从新老铣面机的不同看电气技术的发展

胡 琳

（中铝洛阳铜业公司，河南洛阳471000）

中铝洛阳铜业公司有2台双面铣机列，一台为上世纪80年代中期从Black-Clawson公司引进，另一台为2009年自日本Ikuta公司引进。两台设备功能相同，均为将热轧机开胚的铜板卷表面的氧化层及杂质通过铣削方式去除，但因分属不同年代的产品，虽然机列的机械构造基本相同，但电气方面采用的技术却有很大不同，体现出了鲜明的时代特征，展现了在20～30年间，电气技术飞速发展的成果。而且，因采用的技术不同，Ikuta双面铣铣削后的产品表面品质也更为优异。现仅就两台双面铣电气系统方面的差异进行比较，从中可看出20年来电气技术方面的一些发展历程。

两台机列电气系统方面的不同有很多，大致可分为传动、现场总线、伺服驱动、人机交互等4个方面。

1 机列传动

Black-Clawson双面铣机列的传动部分，全部为直流传动，大致分为开卷机、矫直机、卷取机等主体部分。包括有矫直电机（60 kW），铣刀喂入辊电机（60 kW），上卷取电机（30 kW）。上述直流电机分别由其直流控制器控制。

Ikuta双面铣机列的传动部分，全部为交流变频传动，包括有矫直电机（55 kW），1#、2#、3#给料辊电机（22 kW，30 kW，37 kW），导向辊电机（2.2 kW），弯曲辊电机（30 kW），卷曲电机（30 kW）。上述矢量电机分别由其变频器控制。

从上比较可知，两台铣面机所采用的传动功率基本相同，但所采用的技术完全不同。

在电力拖动中，在过去很长一段时间里，变速拖动的电动机都是直流电动机，不变速拖动的电动机，都是交流电动机。

1.1 直流电动机固有的缺点

（1）有电刷和换向器，需经常检查和维护。

（2）有换向火花，难以用在易燃易爆场合。

（3）结构复杂。

交流电机能克服上述缺点，但不容易调速。近年来，随着微电子技术的高速发展，变频技术获得了很大发展。变频器将输入幅值、频率固定的交流电源转换为频率和电压都可调的交流电源，从而实现了对异步电动机的转速控制。随着变频技术的不断成熟，其调速性能与可靠性也不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。

1.2 交流变频调速的优异特性

（1）调速时平滑性好。

（2）调速范围大，精度好。

（3）变频器体积小，便于安装、调试。

（4）节能。

1）变频调速系统自身损耗小，工作效率高。

2）电机总是保持在低转差率运行的状态，减小了转子损耗。

3）可实现软启动、制动功能，启动电流低，对系统及电网无冲击。

虽然变频调速有许多优点，但也有其不利因素，主要问题是电流中含高次谐波较多，除对电网有污染外，也使电机自身增加损耗，引起自身发热。再有，变频器价格贵，投资回收周期长，技术复杂。但交流变频调速是异步电机最有发展前途的调速方法。随着电力电子技术的不断发展，性能可靠，价格便宜的变频器会不断出现，这一技术将得到更广泛、普遍的应用。

1.3 矢量控制方式变频器

Ikuta双面铣选用了AB的PowerFlex700s系列变频器，该变频器是有速度传感器的矢量控制方式变频器。70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。

矢量控制实现的基本原理，是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量，分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。

矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司的变频器上。

在Ikuta双面铣投入使用的一年中，变频器及电机都非常稳定，除极端情况下出现过的电机过载后自动停车保护之外，未出现任何异常情况，再一次证明了变频技术的优越性。

2 现场总线

Black-Clawson双面铣的PLC采用的是Siemens S5-135U CPU，本地机架带一扩展机架，无远程模块。

Ikuta双面铣的PLC采用的是Rockwell的RSlogix 5563 CPU，以ControlLogix控制平台为基础，全面实现了Ether-Net/IP，ControlNet，DeviceNet三层网络架构。简图如图1所示。

图1 三层网络架构简图

通过工业以太网，接入两台触摸屏Gp3000，工程师站，及二级管理站。两台触摸屏用来进行设备运行的状态参数显示，报警、故障显示，以及操作人员的操作参数输入。以位于现场的二级管理站为基础，三级管理（厂级）的各种指令可直接下达至现场，现场设备的运行状态、参数、生产情况又可直接上传至三级，实现了生产流程与管理的透明化，自动化。

通过控制网ControlNet，接入所有的远程I/O模块及变频器。

通过DeviceNet，接入测厚仪、称重仪。

Black-Clawson双面铣的控制系统，可称之为集中式数字控制系统。集中式数字控制系统于20世纪70～80年代占主导地位，采用PLC、计算机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，克服了模拟仪表控制系统中，模拟信号精度低的缺点，提高了系统的抗干扰能力。优点是易于根据全局情况进行控制和判断，在控制方式、控制时机的选择上可以统一的调度和安排。缺点是，对控制器本身的要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性急剧下降，

Ikuta双面铣的控制系统，全面应用了现场总线技术。现场总线技术的出现，标志着工业控制领域一个新时代的开始。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，基于现场总线的控制系统称为现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）。FCS用现场总线这一开放的、具有可互操作性的网络将现场各控制器以及仪表设备互联，构成FCS，同时，将控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。

2.1 现场总线的特点

（1）现场通信网络。在FCS中，各现场设备单元之间通过现场总线相连，彼此可以相互通信联络。

（2）一对N的结构。一对传输线（现场总线），可以挂接N台现场设备，双向传输多个数字信号，结构布线简单，安装费用低，维护方便。

（3）彻底的分散控制功能模块。由于采用了具有综合功能的智能仪表，现场总线将控制功能由传统的控制站下放到现场仪表设备中，做到了彻底分散控制功能，提高了系统的灵活性。

（4）完全开放式系统。现场总线的技术与标准是公开的，不同厂家的网络产品可以集成在同一FCS中，只要他们遵守相同的通信协议，就可以实现各层网络之间的信息交流。

（5）更高的可靠性。现场总线采用全数字化处理和数字通信技术，大大提高了现场装置的信号测控精度，以及信号传输的抗干扰能力，从而可提高系统测控的可靠性和稳定性。

2.2 现场总线的发展趋势

现场总线的发展趋势，主要体现在以下方面：

（1）多种总线共存。

（2）工业Ethernet逐渐成新的热点。

（3）从管理层到设备层信息的无缝集成。

现场总线技术的发展，使从现场设备层到工厂管理层信息的纵向集成变为可能，为企业带来整体效益。

Ikuta双面铣的控制系统，全面体现了现场总线技术的发展趋势，代表了现场总线技术的发展方向，经过一年多的运行，系统非常稳定。

3 伺服驱动

铣面机的精度由铣刀部分决定。Black-Clawson双面铣的边铣功能因为种种原因，早已废弃不用，面铣机的压下量即吃刀量，已无从看出，仅能通过铣刀电流反馈值，由富有经验的操作工人工判断出实际压下量，精度根本无从保证。

Ikuta双面铣的铣刀进给量，全部由伺服电机控制，即由Kinetix 6000伺服驱动模块来进行控制。进给量在触摸屏上由操作人员手工设定即可。实际进给量由系统反馈值直接显示在触摸屏上，极大方便了操作人员的操作，也保证了铣削的精度。Kinetix 6000伺服驱动模块的使用也非常简单，现将Kinetix简述如下：

ControlLogix控制器的功能，不限于单纯的时序逻辑控制，而且是一种综合型的控制器，其运动控制功能实现了对运动轴各物理量进行控制的目的。ControlLogix控制器建立了一套运动控制指令，如MAM(Motion Axis Move)，MAS(Motion Axis Stop)，MAFR(Motion Axis Fault Reset)等等，在梯形图中直接用运动控制指令编制运动过程，运控指令的执行将运控要求送到伺服控制模块，再由伺服控制模块实施运动控制，从而使得运动控制是可变的，程控的，并和整个控制系统配合紧密。

近10年来以工业局域网为基础的工厂自动化工程技术得到了很大发展，为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口和专用的局域网接口。罗克韦尔自动化公司的集成运动控制，是使用SERCOS总线实现的。SERCOS接口，是数字控制器与驱动器间的串行实时总线式通信接口。SERCOS总线用于将控制器和伺服驱动器连接起来，可以用来控制伺服系统，完成定位，速度及转距的控制等诸多功能，是为实现多轴系统运动控制任务而设计的。

Kinetix 6000伺服驱动器通过SERCOS接口与Logix平台集成在一起，由电源卡轨，集成轴模块，轴模块三个基本组件构成的Kinetix 6000，其尺寸小，接线简单，易于使用。控制器简图如图2。

图2 控制器简图

4 人机交互功能

Black-Clawson双面铣的操作台上有电流表、电压表及数个故障警示灯，操作人员据此来掌握设备运行情况。

Ikuta双面铣的操作台上有2台触摸屏，设计了19幅画面，画面详尽囊括了几乎设备的所有操作相关参数的查询、设定，设备运行状态显示，故障报警等，并以友好的画面形式展现出来，操作工可据此轻松掌握设备状况，进行操作。在Black-Clawson双面铣上操作工需要漫长的时间来熟悉设备性能，掌握操作技巧，而在Ikuta双面铣上仅需月余时间，操作工即可熟练独立操作。

另外，共计200余条的报警信息，也考虑到了几乎所有可能出现的电气故障，一旦报警信息出现，操作工即可马上知道故障所在，并通知具体相关维护人员来处理，缩短了停机判断、查找故障原因的时间，提高了设备产能，减少了维护人员的工作量。

5 结束语

从上述简单的比较可看出，电气技术在过去20余年间的一些发展历程。在短短的20余年中，迅猛发展的技术，正以惊人的速度应用于实际中，改变着生活的面貌。

[1]邓 李.ControlLogix系统实用手册[K].北京：机械工业出版社，2008.

[2]黄允凯.谈英姿.深入浅出NetLinx网络架构[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3]Rockwell Automation.Kinteix 6000多轴伺服驱动器用户手册[K].China：Rockwell Automation Inc，2007.

[4]Rockwell Automation.ControlLogix 用 户 手 册[K].China：Rockwell Automation Inc，2006.