變頻器在復(fù)塑鋼板生產(chǎn)線改造中的應(yīng)用

張傳明

（清遠(yuǎn)市技師學(xué)院，廣東清遠(yuǎn) 511517）

0 引言

變頻器是從20世紀(jì)中葉發(fā)展起來的一種交流調(diào)速設(shè)備，是為了解決傳統(tǒng)的交流電動機(jī)調(diào)速困難、交變速設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜且效率和可靠性均不盡人意的缺點而出現(xiàn)的。因其使交流電動機(jī)的調(diào)速范圍和調(diào)速性能均大為提升，交流電動機(jī)逐漸代替直流電動機(jī)出現(xiàn)在各種應(yīng)用領(lǐng)域。

1 復(fù)塑鋼板生產(chǎn)線的工作過程原理及工藝

復(fù)塑鋼板生產(chǎn)線是將鋼板經(jīng)過多道工序加工成各種用于防盜門及裝飾門制造的門板，它主要在鋼板表面覆上顏色、花紋各不相同的PVC塑料膜，再在門板底面涂上防銹底漆，然后按所需尺寸規(guī)格進(jìn)行裁剪，再經(jīng)沖壓模具加工壓花或直接用于平板門的制造。

鋼板需要經(jīng)過12道工序的加工，生產(chǎn)線的工作過程（圖1）：由放卷機(jī)將成卷的鋼板放卷送出，經(jīng)油漬清除池將鋼板表面的油污除凈，再進(jìn)入酸洗池進(jìn)行酸洗除污，然后進(jìn)入清洗池徹底清除板面污垢。將鋼板表面清潔處理干凈后，經(jīng)平板機(jī)將稍彎曲的鋼板進(jìn)行滾直平整，再經(jīng)加溫爐A加熱，將鋼板表面加熱烘干，然后經(jīng)膠水機(jī)對板面加涂膠水。再進(jìn)入加溫爐B，使鋼板加熱到一定的溫度，使膠水處于最佳粘合狀態(tài)，經(jīng)復(fù)膜機(jī)將所需型號的PVC膜壓復(fù)、粘合在鋼板表面，再經(jīng)過保護(hù)膜壓棍在PVC膜上覆一層透明的塑料保護(hù)薄膜。然后經(jīng)底漆機(jī)對鋼板底面加涂防銹底漆，經(jīng)風(fēng)干，按所需的尺寸規(guī)格經(jīng)剪板機(jī)進(jìn)行裁剪。

圖1 復(fù)塑鋼板生產(chǎn)線工作流程圖

2 復(fù)塑鋼板生產(chǎn)線存在的問題

（1）放卷機(jī)的調(diào)速問題。生產(chǎn)線工作運(yùn)行時，由于放卷機(jī)卷筒的直徑會逐漸地減小，轉(zhuǎn)速也必須相應(yīng)地加快，而放卷機(jī)的調(diào)速無法保證對鋼板的恒速輸出，當(dāng)主傳動電機(jī)（即平板機(jī)）對鋼板恒速傳送時，放卷機(jī)處一直需要有人監(jiān)視控制調(diào)速，當(dāng)放卷機(jī)放出的板料速度慢于平板機(jī)時，鋼板拉得很緊，如不及時調(diào)快速度，將導(dǎo)致平板機(jī)過載運(yùn)行，嚴(yán)重時還損壞電動機(jī)。當(dāng)放卷機(jī)放出的板料速度快于平板機(jī)時，由于平板機(jī)未能及時將板料全部傳送，使鋼板堆積、彎曲變形。

（2）后面的三臺從動電機(jī)（膠水機(jī)、復(fù)膜機(jī)、底漆機(jī)）與平板機(jī)不能實現(xiàn)同步運(yùn)行。當(dāng)從動電機(jī)慢于主傳動電機(jī)時，導(dǎo)致鋼板彎曲變形，當(dāng)從動電機(jī)快于主傳動電機(jī)時，從動電機(jī)會過載運(yùn)行，嚴(yán)重時也會燒壞電機(jī)。

因此，每臺電機(jī)都需要安排一個人進(jìn)行調(diào)速控制，從而耗費了許多人力，且工作效率很低，工人的勞動強(qiáng)度也很大。由于生產(chǎn)線不能穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)常出現(xiàn)故障，導(dǎo)致廢品源源不斷。

3 對復(fù)塑鋼板生產(chǎn)線的改造方案

根據(jù)生產(chǎn)線的工作原理及存在問題的原因，采用三菱FR-A540矢量控制變頻器，運(yùn)用變頻器恒張力控制和同步控制的方法來解決電動機(jī)調(diào)速問題。

（1）生產(chǎn)線各電動機(jī)的運(yùn)行與結(jié)構(gòu)分析

生產(chǎn)線主要由五臺電機(jī)對鋼板進(jìn)行拖動傳送（圖2），A、B、C、D、E五臺電動機(jī)的功率分別為5.5 kW、7.5 kW、2.2 kW、2.2 kW、2.2 kW，B電機(jī)（平板機(jī)）為主傳動電機(jī)，功率最大。在生產(chǎn)線運(yùn)行過程中，主要由平板機(jī)對鋼板進(jìn)行拖動，放卷機(jī)傳送板料的速度是根據(jù)平板機(jī)對鋼板的傳送速度來確定的，而后面的膠水機(jī)、復(fù)膜機(jī)和底漆機(jī)均是被動地接受由平板機(jī)傳送過來的板料，屬于從動電機(jī)。因此，鋼板的運(yùn)行速度主要由平板機(jī)來決定。

根據(jù)復(fù)塑鋼板生產(chǎn)線的工作原理，在運(yùn)行中，必須保持生產(chǎn)線前后的板速一致，即圖2中的V1=V2=V3=V4=V5，因此，當(dāng)平板機(jī)傳送板料的速度恒定時，要求放卷機(jī)對板料也進(jìn)行恒速輸出，后面的三臺從動電機(jī)也必須嚴(yán)格跟蹤平板機(jī)給出的板速運(yùn)行，即實行板速同步。

圖2 生產(chǎn)線電動機(jī)拖動運(yùn)行方框圖

（2）變頻器容量的選擇

按照生產(chǎn)線在運(yùn)行過程中，電動機(jī)可能出現(xiàn)最大電流來選擇，一般變頻器的額定電流應(yīng)大于電動機(jī)可能出現(xiàn)的最大電流[3]，即

式（1）中：

IMmax——電動機(jī)的最大運(yùn)行電流（A）；

IN——變頻器的額定電流（A）。

該生產(chǎn)線放卷機(jī)的功率為5.5 kW，運(yùn)行中放卷機(jī)一般不會出現(xiàn)過載現(xiàn)象，可選5.5 kW的變頻器功率。平板機(jī)為主傳動系統(tǒng)，有時可能會出現(xiàn)短暫的過載，它的工作穩(wěn)定性直接影響從動電機(jī)的工作穩(wěn)定，故需選擇比電動機(jī)大一檔的變頻器，由于平板機(jī)的功率為7.5 kW，筆者選擇一臺11 kW的變頻器對其進(jìn)行控制。三臺從動電機(jī)的過載可能性較小，但也不能完全忽略，選擇一臺7.5 kW的變頻器足夠?qū)θ_2.2 kW的電動機(jī)進(jìn)行控制。

（3）對放卷機(jī)實施恒張力控制的方法

1）放卷機(jī)的工作特點與要求

生產(chǎn)線運(yùn)行時，放卷機(jī)不停地輸送板料，使卷筒的直徑D越來越小，因整個生產(chǎn)線運(yùn)行時的板速要求保持恒速運(yùn)行，即張力F必須保持恒定，故拖動系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)恒張力控制（圖3）。放卷機(jī)卷筒的直徑D越來越小，故卷筒的阻轉(zhuǎn)矩T也越放越小[3]，即

式（2）中：D——放卷機(jī)卷筒的直徑；

TL——卷筒的阻轉(zhuǎn)矩。

由于放卷時的運(yùn)行功率將保持恒定，故負(fù)載的功率也不變，卷筒的轉(zhuǎn)速n將隨著轉(zhuǎn)矩T的減小而逐漸增高，即

式（3）中：nL——放卷機(jī)的轉(zhuǎn)速；

PL——恒張力運(yùn)行時負(fù)載功率。

圖3 放卷機(jī)的恒張力控制接線圖

2）恒張力控制的方法

變頻器的恒張力控制（接線如圖3）主要是利用變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)功能[2]，使放卷機(jī)實現(xiàn)比較穩(wěn)定的恒張力運(yùn)行。將變頻器的PID功能預(yù)置為有效，即用RT端子代替X14作為PID控制有效端子，通過運(yùn)行時張力傳感器檢測到的信號反饋到變頻器的反饋量輸入端子4與PID目標(biāo)設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差，再由變頻器根據(jù)計算的結(jié)果來改變電動機(jī)輸出的頻率，調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到對鋼板傳送的恒張力控制。

3）變頻器參數(shù)的設(shè)置

根據(jù)變頻器對恒張力控制的要求，在張力控制過程中，主要由張力傳感器來檢測張力，再轉(zhuǎn)換為電流信號反饋到變頻器，因此，變頻器的部分參數(shù)的設(shè)置須通過張力傳感器的壓力值來設(shè)定。

選量程為0～100 kg的張力傳感器，傳感器的4 mA對應(yīng)0 kg，20 mA對應(yīng)100 kg。按生產(chǎn)線運(yùn)行的要求，傳感器的目標(biāo)壓力為60 kg，傳感器的上限壓力90 kg，下限0 kg。傳感器量程與輸出電流的對應(yīng)關(guān)系（如圖4）可用直線方程y=kx+b[1]表示，當(dāng)x=100 kg時，y=20 mA，當(dāng)x=0 kg時，y=4 mA，由此解出k=0.16，b=4，因此，求得方程y=0.16x+4，將傳感器的目標(biāo)壓力及上、下限壓力值代入方程，即可求得對應(yīng)的目標(biāo)值為13.6 mA，上限值18.4 mA，下限值4 mA。

圖4 傳感器的量程與輸出電流的對應(yīng)關(guān)系

圖5 設(shè)定值與傳感器輸出的比例關(guān)系

由于變頻器參數(shù)的設(shè)定值為百分?jǐn)?shù)，因此須將設(shè)定值再轉(zhuǎn)換成百分?jǐn)?shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定值與傳感器輸出的比例關(guān)系（如圖5）也可用直線方程y=kx+b[1]表示，由傳感器輸出的各值，代入方程可計算得變頻器參數(shù)中PID的目標(biāo)設(shè)定值為60%，上限值90%，下限值0%。

根據(jù)生產(chǎn)線的運(yùn)行調(diào)試，變頻器對恒張力控制的主要參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 恒張力控制相關(guān)參數(shù)設(shè)置

（4）對主傳動電機(jī)與從動電機(jī)實施同步控制的方法

1）主傳動與從動電機(jī)調(diào)速控制的特點與要求

復(fù)塑鋼板生產(chǎn)線的工作是連續(xù)運(yùn)行的，如后面的從動電機(jī)快于主傳動電機(jī)，鋼板會拉得很緊，還會導(dǎo)致從動電機(jī)過載運(yùn)行；如從動電機(jī)慢于主傳動電機(jī)，則會使鋼板產(chǎn)生堆積、彎曲變形。因此，各臺電機(jī)運(yùn)送鋼板的速度必須完全相等，即須實現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步。鋼板的運(yùn)行速度由主傳動電機(jī)（平板機(jī)）來決定和調(diào)整的，膠水機(jī)、復(fù)膜機(jī)和底漆機(jī)的運(yùn)行速度必須嚴(yán)格跟蹤平板機(jī)，以保持對鋼板的運(yùn)送速度前后一致，否則無法實現(xiàn)板速同步。

2）板速與電機(jī)轉(zhuǎn)速及工作頻率的范圍

復(fù)塑鋼板主要有0.5 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm四種厚度規(guī)格。因板的厚度不同，所以在運(yùn)行中對板加熱的時間也不同，薄板加熱的時間短，鋼板運(yùn)行的速度較快，厚板加熱的時間比較長，鋼板的運(yùn)行速度也較慢。另外，在每次開機(jī)時，將鋼板從放卷機(jī)處逐漸引入，直到最后，并使各電動機(jī)的運(yùn)行協(xié)調(diào)，屬于預(yù)備階段，此時，鋼板的運(yùn)行速度很慢，一般為3 m/min。鋼板的運(yùn)行速度VL與對應(yīng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速nL及工作頻率fx的值，如表2。

表2 各板速和電動機(jī)轉(zhuǎn)速及工作頻率的對應(yīng)關(guān)系

注：電動機(jī)編號如圖2。

（3）同步控制的方法

對主傳動電機(jī)與從動電機(jī)實施同步控制，由表2可以看出，由于主傳動電機(jī)與從動電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，故兩臺變頻器各控制電機(jī)所輸出的頻率也不同。按照同步控制的要求，變頻器與各電機(jī)的接線如圖6。

圖6 變頻器同步控制接線圖

由表2與圖6可以看出，根據(jù)鋼板的厚度不同以及開機(jī)引板與運(yùn)行時生產(chǎn)線的運(yùn)行速度不同，變頻器須對電動機(jī)實行多段速控制運(yùn)行，在此需用到5段速度控制。按變頻器上的高、中、低（即RH、RM、RL）三個速度選擇開關(guān)組合控制對5段速度的輸出（表3）。

表3 板速與開關(guān)的對應(yīng)關(guān)系

由上述圖表知，當(dāng)生產(chǎn)線開機(jī)運(yùn)行，須先將板逐步引入，此時處于預(yù)備階段，板速為3 m/min，即按第⑤段速度運(yùn)行，按下正轉(zhuǎn)STF，再接通RH和RL，便可控制主、從動電機(jī)對鋼板按3 m/min的速度同步運(yùn)行。如生產(chǎn)線加工的鋼板厚度為0.5 mm，則當(dāng)進(jìn)入正常的運(yùn)行狀態(tài)時，板速應(yīng)調(diào)到6 m/min，此時必須斷開RL，只接通RH，即執(zhí)行第①段速度。相同地，如果生產(chǎn)線加工其他厚度不同的鋼板時，只需按其相對應(yīng)的速度調(diào)節(jié)變頻器上的各開關(guān)即可實現(xiàn)板速同步穩(wěn)定運(yùn)行了。

（4）變頻器的參數(shù)設(shè)置

按變頻器實施同步控制的要求，由圖6可知，參數(shù)設(shè)置見表4和表5，①號變頻器控制主傳動電機(jī)，②號變頻器控制三臺從動電機(jī)。

表4 ①號變頻器的參數(shù)設(shè)置

注：①、②兩臺變頻器的Pr.7和Pr.8號參數(shù)設(shè)定值不同，是因為兩臺變頻器所控制的電動機(jī)轉(zhuǎn)速不同，經(jīng)過實際運(yùn)行調(diào)試，在給電動機(jī)執(zhí)行加速時，主傳動電機(jī)必須比從動電機(jī)稍慢，減速時則需稍快一些。

表5 ②號變頻器的參數(shù)設(shè)置

4 改造后的效果分析

復(fù)塑鋼板生產(chǎn)線經(jīng)改造后，經(jīng)過運(yùn)行調(diào)試，基本上解決了以前出現(xiàn)的系列問題。投入生產(chǎn)一年后經(jīng)統(tǒng)計，與上一年相比，廢品率降低了4%，按統(tǒng)計數(shù)據(jù)來計算，一年節(jié)約成本近十萬元。經(jīng)改造后，由于生產(chǎn)運(yùn)行很穩(wěn)定，不但節(jié)約了人力，降低了工人的勞動強(qiáng)度，勞動生產(chǎn)率提高了10%，而且，產(chǎn)品的質(zhì)量也上升了一個檔次，從而贏得了更多的客戶，擴(kuò)大了公司產(chǎn)品的市場占有率。

［1］李方圓.變頻器自動化工程實踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［2］張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［3］吳忠智，吳加林.變頻器應(yīng)用手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.