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6RA70全数字调速系统的分析
师红吉
摘要：文章概述了SIEMENS公司的6RA70直流调速装置的硬件及软件原理，对部分硬件电路进行了细致的分析。
关键词：6RA70装置硬件原理 软件原理 直流调速原理
1．概述
自从20世纪80年代中后期，德国Siemens公司推出SIMOREG K 6RA22以来，到现在又相继推出了6RA23、6RA24和6RA70。他们的共同特点是采用单片机开、闭环控制、逻辑运算、故障诊断、参数设置、状态故障显示。当在主机板上加上扩展模板时，则可实现与其他自动化系统的通讯能力，或完成特殊的控制能力。6RA24采用的是Intel的16位单片机80C97,6RA23采用的是Intel的16位单片机80C196KC。由于单片机本身的性能没有太大的改进，6RA23与6RA24基本相同，如同步信号取自控制回路，因此要求控制回路相序与主回路相序要严格一致，这样在现场调试中就很不方便。另外，从严格意义上讲，6RA24和6RA23并不完全是全数字装置。因为6RA22的励磁电流控制环是模拟线路，而6RA23的励磁是不可控的，这主要是单片机性能的原因。6RA70采用的时Siemens公司自身开发的单片机80C166,它的性能要比Intel80C196KC高的多，因此，6RA70装置无论在性能和功能方面都比6RA24、6RA23有了很大的提高。特别是在6RA70种，同步信号取自主回路，这样主回路相序与控制回路相序就没有关系了，随便怎么接都可以。6RA70采用的是C166家族的80C167和80C163，他的性能与6RA24基本一样，当功能更多些。由于工作的原因，作者对以上几种装置的软件和硬件都有深刻的了解，下面主要对6RA70装置作些分析。
2．单片机系统线路
8066是16位单片机，它是C166系列的一种，最高时钟为40MHZ，它执行指令采用4阶段管道方式（4-Stage Pipeline）。即每条指令的执行分4个阶段，每个阶段的执行时间为一个指令周期，但同一时刻可以执行4条指令，这4条指令处于不同阶段。因此从表面看，每条指令的执行，仅需一个指令周期。在CPU的频率为20MHZ时，每个指令周期为100ns。80C166具有32个中断源，16级中断。另外，80C166集成有10路A/D转换，启动一次可以把10路A/D转换都执行完，并保存在指定的存储区内，期间几乎不需要CPU的干预，这主要得益于它的PEC（Peripheral Eent Controller）。80C166还集成有16路捕获/比较单元，2个多功能的通用定时器，2个串口（USART）等等。P0口16根地址线，使80C166的最大寻址空间为256K。P5口除了作为A/D转换的模拟输入口以外，也可以作为普通的双向口，在本装置中，主要用于主回路的交流线电压、直流侧电压、电枢电流、测速机反馈和励磁回路线电压的模拟输入。P1口为双向口，作为开关量的输入输出。P2口为捕捉/比较单元的输入输出，在本装置中，用于主回路脉冲和励磁回路脉冲的输出。专用芯片主要处理码盘反馈，高精度A/D转换和开关量输入等。框图如图1。

图1 单片机系统单线图
3．软件功能概述
6RA70软件不仅实现了调速装置的所有调节功能，而且有大量辅助功能、提供了极佳的用户界面、极强的自适应和扩展能力。与6RA24、6RA23装置软件比较，软件整体结构大致一样，主要有主循环和中断各部分组成，其中中断程序又分成电枢回路中断和励磁回路中断程序。
3．1主循环
图2中主循环体每20ms执行一次，它完成了所有的辅助功能。其中系统初始化，包括对一些临时变量区清零，以50HZ电网的假设对一些变量赋初值，检测EEPROM等等。
图2 主循环框图
子程序集包括：检测EEPROM,比较RAM是否与EEPROM区相等；串口通讯；键盘，显示及恢复出厂值；P参数刷新；电机接口；故障检测；优化设定；功率部分I2t监视；串口PKW处理；双端口RAM PKW处理；磁场反向控制。
3．2中断程序
电枢电路中断控制程序循环时间为电网周期的1/6，励磁回路中断控制程序循环时间为电网周期的二分之一，其中A/D转换的首次起动是在电枢回路中断程序中完成的。以后每0.25ms循环一次。
电枢回路中断程序包括：存储跟踪信号；开关量输出；模拟量输出；优化；码盘反馈；双端口RAM PZD处理；自由功能快；工艺调节器；电动电位器；斜坡函数发生器；模拟量输入；串口PZD处理；开关量输入；速度调节器；电流调节器；电流预控；脉冲形成。
励磁回路中断程序包括：EMF的预控；EMF调节器；励磁电流调节器；励磁电流预控；脉冲形成。
3．3同步实现
同步信号检测入图3，图中U、V、W三相进线室通过脉冲变压器与主回路连接的。线电压UV经过差分放大器N1衰减再加上一个偏置电压后，输入到80C166的P5.6端进行A/D交换。A/D采样周期为0.25ms，这样对于50HZ工频电网，一个周期内采样80次，因此数字量完全可以真实的反映电网的变化情况，通过A/D变换得到的数字量再减去一个恒定的数字偏置值就得到了UV、VW线电压的真正数字值。比较本次采样值与上次采样值的符号，以便求出电网的实际电压有效值，用于欠压、过压以及电流预控中使用。如果符号不同，说明在上次采样与本次采样之间线电压经过了过零点，根据上次采样的时间、数值大小、以及本次采样的时间、数值大小，用线性插值的方法就可以求出电压过零点的时刻。

图3 同步信号检测
如果本次采样值为正，说明此过零点为从负到正，反之为从正到负。这样就求出了UV、VW4个过零点。根据UV+ VW+WU=0，因此WU=－（UV+ VW），可以求出WU的2个过零点。这样在一个周期内的6个过零点就都求得了。
如图4为电网电压A、B、C与装置的端子1U、1V、1W连接时各过零点的情况，图5为电网电压A、C、B与装置的端子1U、1V、1W连接时，各过零点的情况，其中5806H、5808H、580AH、580CH、580EH、5810H为保存各个过零点时刻的内存单元。考虑到α=0点落后过零点60º，减去60º就得到了α=0的时刻，然后加上电流调节器输出的值就求得了各个脉冲的触发时刻。另外通过比较UV、VW的过零点时刻的先后，可以判断主回路接入的是正相序还是负相序。当为正相序时，P2.8=L；当为负相序时，P2.8=H.

3．4脉冲合成
6RA70装置与6RA24、6RA23装置不同，单片机输出的并不是用于触发晶闸管的脉冲信号，而是一些周期变化的信号和开关量信号，这些信号经过GAL逻辑运算才生成脉冲触发信号。
3．5故障查询和故障指示
当出现一个故障或报警信息时，他将在简易操作控制面板（PMU）和舒适型操作控制面板OP1S上显示。在PMU上显示F加三个数字，红色LED（故障）亮；在OP1S上显示在工作下一行，红色LED（故障）亮。它总是显示一个现实的故障信息，而其他同时存在的故障信息被覆盖，多个故障信息仅在一定的工作状态下被激活。
当出现一个故障信息后，系统做出如下响应：电枢回路电流减小，触发脉冲被封锁且SIMOREG进入工作状态o11.0（故障）。
在操作面板上显示故障信息
B0106置位且抹去B0107
自行修改内部变量，如r047、r049、r947、r949等等
在报警原因消失后，报警信息立即终止，但是在故障原因消失后，必须按下PMU上的P键或OP1S上的复位键（面板处于“工作显示”状态）消除故障信息。
关于故障原因更详细的内容可在参数r047中查到。在r047.001中的值称为“故障值”。它存贮在r949中，它也包含属于老故障信息的故障值。当发生下一个故障信息时，在r047中的值重写。当r047的值没有包含在表中时，SIEMENS专家能帮助你找出故障原因。为此，每当发生一个故障信息，甚至如果参数r047的各变址的意义不能说明下表每个故障信息意义时，r047参数的所有变址应被读出。所以遇到任何故障信息时要注意参数r047所有变址内容。
4．6RA70直流装置简要调试步骤
4．1系统设定值复位及偏差调整
用PMU执行功能P051= 21（P051=22偏差调整同时进行）,或在PC中调用缺省的工厂设置参数构成基本参数文件,凡是下文中未提到的参数都利用缺省参数,参数值见手册，用P052=0显示那些与初始工厂设置不同的参数。
合上装置控制电源执行功能P051=22,偏差调整开始,参数P825.II被设置。
上述两步在合上装置控制电源的情况下即可完成。
4．2整流装置参数设定
P075= 2 整流器电枢电流被限制在 P077*1.5*整流器额定直流电流,当电枢电流达到允许值时,故障F039被激活,本参数根据电机额定参数值和使用工况,从保护装置过载的角度出发进行设置.
P078.01= 630V主回路进线交流电压,作为判断电压故障的基准值
P078.02= 380V，励磁进线电压作为欠压或过压的判断门槛电压,相关参数见P351,P352,,P361-P364.
4．3电机参数设定
P100(F)= 额定电动机电枢电流(A)
P101(F)=额定电动机电枢电压(V)
P102(F)= 额定电动机励磁电流(A)
P103(F)=最小电机励磁电流(A),必须 小于P102的50%.在弱磁调速场合,一般设定到防止失磁的数值.
P110(F)= 电枢回路电阻(Ω),由优化过程自动设定
P111(F)=电枢回路电感(MH), 由优化过程自动设定
P112(F)=励磁回路电阻(Ω), 由优化过程自动设定
P114(F)=电动机热时间系数(MIN),根据本参数和P100参数对电动机进行热过载保护.当电机温升达到报警曲线值时触发A037报警,当温升达到故障报警曲线值时触发F037故障,缺省值10MIN.
P115(F)= 电枢反馈时,最大速度时的EMF(%),以整流器进线标准电压(R078)为基准,设置时应考虑进线电压实际值等各种参数影响.P115= EMF额定值/R078(见功能图,缺省值100),EMF额定值=P101-P100*P110
P117(F)=1 励磁特性优化有效,优化完后置1.
P118(F)=额定EMF(V),EMF额定值=P101-P100*P110
P119(F)=额定速度(%)
P118,P119是在励磁减弱优化过程中P051=27设置的,当由于 P100,P101,P110参数发生变化后,弱磁点也随着变化,不在是P118,实际额定速度=P119*实际额定EMF/P118.当P102变化时,励磁减弱优化重做.
4.4实际速度检测参数设定
P083(F)=实际速度反馈选择当
当P083=1 (模拟测速机) 时为P741参数值
当 P083=2 (脉冲编码器) 时为P143参数值
当 P083=3 (电枢反馈) 时为P115参数值所对应的速度
当 P083=4 速度实际值自由连接.
P140=0或1， 脉冲编码器类型1,两通道互差90度,有/没有零标志，未对编码器波形进行校验前电枢反馈P083=3时，令其为零；编码器反馈时P083=2，令其为“1”。
P141=1024 脉冲编码器每转脉冲数
P142=1 15V电源供电
P143(F)=编码器反馈时最高的运行速度(转/分钟)
P148(F)=1 使能编码器监视有效(F048故障有效)
4．5励磁功能参数设定
P081=0 恒磁运行方式
P081=1 弱磁运行方式(必须在弱磁优化后设置)
P082=2 达到运行状态>07后,经过P258的延时,输出经济励磁电流P257.
P082=3 励磁持续有效
P257(F)= 0 (%P102) 停机励磁
P615.02= 401
P401= -3（降低3%*P078*1.35的设定电压）
上述两个参数设置是当电网电压降低较大时，通过降低反电势设定，保证电机获得足够的电枢电流。
4．6限幅值参数设定
P642.01-04= 100 % 主设定点速度限幅
P091=100%斜坡给定阈值
P169=0, P170=0 带电流限幅的闭环电流控制
P169=0, P170=1 带转矩限幅的闭环转矩控制
P605.01~04=1
P171= 100%，150%(P100为基值) ,P172=-100，-150%(P100为基值)电流限幅
4．7斜坡函数发生器相关参数设定
P303.01(F)= 10 S P303.02(F)= 2S
P304.01(F)= 10S P304.02(F)= 2S
P305.01(F)=0.5S P305.02(F) = 0S
P306.01(F) = 0.5S P306.02(F)=0S
上述参数对斜坡参数组1进行设定,规定了由0速到最高速的时间10S,过度圆弧时间0.5S.
4．8辅助功能参数设定
P053.01=1 P053.02=0参数存贮在EPROM,过程数据不存贮(只能用PMU进行设定)
P373(F)=1%(转速大于1%时状态字bit10 为1)
P374(F)=0.5%(回环宽度)
P375(F)=0.1S(延迟时间)
P370(F)=1%速度小于1%时定义N<NMIN
P675(B)=P686=P688(B)=P689(B)=1禁止外部故障和报警1,2
P701=100%，P702=OFFSET两个参数是对模拟量主给定口的设置
P771=106设置开关量输出口1为装置故障状态输出
P750=167，P753=8.3V，P754=OFFSET，设置模拟量输出1作为速度表指示(0-+/-1500RPM)
P820.01-06= 0 可将缺省的被禁止的故障功能使能
P820.07= 21, P820.08=22,P821.01=21,P821.02=22解除外部报警和外部故障1,2
4．9检查只读参数
R001： 主调节板CUD1端子4，5输入的速度给定，检查0-+/-10V可变电阻选纽接线。参数取值-100%，+100%
R010：开关量输入状态， 0-6位对应36-42端子状态，12位对应ESTOP信号
R011：开关量输出状态，第0位代表46端子重故障，第7位代表109/110端子和闸信号
R015：实际电枢进线电压630V，应在允许值范围内
R016：实际励磁进线电压，应在允许值范围内
R017：实际进线频率，应在允许值范围内
R038：实际电枢直流电压，装置未解封状态其值应接近为0。
R039：EMF给定值，等于P101-P100*P110
5．优化
5．1电枢和励磁电流环优化
将励磁,控制,风机电源投入
装置内控状态下在PMU上选择P051=25
整流装置进入07.0或07.1状态等待操作柜门上选择关输入合闸命令和解封命令
当装置状态<01.0时,执行优化运行开始,优化过程要保证电机锁死，优化运行结束时,驱动装置回到07.2状态.整个过程大约40S。电流限幅将不起作用,电流峰值与电机额定电流有关.
以下参数自动被设置：
P110 P111：电枢回路电阻，电感
P112：励磁回路电阻
P155 P156：电枢电流调节器P，I增益
P255 P256：励磁电流调节器P，I增益
P826:自然换相时间的校正
电枢反馈P083=3的情况下做速度环优化，且P140=0，P081=0。
将励磁,控制,风机电源投入
装置内控状态下在PMU上选择P051=26
整流装置进入07.0或07.1状态等待操作柜门上选择关输入合闸命令和解封命令
当装置状态<01.0时,执行优化运行开始,优化运行结束时,驱动装置回到07.2状态.整个过程大约6S。电机以45%的额定电枢电流加速,达到20%的最大电机速度.
优化之前应先设置P200速调的实际滤波参数,速调优化运行将参数P228(惯性滤波时间)设置成与P226(速调积分时间)相同,另优化得到P225(速调增益).
这种优化在编码器反馈,且带上机械负载后必须重新做(因为最高转速值有大的变化),选择电枢反馈方式优化结果不满足实际运行需要!!
5．2编码器方式切换
在电枢反馈方式下启动电机，检查编码器脉冲信号,保证正向速度给定与实际轧制方向一致.
编码器脉冲信号正常的情况下，停车后修改P083=2，P140=1，P143=电机基速，做编码器反馈方式下恒磁速度环优化。
5．3励磁电流调整
启动电机，运行至20%，50%，80%的速度，观察R038（电枢电压），R037（EMF实际值显示）
根据理论计算值与实际值比较，调整P102参数，完成励磁电流的标定。
5．4励磁特性优化
令P143=电机最高转速，P051=27进行弱磁优化运行，记录优化结果。
令P081=1选择EMF控制下的励磁减弱运行，P169=0，P170=1选择转矩限幅和转矩控制。
启动电机至高速，检查P038，P019，P024是否稳定.
5．5带机械速度环优化和调整
内外控参数的设置
执行P055=112，P057=112，将1#参数组参数拷贝到2#参数组，选择内外控观察R056，R058参数组选择情况
P648.01(B)= 9, P648.02(B)= 3001内外控时控制字的选择
P649.01(B)=9, P649.02(B)= 9
P676.01(B)=P676.02(B)=17用开关量输入端子39作为功能数据组FDS选择,内控状态选择1#组,外控状态选择2#组,P677=0.
P690.01(B)=P690.02(B)= 17用开关量输入端子39作为功能数据组BDS选择,内控状态选择1#组,外控状态选择2#组.
P644.01(F)=11, P644.02(F)=3002内外控速度给定选择
P641.01(B)=P641.02(B)=17用开关量输入端子39作为选择斜坡函数发生器旁路与否,内控状态选择1#组,外控状态选择2#组.或令P641.01=0， P641.02=1
6．PROFIBUS网卡(CBP)参数设定
CBP板是小板,附着在ADB板上,CB1板是大板,直接插在电子箱内,二者都可完成PROFIBUS通讯功能.对于CB1,PC机需要数据文件SIEM8022.GSD;对于CBP,需要数据文件SIEM8045.GSD.
U710.01=U710.02=0
通讯站号地址设定,PLC对应同样站地址
P918=3（+C01）, 4（+C02），5（+C03），6（+C04）,7(+C05), 8(+C06), 9(+C07), 10(+C08), 11(+C09), 12(+C10), 13(+C11), 14(+C12), 15(+C13), 16(+C14), 17(+C15), 18(+C16), 19(+C17), 20(+C18), 21(+C20), 22(+C21), 23(+C22).
U711=0
U712= 2 定义通讯字类型为 4PKW+6PZD
U722=10 延迟10ms通讯报警F082
P927=7 (CBP+PMU控制+G-SST1串行接口和OP1S)
7.网络通讯字内容设定
7．1PLC到传动的信号
Word 1-4 作为PKW参数使用,无意义
Word 5 控制字 P648.02=3001 (K3001)
Word 6 速度给定P644.02=3002 (K3002)
Word 7电流/力矩正向限幅值 (吐丝机前夹送辊用+C20) P605=3003 (K3003)
Word8- Word10=0不用
7．2传动到PLC的信号
Word 1-4 作为PKW参数使用,无意义
Word 5 状态字1
Word 6 传动的数字输入
Word 7 传动的速度反馈
Word 8 传动的实际电流反馈
Word 9 传动的实际转矩反馈
Word 10当前故障码
7．3 6RA70通讯设定
P648.02=3001(控制字来自CBP的第一个字)
P644.02=3002(速度给定来自CBP的第二个字)
U734.01=32状态字1
U734.02=20传动的数字输入
U734.03=167传动的速度反馈
U734.04=117传动的实际电流反馈
U734.05=142传动的实际转矩反馈
U734.06=9811当前故障码
7．4与PLC编程相关的三个信号的解释
传动到PLC信号WORD6的传动数字输入K20状态说明（R010显示）：
BIT1：37端子状态，为“1”是远程和闸的必要条件
BIT2：38端子状态，为“1”是运行使能的必要条件
BIT3：39端子状态，为“1”是内控状态
BIT4：40端子状态，为“0”是SPD快熔轻故障
BIT5：41端子状态，为“0”是风机未和闸轻故障
BIT6：42端子状态，为“1”是装置外围准备好状态，作为开车允许条件，电机运行后可忽略本位状态，只作为轻故障报警。
BIT7：（只对+C20，+C21，+C22起作用；+C01-+C18无作用。）43端子状态，为“0”是电枢回路快熔熔断，作为装置重故障连锁和报警。
BIT0，BIT8-BIT15：无意义
BIT4-6作为HMI轻故障报警.
BIT0-BIT15 对应PLC %R的1-16位
PLC到传动的WORD5传动控制字的设定(r650显示)：P648(连接控制字的连接器)=3001(假定CBP接受的第一个字放在K3001),以下对3001控制字内容进行详细阐述.
BIT0：控制装置的合闸与分闸,当传动到PLC信号WORD6的传动数字输入K20的BIT3为”0”时,表明装置已处于外控状态,且BIT2为”1”时表明端子”37”已经是高电平,在这两个必要条件具备的情况下可由PLC控制本位进行合分闸,电平逻辑控制.
BIT1：OFF2断电，总选择1
BIT2：OFF3快速停车，总选择1
BIT3：运行使能，电机的起停控制. 当传动到PLC信号WORD6的传动数字输入K20的BIT3为”0”时,表明装置已处于外控状态,且BIT3为”1”时表明端子”38”已经是高电平,在这两个必要条件具备的情况下可由PLC控制本位进行电机启停.
BIT4：斜坡发生器使能，总选择1
BIT5：斜坡发生器起动，总选择1
BIT6：给定使能，总选择1
BIT7：0=》1故障复位
BIT8：点动，总选择0
BIT9：点动，总选择0
BIT10：选择外控时，必须等于1
BIT11：总选择1
BIT12：总选择1
BIT13：总选择0
BIT14：总选择0
BIT15：外部故障信号(1为无故障), 总选择1
传动到PLC信号WORD5传动的状态字1(K32)有效位说明
BIT3= 1 装置故障
BIT7= 1 装置报警
BIT10= 电机零速信号,实际速度为零时本位为”0”.
其余位无定义
设计图纸号DD2266。
8．结论
现在高线机组前18架轧机和吐丝机等传动电机调速装置都为6RA70全数字直流调速装置，通过对全数字直流调速装置6RA70的分析研究有助于更好的使用和维护6RA70装置，并且在以后遇到同类相关产品时，比如是6RA23、6RA24等全数字直流调速装置，提供一些可以借鉴的经验。

参考文献：
电气传动
80C166使用手册
6RA70装置使用说明书
6RA70装置硬件线路图
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