yùn)行過(guò)程中軌道未發(fā)生變化，曲線系數(shù)一致，更有可能存在變量問題。但是從運(yùn)行的速度對(duì)比來(lái)看，實(shí)際運(yùn)行速度比計(jì)算的速度相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.15 倍之多，可以得出結(jié)論是實(shí)際運(yùn)行速度過(guò)快遠(yuǎn)超計(jì)算值所導(dǎo)致的，可以對(duì)試驗(yàn)中的速度參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)增加。實(shí)際速度曲線與理想速度曲線對(duì)比如下圖2 所示。

圖2 理想速度與實(shí)際速度曲線

包絡(luò)線超速比較曲線計(jì)算公式：vt2-v02=2as。

其中vt=初始速度，v0=加速后速度，a=減速度，S=減速距離。

在試驗(yàn)階段，初始速度vt和加速后速度v0等同于實(shí)際的運(yùn)行速度，在對(duì)程序中的數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)減速度比實(shí)際運(yùn)行減速度值小，為0.69m/s2（當(dāng)井深度為600m 時(shí)，勻速段運(yùn)行速度在10.99m/s2）。然而實(shí)際運(yùn)行中的減速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這一數(shù)值，從而導(dǎo)致電機(jī)在減速變爬行拐點(diǎn)處時(shí)出現(xiàn)包絡(luò)線超速故障。

2.2.2 方案設(shè)計(jì)

在經(jīng)過(guò)了專業(yè)人員10 余次的反復(fù)試驗(yàn)之后，最后測(cè)得精準(zhǔn)數(shù)據(jù)實(shí)際減速度為0.74m/s2。然后將試驗(yàn)過(guò)程中需要的減速度參照值由0.69m/s2變更為0.74m/s2。通過(guò)提高試驗(yàn)時(shí)的減速度，減少實(shí)際速度與理想速度之間存在的差距，讓實(shí)際運(yùn)行時(shí)與計(jì)算設(shè)定的各項(xiàng)數(shù)值相匹配，從而最大程度的消除包絡(luò)線的超速故障，更好的進(jìn)行速度監(jiān)控工作。

3 結(jié)語(yǔ)

文章主要探討了新型的CUD1-L2 控制板安裝到西門子6RA70 型直流調(diào)速裝置過(guò)程中出現(xiàn)的各種問題，并通過(guò)對(duì)速度環(huán)和包絡(luò)線曲線兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行方案設(shè)定和優(yōu)化，并將這些方案應(yīng)用到了北洺河鐵礦的多個(gè)電機(jī)中。同時(shí)試驗(yàn)期間對(duì)編碼器的脈沖系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，將電機(jī)運(yùn)行期間的實(shí)際位置值與實(shí)際值相吻合，大大提升速度監(jiān)測(cè)保護(hù)的效率，讓電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，減少故障。通過(guò)這些新的方案的研究和應(yīng)用為我國(guó)軋鋼企業(yè)的發(fā)展減少阻礙，降低購(gòu)置機(jī)器的成本，也為今后的設(shè)備改良提供思路以供參考。