基于科瑞艾特590直流调速器的12米龙门刨床自动化改造方案

科瑞艾特590直流调速器在12米龙门刨床自动化改造中的应用

 某机械制造厂的一台服役近四十年的老式龙门刨床，在电气系统全面升级后，不仅实现了全自动运行，生产效率提升35%，每年还节省电费支出近十万元。

## 1 引言

龙门刨床作为重型机械加工的关键设备，其工作台拖动系统的性能直接影响加工精度和效率。传统龙门刨床普遍采用交磁扩大机控制的

直流发电机组（K-F-D系统）传动方案，存在**调速范围窄、能耗高、故障频繁**等突出问题。

经过长期运行后，系统元件老化严重，导致维护成本剧增，加工精度难以保证。

随着**全数字直流调速技术**和**工业通信技术**的快速发展，采用高性能直流调速器与PLC协同控制的改造方案成为解决这些问题的理想途径。

昆山科瑞艾特电气有限公司生产的**32位处理器590直流调速器**，支持ProfiNet通信，结合西门子PLC系统，为龙门刨床的自动化改造提供了可靠的技术平台。

## 2 系统总体设计

### 2.1 改造方案架构

本方案针对12米行程龙门刨床进行电气系统升级，核心目标是实现**工作台全自动运行**、**精准减速定位**和**能耗智能监控**。系统采用三层网络架构：

- **控制层**：西门子SMART-200系列PLC（CPU ST60）作为主控制器，负责逻辑控制和运动管理

- **驱动层**：科瑞艾特590P系列四象限直流调速器（CT-590P/400A）驱动Z2-101型110kW直流电动机

- **监控层**：昆仑通态10英寸物联网触摸屏（TPC7032KT）提供人机交互界面

系统通过**ProfiNet工业总线**实现数据通信，所有控制指令和状态监测均通过数字通讯完成，摒弃了传统的模拟量信号和继电器控制线路。

### 2.2 工作流程创新

改造后的刨床工作台运行采用**智能速度曲线控制**，实现加工过程的全自动化：

1. **启动加速**：工作台从静止加速至预设切削速度（通常60-80m/min）

2. **稳定切削**：刀具切入工件后保持恒定速度运行

3. **减速准备**：编码器检测到接近减速点时，启动两级减速过程

4. **低速换向**：工作台以低速（15m/min）到达行程终点，平稳换向

5. **返回加速**：快速返回至起始位置，准备下一循环

整个过程通过PLC程序自动控制，无需人工干预，且切削速度和行程参数可根据不同工件灵活调整。

## 3 硬件选型与配置

### 3.1 核心驱动单元

科瑞艾特590P系列全数字直流调速器是本系统的核心驱动装置，具有以下技术特点：

- **32位ARM处理器**：高速运算能力，电流环响应时间<3.3ms

- **四象限运行**：内置反并联晶闸管实现能量回馈制动

- **全数字通信**：集成ProfiNet通信接口，支持实时数据传输

- **自适应PID控制**：自动优化调速性能，适应负载变化

调速器额定电流400A，配套Z2-101直流电动机（110kW，440V，1000rpm），完全满足12米龙门刨床的动力需求。

*表：主要电气元件选型清单*

| **设备名称** | **型号规格** | **数量** | **功能说明** |

|------------|------------|---------|------------|

| **直流调速器** | 科瑞艾特590P/400A | 1台 | 主电机驱动 |

| **PLC系统** | 西门子SMART200 ST60 | 1套 | 主控制器 |

| **HMI触摸屏** | 昆仑通态TPC7032KT | 1台 | 人机界面 |

| **旋转编码器** | OMRON E6C2-CWZ6C 1024PPR | 2只 | 位置检测 |

| **接近开关** | PNP NO型 DC24V | 4只 | 限位保护 |

### 3.2 位置检测系统

为实现**精准减速控制**，系统安装了两套高精度旋转编码器：

1. **行程测量编码器**：安装在减速齿轮箱输出轴，分辨率1024PPR，通过计算脉冲数精确测量工作台位置

2. **速度反馈编码器**：与电机同轴连接，提供实时速度信号给590调速器构成闭环控制

前后极限位置各设置两个**无触点接近开关**：一级减速开关（预减速点）和极限停止开关（硬限位）。相比传统的机械限位装置，

这种设计大幅提高了可靠性，消除了机械碰撞故障。

## 4 ProfiNet通讯系统实现

### 4.1 网络拓扑结构

系统采用**线性网络拓扑**，通讯配置如下：

1. **PLC**作为ProfiNet控制器，集成PN接口

2. **590调速器**通过PN通讯板接入网络（昆山科瑞艾特专用扩展板）

3. **触摸屏**通过以太网交换机与PLC通信

通讯板安装于590调速器控制基板的左下方，配置六个状态指示灯和双网口设计，支持**设备级环网冗余**（需启用MRP协议）。

### 4.2 硬件组态与GSD导入

1. **分配设备名称**：使用科瑞艾特配置软件将通讯板默认名称修改为“Drive01”

2. **IP地址设定**：固定IP为192.168.1.22（与PLC 192.168.1.10同网段）

3. **生成GSD文件**：在配置软件中生成设备专用GSDML文件

4. **博途软件导入**：在TIA Portal V17中安装GSD文件，添加设备到硬件目录

5. **硬件组态**：将Drive01从硬件目录拖至ProfiNet网络，建立设备连接

### 4.3 I/O地址映射

PLC与调速器之间建立**32字节输入/32字节输出**的通信区，关键信号映射如下：

- **QW0**：速度给定值（-20000~+20000对应-100%~+100%）

- **QW2**：启停命令（Bit0：使能；Bit1：运行）

- **IW0**：实际转速（百分比）

- **IW2**：电枢电压（0.1%分辨率）

- **IW4**：电枢电流（0.1%分辨率）

- **IW6**：励磁电流（0.1%分辨率）

*表：ProfiNet通讯关键信号映射*

| **PLC地址** | **数据长度** | **590参数** | **功能说明** |

|------------|------------|------------|------------|

| **QW0** | INT | 速度给定 | -20000~20000对应±100% |

| **QW2** | WORD | 控制字 | 启停命令/故障复位 |

| **IW0** | INT | 实际转速 | 百分比形式 |

| **IW2** | INT | 电枢电压 | 实际电压百分比 |

| **IW4** | INT | 电枢电流 | 实际电流百分比 |

| **IW6** | INT | 励磁电流 | 实际电流百分比 |

## 5 PLC程序设计与触摸屏组态

### 5.1 自动运行控制逻辑

西门子S7-200 SMART PLC编程采用**模块化结构**，主要功能块包括：

- **速度曲线生成**：根据当前位置动态计算速度给定值

- **减速点计算**：实时比较位置与预设减速距离

- **自动换向逻辑**：极限位置自动切换方向

- **故障处理**：多重保护连锁

// 减速点判断示例程序

IF 当前位置 < 减速点1距离 THEN

    速度给定 = 预设高速;

ELSIF 当前位置 < 减速点2距离 THEN

    速度给定 = 预设中速;

ELSE

    速度给定 = 预设低速;

END_IF;

```

### 5.2 编码器位置处理

工作台位置通过**高速计数器**（HSC0）实时采集编码器脉冲，计算关系：

**实际位置（mm） = 脉冲数 × 减速比 × 丝杠导程 / 编码器分辨率**

在触摸屏设置参数界面中，操作员可输入**减速距离**（通常设定为1200-1500mm），PLC据此自动计算减速点位置。

### 5.3 昆仑通态触摸屏组态

物联网触摸屏主要组态界面包括：

1. **运行监控**：实时显示速度曲线、电流电压趋势、位置坐标

2. **参数设定**：切削速度、返回速度、减速距离等工艺参数

3. **设备状态**：调速器运行数据、I/O状态、报警信息

4. **数据记录**：生产统计、能耗分析、报警历史

通过**Modbus TCP协议**与PLC通信，关键变量如电枢电流、电枢电压、励磁参数等均通过ProfiNet网络从调速器获取，实现**双重网络数据集成**。

## 6 系统调试与参数优化

### 6.1 590调速器基本设置

科瑞艾特590调速器需进行关键参数配置：

1. **励磁控制**：`FLD.CTRL MODE = CURRENT CONTROL`（电流控制模式）

2. **速度反馈**：`SPEED FBK SELECT = ENCODER`（编码器反馈）

3. **编码器参数**：`ENCODER LINES = 1024`，`ENCODER RPM = 1000`

4. **通讯设置**：`PN ADDRESS = 192.168.1.22`，`DEVICE NAME = Drive01`

// 590调速器关键参数设置路径

SETUP PARAMETERS → FIELD CONTROL → FLD.CTRL MODE = CURRENT CONTROL

SETUP PARAMETERS → SPEED LOOP → SPEED FBK SELECT = ENCODER

CALIBRATION → ENCODER LINES = 1024

CALIBRATION → ENCODER RPM = 1000

```

### 6.2 自动调节与优化步骤

**电机参数自整定**是调试关键环节，必须严格执行：

1. 固定电机轴，防止意外转动

2. 进入`CURRENT LOOP → AUTOTUNE`菜单，设为ON

3. 10秒内启动调速器（RUN指示灯闪烁）

4. 保持零速给定，不发送停止信号

5. 约30秒后自整定完成，自动存储参数

6. **手动保存参数**：`PARAMETER SAVE → 确认`

### 6.3 减速定位精度校准

减速点定位精度直接影响加工质量和设备安全，校准步骤：

1. 工作台手动运行至理想减速位置，记录编码器值

2. 在触摸屏参数页面输入此值作为“减速距离”

3. 自动模式下低速测试减速动作

4. 微调减速距离参数，确保在目标位置准确减速

5. 重复测试三次以上，确认重复定位误差<2mm

### 6.4 常见问题处理

- **通讯中断**：检查设备名称/IP一致性；确认GSD文件版本匹配

- **速度波动**：检查编码器接线；优化速度环PI参数（Pn221，Pn222）

- **过电流报警**：检查电流环自整定是否完成；确认电枢回路无短路

- **定位偏差**：检查编码器联轴节紧固；确认减速比参数正确

## 7 改造效果分析

### 7.1 技术性能提升

相比传统直流发电机组系统，改造后设备性能显著提升：

- **调速范围扩大**：从1：20提高到1：100，满足精细加工需求

- **速度控制精度**：稳态精度从±1%提升到±0.1%（编码器反馈）

- **响应速度**：电流环响应时间<10ms，速度环<50ms

- **定位精度**：重复定位误差<2mm，满足精密加工要求。

### 7.2 节能效益显著

根据同类设备实测数据，改造后能耗显著降低：

- **有功节电**：3300KWh/月（年节电约4万度）

- **无功节电**：16680Kvarh/月（降低变压器负荷）

- **年节电费**：按0.8元/度计算，年节约3.2万元以上

- **投资回收期**：约2-3年（总改造费用约8万元）

### 7.3 维护成本降低

- **故障率降低**：减少继电器、接触器等易损元件

- **诊断能力增强**：实时显示故障信息，缩短维修时间

- **备件简化**：淘汰直流发电机组、交磁扩大机等老旧设备

- **噪音改善**：机组噪音从>85dB降至<65dB，改善工作环境

## 结束语

昆山科瑞艾特590P直流调速器结合西门子PLC系统在12米龙门刨床改造中的成功应用，体现了**现代工业控制技术**对传统设备升级的强大赋能作用。

方案充分发挥了**ProfiNet通信优势**和**全数字控制技术**，实现了设备的高精度、自动化、信息化运行。

改造后的龙门刨床不仅加工精度和效率显著提升，能源消耗大幅降低，其**物联网功能**还为未来接入智能工厂系统奠定了基础。

该方案可推广至各类大型机床设备的改造升级，为制造企业提供了一条**投资少、见效快**的技术改造路径。

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