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摘 要：直流电机是高线生产过程中的最重要的设备之一，如何实现直流电机精确调速是高线生产过程中的问题之一。本文以西门子6RA70系列直流调速装置为背景介绍了宣钢高速线材生产线直流传动系统的组成及速度调节方式。
关键词：6RA70；直流调速装置；闭环控制；弱磁控制
一、概述
宣钢高速线材生产线是一条全连轧热轧生产线，其主要产品为Φ5mm～Φ12mm盘条和盘螺。直流传动系统的构成：宣钢高速线材轧机主传动（从粗轧至预精轧共18架轧机）及部分辅传动（包括飞剪、吐丝机等）使用西门子6RA70 SIMOREG？DC？MASTER直流调速系统。
控制系统采用西门子S7-400 PLC，采用三级控制系统和两层通讯网络的模式，三级控制系统包括人机界面（西门子WINCC画面）、控制单元（PLC）和远程执行单元（包括PLC远程站、交直流调速装置等），两层通讯网络包括工业以太网和Profibus-DP网络。直流调速系统通过Profibus-DP网络连接PLC，完成直流调速系统的控制。
二、直流电机调速控制
直流主电机的调速控包括：
（一）设定速度给定
电机启动时能够进行平稳加速控制，调速系统由远程和本地两种方式设定。本地设定通过在PMU操作面板选择P401参数进行电机给定设置，用于电机调试运行；远程操作通过PROFIBUS-DP写入PLC中给定的控制字，写入调速装置中，从而完成对电机速度的设定。电机的速度设定值的100%为直流电机的最大速度，速度给定为线性斜坡，可以使得电机平稳的启动。
在电机调速控制时，系统可进行手动人工干预功能，在允许范围可以使用手动给定干预进行调速。例如在轧钢过程中，主操作人员使用调速杆对轧钢系统进行级联调速以满足正常的榨汁需求。
（二）直流电机速度反馈
直流电机的实际运行速度可使用电机后轴的速度编码器获取。脉冲编码器测速精度高，在电机运行过程中，每转一圈发出1024个脉冲信号（轧机为1024个脉冲，飞剪为2048个脉冲）。脉冲信号接入6RA70装置的CUD1板，系统进行处理、转换、运算，将此信号反馈到速度调节器进行比较运算，构成调速系统的双闭环外环控制。
（三）直流电机速度调节
该系统内为速度负反馈三相全控桥式晶闸管直流调速系统，主回路是正、反两组桥式电路，控制系统为电流环为内环、速度环为外环的双闭环负反馈控制。在调速过程中，电机低速运行时，为调压控制，调节电枢电压，电枢电压越大，速度越大，此时电枢电压与速度成正比；当电压无法继续增大时，调节励磁电流，励磁电流越小，速度越大，此时励磁电流与速度成反比，进入高速运行状态。速度环调节使用PI调节器（P为比例环节，I为积分环节），作用是实现速度稳态无静差调节。电流环调节同样使用PI调节器，为抑制系统电流电压波动，对过电流起到自保护作用。
1ACR为桥式电路正组晶闸管的门极触发，2ACR为桥式电路反组晶闸管的门极触发。系统使用1ACR的给定信号Ui1取反后作为2ACR的给定信号-Ui1，使得Ui1极性在正向和反向时均不变化，因此避免使用了反极性的电流检测器。该系统和核心部件包括一个无环流逻辑控制器DLC，它可以确保系统在正、反组桥导通切换过程中，不使两组晶闸管同时出发导通，即在一组晶闸管导通时，另一组晶闸管自动封锁，这样确保了系统无环流情况，避免出现短路放炮情况。
除上述的速度、电流调节器、无环流逻辑控制器DLC，还包括下列重要的控制单元，即ON/OFF控制单元、使能控制单元、给定值单元、斜坡发生器、电流限幅，以及励磁控制PI调节器、限幅单元等。
（四）直流电机弱磁控制
宣钢高线轧机主电机有三种型号规格，分别是550kW，基速800r/min，最高速度1200 r/min ；650 kW，基速600 r/min，最高速度1200 r/min：750kW，基速600r/min，最高速度1400 r/min。高线生产工艺要求电机转速需要非常宽的调速范围要求，因此在轧钢生产中，调压调速和弱磁调速均需要用到。
上段已说到，直流电机的调速方式有两个阶段，第一阶段是全磁通条件下，改变电枢电压，电枢电压范围是零至额定电压，速度为零速至额定速度；如进一步提升速度，需要减小励磁，即减少励磁电流，那么电枢磁通逐渐减少，速度即进一步提升，在全磁通条件下，额定电压下的电机速度叫做基速，需要在增速，需要减少励磁电流，即弱磁调速。
以650KW电机为例，需要注意，速度调节器的比例环节系数P需要随电动势的减小而增大。电动势调节器的比例环节系数需要随着速度的增加而减小。
当电机运行速度在基速的95%以下时，即570r/min，电枢处于全磁通状态下，速度调节器比例环节系数P取值较小，系统机械特性较软，能够满足生产工艺和设备运行要求。
当电机运行速度超过基速的95%和超过基速，即大于570r/min并逐渐增大至1400r/min，在超过基速时，即大于600 r/min，电机进行弱磁调速，电枢磁通需要逐渐减少，此时速度调节器比例环节系数P需要逐渐增大，增强系统机械特性以弥补电枢磁通减少引起的转矩减小。这样，通过在不同调速阶段下，调节速度调节器的比例环节系数P，可以满足宽范围的调速，满足生产工艺要求。
（五）PLC对直流电机的通讯与控制
直流电机电枢电压调节是通过外部晶闸管导通角进行调压，励磁调节通过6RA70控制箱调节内部晶闸管导通角来调节励磁电流，控制全部由6RA70控制箱内部控制板卡进行控制，控制参数存储于内部控制模块内，CUD1板上连接开关量和编码器信号对电机进行急停快停等控制及采集速度信号。
CUD1板上的CBP2通讯板通过Profibus-DP网络连接PLC，实现直流调试装置与PLC相互通讯，电机的合分闸信号、故障报警、实际速度和实际电流均通过此方式通讯，以达到对直流电机的控制。
三、结语
宣钢高速线材生产线充分利用西门子自动化设备在自动化控制方面的优良特性，结合西门子可编程逻辑控件PLC与配套的step7编程软件和可视化软件WINCC，设计应用了一套比较完善的自动调速系统，在轧钢生产过程中取得了优良的效果。
关键词：6RA70；直流调速装置；闭环控制；弱磁控制
一、概述
宣钢高速线材生产线是一条全连轧热轧生产线，其主要产品为Φ5mm～Φ12mm盘条和盘螺。直流传动系统的构成：宣钢高速线材轧机主传动（从粗轧至预精轧共18架轧机）及部分辅传动（包括飞剪、吐丝机等）使用西门子6RA70 SIMOREG？DC？MASTER直流调速系统。
控制系统采用西门子S7-400 PLC，采用三级控制系统和两层通讯网络的模式，三级控制系统包括人机界面（西门子WINCC画面）、控制单元（PLC）和远程执行单元（包括PLC远程站、交直流调速装置等），两层通讯网络包括工业以太网和Profibus-DP网络。直流调速系统通过Profibus-DP网络连接PLC，完成直流调速系统的控制。
二、直流电机调速控制
直流主电机的调速控包括：
（一）设定速度给定
电机启动时能够进行平稳加速控制，调速系统由远程和本地两种方式设定。本地设定通过在PMU操作面板选择P401参数进行电机给定设置，用于电机调试运行；远程操作通过PROFIBUS-DP写入PLC中给定的控制字，写入调速装置中，从而完成对电机速度的设定。电机的速度设定值的100%为直流电机的最大速度，速度给定为线性斜坡，可以使得电机平稳的启动。
在电机调速控制时，系统可进行手动人工干预功能，在允许范围可以使用手动给定干预进行调速。例如在轧钢过程中，主操作人员使用调速杆对轧钢系统进行级联调速以满足正常的榨汁需求。
（二）直流电机速度反馈
直流电机的实际运行速度可使用电机后轴的速度编码器获取。脉冲编码器测速精度高，在电机运行过程中，每转一圈发出1024个脉冲信号（轧机为1024个脉冲，飞剪为2048个脉冲）。脉冲信号接入6RA70装置的CUD1板，系统进行处理、转换、运算，将此信号反馈到速度调节器进行比较运算，构成调速系统的双闭环外环控制。
（三）直流电机速度调节
该系统内为速度负反馈三相全控桥式晶闸管直流调速系统，主回路是正、反两组桥式电路，控制系统为电流环为内环、速度环为外环的双闭环负反馈控制。在调速过程中，电机低速运行时，为调压控制，调节电枢电压，电枢电压越大，速度越大，此时电枢电压与速度成正比；当电压无法继续增大时，调节励磁电流，励磁电流越小，速度越大，此时励磁电流与速度成反比，进入高速运行状态。速度环调节使用PI调节器（P为比例环节，I为积分环节），作用是实现速度稳态无静差调节。电流环调节同样使用PI调节器，为抑制系统电流电压波动，对过电流起到自保护作用。
1ACR为桥式电路正组晶闸管的门极触发，2ACR为桥式电路反组晶闸管的门极触发。系统使用1ACR的给定信号Ui1取反后作为2ACR的给定信号-Ui1，使得Ui1极性在正向和反向时均不变化，因此避免使用了反极性的电流检测器。该系统和核心部件包括一个无环流逻辑控制器DLC，它可以确保系统在正、反组桥导通切换过程中，不使两组晶闸管同时出发导通，即在一组晶闸管导通时，另一组晶闸管自动封锁，这样确保了系统无环流情况，避免出现短路放炮情况。
除上述的速度、电流调节器、无环流逻辑控制器DLC，还包括下列重要的控制单元，即ON/OFF控制单元、使能控制单元、给定值单元、斜坡发生器、电流限幅，以及励磁控制PI调节器、限幅单元等。
（四）直流电机弱磁控制
宣钢高线轧机主电机有三种型号规格，分别是550kW，基速800r/min，最高速度1200 r/min ；650 kW，基速600 r/min，最高速度1200 r/min：750kW，基速600r/min，最高速度1400 r/min。高线生产工艺要求电机转速需要非常宽的调速范围要求，因此在轧钢生产中，调压调速和弱磁调速均需要用到。
上段已说到，直流电机的调速方式有两个阶段，第一阶段是全磁通条件下，改变电枢电压，电枢电压范围是零至额定电压，速度为零速至额定速度；如进一步提升速度，需要减小励磁，即减少励磁电流，那么电枢磁通逐渐减少，速度即进一步提升，在全磁通条件下，额定电压下的电机速度叫做基速，需要在增速，需要减少励磁电流，即弱磁调速。
以650KW电机为例，需要注意，速度调节器的比例环节系数P需要随电动势的减小而增大。电动势调节器的比例环节系数需要随着速度的增加而减小。
当电机运行速度在基速的95%以下时，即570r/min，电枢处于全磁通状态下，速度调节器比例环节系数P取值较小，系统机械特性较软，能够满足生产工艺和设备运行要求。
当电机运行速度超过基速的95%和超过基速，即大于570r/min并逐渐增大至1400r/min，在超过基速时，即大于600 r/min，电机进行弱磁调速，电枢磁通需要逐渐减少，此时速度调节器比例环节系数P需要逐渐增大，增强系统机械特性以弥补电枢磁通减少引起的转矩减小。这样，通过在不同调速阶段下，调节速度调节器的比例环节系数P，可以满足宽范围的调速，满足生产工艺要求。
（五）PLC对直流电机的通讯与控制
直流电机电枢电压调节是通过外部晶闸管导通角进行调压，励磁调节通过6RA70控制箱调节内部晶闸管导通角来调节励磁电流，控制全部由6RA70控制箱内部控制板卡进行控制，控制参数存储于内部控制模块内，CUD1板上连接开关量和编码器信号对电机进行急停快停等控制及采集速度信号。
CUD1板上的CBP2通讯板通过Profibus-DP网络连接PLC，实现直流调试装置与PLC相互通讯，电机的合分闸信号、故障报警、实际速度和实际电流均通过此方式通讯，以达到对直流电机的控制。
三、结语
宣钢高速线材生产线充分利用西门子自动化设备在自动化控制方面的优良特性，结合西门子可编程逻辑控件PLC与配套的step7编程软件和可视化软件WINCC，设计应用了一套比较完善的自动调速系统，在轧钢生产过程中取得了优良的效果。