針梳機調速自動控制系統(tǒng)的改造

張雪 梁旭 歐飛

摘?；要：本文介紹了毛條生產線上針梳機調速自動控制系統(tǒng)的基本原理及系統(tǒng)的性能特點，并簡要介紹了針梳機的變頻調速系統(tǒng)改造，分析了該變頻調速系統(tǒng)調試過程中存在的問題及解決的方法。

關鍵詞：針梳機調速自動控制系統(tǒng)?；PLC?；變頻器?；改造

茂名某毛紡企業(yè)針梳機的14臺異步交流電動機的調速系統(tǒng)，使用原裝進口的AMPACT AM3-415-73L-200針梳機變頻器。這種變頻器是20世紀80年代末設計的產品，采用非模塊化模擬電路設計，電路復雜，長時間運轉導致變頻器電路元件嚴重老化，無論是控制回路的線路板還是主回路的整流器、逆變器都陸續(xù)出現(xiàn)了電氣故障，造成針梳機經常因故障停機、毛條產量低，經濟效益銳減，對這批變頻器的改造迫在眉睫。

筆者學校電氣專業(yè)教師與該廠技術骨干人員共同改造了針梳機調速自動控制系統(tǒng)，降低了能耗，提高了生產效益。

一、調速自動控制系統(tǒng)的基本原理

毛條針梳機屬于恒轉矩負載，針梳機生產線的電氣自動控制系統(tǒng)由可編程序控制器（PLC）、變頻器、異步電動機、控制線路和相關電氣元器件組成，如圖所示。

該針梳機生產線采用德國西門子公司的組合式PLC S5-95U型號，組合柜內含1塊電源插卡、1塊CPU插卡、5塊輸入插卡和3塊輸出插卡，其中輸入插卡使用金鐘穆勒EBE201型號，支持16路模擬信號輸入；輸出插卡使用金鐘穆勒EBE203型號，支持16路模擬0-24V輸出信號輸出。該PLC能進行無觸點的邏輯控制，提高控制系統(tǒng)性能、運行的可靠性，縮小控制裝置的體積，降低故障率，減少維護維修的工作量，降低能耗。例如針梳機主軸和前、后羅拉速度通過速度傳感器檢測，其值輸入PLC進行運算后，計算出毛條長度等工藝參數(shù)。毛條長度輸入PLC與設定值進行比較后，及時調整變頻器的輸出頻率，使針梳機按設定進行毛條梳理，當梳理長度達到設定值時停機（比如每次達到預設值為1500），PLC輸出指令，切毛電動機工作帶動相關切毛機構切斷毛條，然后自動更換毛條落毛桶，再進行下一個生產循環(huán)周期。

該針梳機生產線變頻器采用V/f控制模式，這種變頻器采用正弦波脈寬調制，控制相對簡單，變頻調速的機械特性硬度較好，能滿足對調速要求不高的部分紡織機械的調速要求。主電動機M1變頻調速系統(tǒng)經整流、電容濾波后，再由相應的逆變器逆變成變壓調頻的交流電，實現(xiàn)主電動機的變頻調速。

變頻調速系統(tǒng)的降速，是通過降低給定頻率的方式來實現(xiàn)的。頻率降低時，同步轉速同時下降，此時電動機轉速因慣性（包括負載慣性）作用而不能馬上降下來，因而導致電動機運行轉速超過同步轉速而處于再生制動狀態(tài)，使電動機轉速迅速地跟隨頻率的下降而下降。

毛條生產線要求調速系統(tǒng)能長期連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的工作，也就是一年8000小時連續(xù)運轉不出故障。

二、調速系統(tǒng)的改造

經過校企專家分析論證，得出結論：修復有故障的變頻器的最有效辦法是將變頻器更新?lián)Q代，對原調速系統(tǒng)進行技術改造。

參照該生產線主拖動電動機的參數(shù)為額定電壓380V、額定功率11kW、額定電流20.9A、轉速2930r/min，可根據(jù)以下7個基本原則選用通用型變頻器的型號，并且所選用的變頻器要求結構簡單、維護方便、運行可靠、耐用。

一是電壓等級的選定。選用時注意變頻器的電壓等級是否與輸入電源和所驅動的電動機電壓等級相同，此次選用的是380V變頻器，電壓波動范圍在-15%～10%。

二是最大適用電動機容量的選定。選用的變頻器最大適用電動機容量是11kW，而且是4極普通異步電動機。

三是通用變頻器控制方式的選定。電動機的轉速與通用變頻器的輸出電壓之間可以有多種控制方式，一般有V/f控制方式、轉差控制方式、矢量控制方式和直接轉矩控制方式幾種。V/f控制方式是通用變頻器使用最多的一種控制方式，也是這次改造所用的控制方式。

四是輸出頻率范圍的選定。選擇最小頻率和最高頻率要適當。

五是輸出頻率精度的選定，要求在選定范圍中。

六是制動方式選定。通用變頻器的電氣制動有內部制動和外部制動兩種方式，本次變頻器的制動方式為內部制動。

七是功率因素的選定。本生產線對功率因素無特殊要求。

經反復分析國內可大量供貨的變頻器，綜合了各項技術參數(shù)，確定了以富士FRENIC 5000G11S系列變頻器（具體型號為FRN11G11S-4CX）作為老式變頻器的換代品。

富士FRENIC 5000G11S系列變頻器具有高性能和多功能的優(yōu)點，適用于一般工業(yè)負載。這種變頻器采用了低噪聲控制電源系統(tǒng)，能大大減小對周圍傳感器等設備的噪聲干擾影響；22kW以下標準產品采用全封閉結構IP40，耐環(huán)境性好；面板能顯示和確認運行狀態(tài)、輸入/輸出狀態(tài)和跳閘時的詳細參數(shù)，由此能較容易地進行異常原因分析和提出對策。

控制系統(tǒng)主電路接線圖見后。

根據(jù)生產需要，針梳機要求有快車和慢車兩種速度。PLC輸出快車和慢車信號輸出電壓是24V，為防止對變頻器信號串擾，需加裝一塊轉換板，使用2組24V歐姆龍繼電器，通過繼電器的常開觸點，轉換變頻器的快車開關和慢車開車信號。通過控制器的快車按鈕連線600、慢車按鈕連線634和停止按鈕連線635將信號輸入PLC中，PLC經處理后再通過轉換板控制變頻器的快慢車及停車。

變頻器的頻率設定是使用外置的1kΩ的電位器進行設定，分別連接變頻器的13、12、11接線端子。變頻器的30A端子連接PLC的線727作為變頻器報警連線到PLC的連線，報警時PLC顯示變頻器閉鎖停機。其他連線參照舊變頻器和PLC的連接方式連接。新變頻器的尺寸比舊變頻器小20%左右，有利于變頻器的安裝固定和變頻器元器件的散熱。在安裝完變頻器連線后，需重新對新變頻器參數(shù)進行設置，未列入的變頻器參數(shù)在出廠時已預設好。

三、在調試和試生產過程中遇到的問題及解決方法

在生產調試中，設備間運轉出現(xiàn)不匹配卡毛、堵毛等現(xiàn)象，經反復試驗與論證，最終找到了問題的原因及解決方法。

一是變頻器的加速和減速時間設置不合理，造成針梳機內針輥卷毛，針片損壞嚴重。經查是因為變頻器的加速和減速時間過快，毛束在經過皮輥拉斷區(qū)時速度較快，在經過針輥梳理區(qū)時速度較慢，當啟動或停機時就容易發(fā)生卷毛故障。經多次調試，設置加速時間為4.9s，減速時間為6s，毛束傳送正常。

二是針梳機正常運轉一段時間PLC報警停機，查相關參數(shù)是主電動機M1過熱保護。用萬用表和搖表查主電動機M1，電動機M1正常。查PLC輸入，PLC輸入插卡第三塊板第4腳的線729動作，線729是連接到變頻器的過熱保護端子。查變頻器參數(shù)F11（OL設定值），問題的原因是由于F11值過低造成的。將值更改為19.6后，PLC報警停機信號消失，針梳機正常運轉。

經反復多次調試，并聽取廠家和專業(yè)專家的建議，我們終于完成廠內針梳機變頻器技術改造工作。改造后的數(shù)字變頻器運行和操作效果明顯好于老式模擬變頻器，為企業(yè)創(chuàng)造了經濟效益。

四、成效

在毛條生產線機械設備調速系統(tǒng)改造過程中，我們對該系統(tǒng)進行了優(yōu)化和部分整改，經過生產實際應用，在控制精度及可靠性方面均取得了滿意的效果。

一是新變頻器采用數(shù)字式調節(jié)參數(shù)，控制精度高。二是維護量小，故障率低。設備具備的監(jiān)控保護與故障自診斷功能，運轉率相當高，減少了維護人員的工作量。三是對筆者學校專業(yè)教師的專業(yè)知識和技能水平是一次考驗和提升。四是陸續(xù)對其余十幾套變頻器調速系統(tǒng)進行類似的改造，通過長達5年的觀察，這一批次的變頻器精度準確、性能穩(wěn)定，長期運轉均無大的故障。

我們通過對變頻調速系統(tǒng)進行改造，圓滿地解決了變頻器存在的問題，提高了變頻器的工作效率，同時減輕了電氣維護人員的工作量，更好地保證了生產工藝的精度、質量，減少了設備停機對生產所造成的嚴重影響，達到了預期的改造目的。

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