基于矢量控制變頻器的儲柜底帶出料均勻性的實(shí)現(xiàn)方法

尉澤民，程林峰，高衛(wèi)，劉玉民，呂建國

（山東中煙工業(yè)公司濟(jì)南卷煙廠，山東 濟(jì)南 250104）

1 引言

煙草系統(tǒng)制絲車間都會用到很多儲柜，用來暫存生產(chǎn)工藝過程中的葉片、葉絲、煙梗、梗絲、膨脹絲、成品煙絲等煙草物料。儲柜容量一般設(shè)計(jì)比較大，大多數(shù)容量在4000～10000kg/柜。儲柜在出料時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)出料不均勻的情況，尤其是料頭和料尾出料時(shí)更為嚴(yán)重。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因：一是底帶兩側(cè)的鏈條處于松弛狀態(tài)無法再進(jìn)行張緊處理。容量較大的儲柜在出料時(shí)底帶兩側(cè)鏈條承受很大的張力，經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行在鏈條的鏈節(jié)鏈接處產(chǎn)生變形，鏈節(jié)的鏈接處間隙緩慢變大，底帶每側(cè)200余節(jié)的鏈節(jié)就會被慢慢拉伸出200mm以上的長度，超過儲柜底帶兩側(cè)張緊調(diào)節(jié)能力。二是底帶電機(jī)反復(fù)啟停造成出料不及時(shí)。儲柜在出料時(shí)，底帶兩側(cè)鏈條在受減速電機(jī)牽引的正向作用力下，會張緊變形，對減速電機(jī)產(chǎn)生很大的反作用力。當(dāng)處于下游的定量管中裝滿物料后，從定量管到儲柜底帶之間所有電機(jī)會停止運(yùn)行，這時(shí)底帶兩側(cè)鏈條的張力會得以釋放，釋放張力的過程就是反作用力減小的過程。底帶電機(jī)停止運(yùn)行，其正向作用力減小為零，但反作用力很大，反作用力會施加到底帶減速電機(jī)上，帶動減速電機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行，直到反作用力釋放完。經(jīng)過估算，電機(jī)大約反轉(zhuǎn)110圈。底帶鏈條張力釋放的過程也是安裝在其上的皮帶及皮帶上物料后退的過程。物料后退的距離需要下一次底帶電機(jī)正向運(yùn)行來彌補(bǔ)，在彌補(bǔ)期間會造成出料段設(shè)備上缺料。如果底帶電機(jī)頻率調(diào)整不恰當(dāng)，出料量過大，定量管進(jìn)料時(shí)間很短，就會影響儲柜出料，很容易出現(xiàn)底帶電機(jī)第一次彌補(bǔ)過程尚未完成或剛開始出料設(shè)備就停止運(yùn)行，出料段設(shè)備再次啟動后進(jìn)入第二次彌補(bǔ)過程，甚至出現(xiàn)第三次或更多次彌補(bǔ)過程，造成出料段設(shè)備上長距離缺料或斷續(xù)缺料的狀態(tài)，定量管中就會出現(xiàn)缺料或斷料，造成出料均勻性差，甚至可能對產(chǎn)品質(zhì)量造成一定影響。

提高儲柜底帶出料的均勻性，通?？梢杂幸韵氯N解決方案：一是更換鏈條的方法。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：直接解決問題。缺點(diǎn)是：費(fèi)用很高。更換鏈條至少需要3天時(shí)間，至少需要5人來配合更換，人力成本高；購買鏈條也需要花費(fèi)較大成本，另外更換鏈條時(shí)底帶上的皮帶也同時(shí)需要更換，其成本比鏈條還要高。二是采用二次緩沖裝置法。在定量管到儲柜底帶之間再增加一級定量緩沖裝置。通過中間級的定量緩沖裝置二次緩沖來彌補(bǔ)儲柜底帶出料不均勻的缺陷，最終達(dá)到物料的均勻性，滿足生產(chǎn)需求。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備適應(yīng)能力更強(qiáng)，無論大流量還是小流量，均能做到出料均勻。缺點(diǎn)是：成本高，需要有合適的安裝場地。三是采用抱閘電機(jī)的方法。將現(xiàn)在使用的減速電機(jī)更換為帶抱閘功能的減速電機(jī)。在電機(jī)停止運(yùn)行時(shí)依靠抱閘鎖緊電機(jī)轉(zhuǎn)軸，阻止底帶及其上的物料后退，電機(jī)再次運(yùn)行時(shí)釋放抱閘。底帶因沒有出現(xiàn)后退，物料可以隨底帶前進(jìn)直接從儲柜內(nèi)部出來，保證儲柜底帶出料的均勻性。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，改造相對容易。缺點(diǎn)是：因抱閘動作頻繁，壽命較短，后期故障率會較高。綜合以上所述，這三種方法由于采購成本控制、空間位置限制和故障率問題均不能采用。

本次提出的變頻器0赫茲運(yùn)行法是采用矢量控制型變頻器在0赫茲運(yùn)行時(shí)也可產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的原理來實(shí)現(xiàn)的。采用矢量控制型變頻器在0赫茲運(yùn)行時(shí)，釋放的激磁電流和轉(zhuǎn)矩電流合成的矢量電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩抵消底帶后退時(shí)的反作用力，阻止底帶及其上的物料后退。本方法通過修改PLC控制程序和增加強(qiáng)制風(fēng)冷風(fēng)機(jī)控制電路，相對比較容易，費(fèi)用低，后期維護(hù)方便。

2 系統(tǒng)組成和工作原理

2.1 儲柜出料系統(tǒng)組成

圖1 儲柜出料系統(tǒng)流程圖

儲柜出料系統(tǒng)流程圖如圖1所示。儲柜為U型柜體，從端頭出料或中間出料，驅(qū)動器件包括底帶電機(jī)和撥輥電機(jī)；輸送帶根據(jù)空間位置、輸送距離和輸送方式的不同一般由2級以上輸送帶組成；定量管用來均衡物料輸送量，一般用來配合定量帶或皮帶秤，其上安裝有檢測料位的光電開關(guān)。

2.2 矢量控制型變頻器的工作原理

變頻器是通過測量和控制異步電動機(jī)定子電流矢量來實(shí)現(xiàn)矢量控制。根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體方法是：用數(shù)學(xué)的方法將異步電動機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵(lì)磁電流) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流) ，再分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機(jī)相媲美，而且可以控制異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。也就是說，采用矢量控制型變頻器工作在0Hz頻率時(shí)可以輸出電磁轉(zhuǎn)矩。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器的矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式。在車間儲柜底帶電機(jī)使用的西門子FC系列變頻器均為無速度傳感器的矢量控制方式。

3 實(shí)現(xiàn)過程

3.1 資料和工具的準(zhǔn)備

首先以儲梗絲柜為研究對象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)儲柜底帶出料均勻性需要作以下準(zhǔn)備：

PLC編程器1臺，內(nèi)裝西門子Step7 V5．5編程軟件；

儲梗絲柜所在的主控柜PLC應(yīng)用程序1份；

電機(jī)冷卻風(fēng)扇1臺；

單極開關(guān)和繼電器各1個(gè)，導(dǎo)線和電纜若干。

3.2 分析控制儲柜底帶變頻器的PLC程序

原控制變頻器的PLC程序?yàn)?個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能FC305和FC307。FC305提供兩個(gè)輸出信號，一個(gè)是變頻器準(zhǔn)備好信號，說明變頻器狀態(tài)正常，可以正常使用；另一個(gè)是變頻器運(yùn)行信號，該信號用于FC307輸出變頻器控制字的開關(guān)信號。FC307還接收來自操作面板上的頻率設(shè)定值，用于變頻器的調(diào)速。

要想實(shí)現(xiàn)變頻器的0赫茲運(yùn)行，就需要對控制程序進(jìn)行相應(yīng)修改。對FC307的變頻器運(yùn)行信號用準(zhǔn)備好信號代替，即準(zhǔn)備好信號為1，變頻器就發(fā)出啟動變頻器運(yùn)行的控制字；反之，就發(fā)出停止變頻器運(yùn)行的控制字。FC305輸出的變頻器運(yùn)行信號用于頻率值的設(shè)定，即變頻器運(yùn)行信號為1，發(fā)給變頻器的頻率值為面板上的設(shè)定值；反之，為0赫茲。

3.3 修改后的儲柜底帶變頻器程序

根據(jù)分析的結(jié)果，對變頻器控制程序進(jìn)行了如下修改。

圖2 FC305梯形圖片段

圖3 FC307梯形圖片段

在變頻器啟停控制方面，保持PLC程序FC305不變（圖2所示），修改FC307的Run_condition管腳（圖3所示），把原為FC305的Out條件修改為Ready條件，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備好信號為1，變頻器就發(fā)出啟動變頻器運(yùn)行的控制字；反之，就發(fā)出停止變頻器運(yùn)行的控制字。在變頻器的頻率設(shè)定方面，增加頻率設(shè)定程序段（圖4所示），在變頻器準(zhǔn)備好的情況下FC305的Out條件為1，發(fā)給變頻器的頻率值為面板上的設(shè)定值；反之，為0赫茲。

3.4 初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)變頻器從正常運(yùn)行頻率突然減小到0赫茲時(shí)減速電機(jī)會快速反轉(zhuǎn)10余圈，而后緩慢反轉(zhuǎn)約1圈后停止。這說明西門子FC系列無速度傳感器矢量控制的變頻器輸出的矢量電流使電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩略小于底帶的反作用力矩。變頻器在0赫茲時(shí)產(chǎn)生的力矩基本上可以抵消底帶后退時(shí)的反作用力矩。電機(jī)反轉(zhuǎn)10余圈相對底帶后退的距離可以忽略不計(jì)。

圖4 新增頻率設(shè)定梯形圖

3.5 電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.5.1 電路圖設(shè)計(jì)

因?yàn)樵?Hz時(shí)電機(jī)是靜止的，速度為零，變頻器的激磁電流和轉(zhuǎn)矩電流合成的矢量電流施加到電機(jī)上，電機(jī)會生熱。異步電動機(jī)尾部的冷卻鳳翅也跟電機(jī)軸一同保持不動，不能起到冷卻作用。常溫下測量電機(jī)外殼溫度在50℃上下，可以說對電機(jī)沒有太大影響。為保險(xiǎn)起見，還是為電機(jī)設(shè)計(jì)了冷卻系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 電機(jī)冷卻系統(tǒng)電路圖

3.5.2 器件選型及安裝

選擇與電機(jī)型號相匹配的冷卻風(fēng)扇組件、單極關(guān)和中間繼電器并安裝接線。冷卻風(fēng)扇組件型號為：SEW VR/4114ENHU-180 24VDC 11W 。

3.5.3 修改PLC程序

A Q87．0 //底帶電機(jī)準(zhǔn)備好

= Q88．7 //風(fēng)扇電機(jī)啟動信號

只要底帶電機(jī)的準(zhǔn)備好信號為1，冷卻風(fēng)扇就保持運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)變頻器停止運(yùn)行時(shí)冷卻風(fēng)扇電機(jī)才停止運(yùn)行，完全符合設(shè)計(jì)要求。

3.5.4 電機(jī)冷卻效果驗(yàn)證

底帶電機(jī)運(yùn)行期間，冷卻風(fēng)扇會持續(xù)運(yùn)行，測量底帶電機(jī)的表面溫度約為27℃，略高于環(huán)境溫度，完全滿足電氣技術(shù)要求。

4 使用效果及推廣應(yīng)用

改造前，變頻器從正常運(yùn)行到突然停止，減速電機(jī)會快速反轉(zhuǎn)約110圈后停止，梗絲柜底帶及其上的物料也會后退一小段距離。物料后退的距離需要下一次底帶電機(jī)正向運(yùn)行來彌補(bǔ)，在彌補(bǔ)期間會造成出料段設(shè)備上缺料。改造后，梗絲柜底帶在僅有準(zhǔn)備好信號啟動變頻器且0赫茲運(yùn)行時(shí)基本保持張緊靜止?fàn)顟B(tài)，不會出現(xiàn)后退現(xiàn)象；當(dāng)再次出現(xiàn)運(yùn)行信號時(shí)變頻器以設(shè)定頻率驅(qū)動底帶電機(jī)運(yùn)行，能夠及時(shí)向出料口出料，梗絲出料均勻性相對穩(wěn)定，能夠?yàn)楣＝z秤均勻提供梗絲物料，為產(chǎn)品質(zhì)量提供設(shè)備保障，滿足工藝需求。

改造后，控制系統(tǒng)運(yùn)行也非常穩(wěn)定。經(jīng)過1年多的實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，變頻器及其控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制效果良好，儲柜底帶出料的均勻性完全能夠滿足實(shí)際需求。

鑒于本改造成本低廉，易于實(shí)施，效果明顯，運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，本成果已推廣應(yīng)用到制絲車間其它7臺儲柜底帶電機(jī)控制上。

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