浮法玻璃生產(chǎn)線冷端電動(dòng)機(jī)控制的運(yùn)用

王振海

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島市 066001）

0 引言

浮法玻璃生產(chǎn)線冷端設(shè)備主要執(zhí)行退火后的玻璃帶的應(yīng)力檢測(cè)、厚度檢測(cè)、缺陷檢測(cè)、優(yōu)化切裁掰斷、加速分離、隨動(dòng)掰邊、隨動(dòng)縱掰、自動(dòng)落板、自動(dòng)噴粉、堆垛裝箱等以及完成這些工藝過(guò)程的輥道智能輸送。

隨著低碳環(huán)保理念和冷端自動(dòng)化程度的不斷提高，對(duì)玻璃要進(jìn)行各種精確的檢測(cè)和優(yōu)化切裁，因此需要冷端輥道運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)和高效節(jié)能。高效節(jié)能電機(jī)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)輥道的精準(zhǔn)控制，減少電動(dòng)機(jī)損耗，提高運(yùn)行可靠性，延長(zhǎng)使用壽命，減少電能消耗，而且可以直接帶來(lái)具大的環(huán)保效益。

1 異步電機(jī)、同步電機(jī)和伺服電機(jī)的比較

1.1 工作原理

1.1.1 異步電機(jī)

異步電機(jī)三相定子繞組流過(guò)三相對(duì)稱電流產(chǎn)生的三相磁動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，從而叫異步電機(jī)。工作特性如圖1所示。

圖1 異步電機(jī)工作特性

1.1.2 同步電機(jī)

同步電機(jī)是轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場(chǎng)（永磁鐵或直流電流產(chǎn)生），定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)“拖著”轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定等于同步轉(zhuǎn)速, 工作特性如圖2所示。

圖2 同步電機(jī)工作特性

1.1.3 伺服電機(jī)

伺服電機(jī)分為交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)，目前常用交流伺服電機(jī)。其工作原理是定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電機(jī)相似，其定子上裝有兩個(gè)位置互差90°的繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組Rf， 它始終接在交流電壓Uf上；另一個(gè)是控制繞組L，聯(lián)接控制信號(hào)電壓Uc。交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，以達(dá)到伺服電機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性，無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，如圖3所示。

圖3 伺服電動(dòng)機(jī)工作特性

1.2 啟動(dòng)方式

異步電機(jī)啟動(dòng)是在三角形或星形連接的三相對(duì)稱定子繞組上通三相對(duì)稱交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)線切割轉(zhuǎn)子繞組，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來(lái)，轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械能量，帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載旋轉(zhuǎn)起來(lái)。啟動(dòng)方式有：直接啟動(dòng)、自偶降壓?jiǎn)?dòng)、Y-D降壓?jiǎn)?dòng)、轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)、軟啟動(dòng)器、變頻器。

同步電機(jī)起動(dòng)通常有兩種方式：一是先投勵(lì)，同步啟動(dòng)；另一種是異步啟動(dòng)，后順極性投勵(lì)。同步電機(jī)靠異性磁極間的磁力拖動(dòng)，啟動(dòng)方式包括：軟啟動(dòng)器和變頻器。

交流伺服電機(jī)定子內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，被控對(duì)象的轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速受信號(hào)電壓控制，信號(hào)電壓的大小和極性改變時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向也跟著變化 。

2 同步電機(jī)、異步電機(jī)和伺服電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用及電氣控制上的優(yōu)勢(shì)

為了滿足浮法玻璃生產(chǎn)線按等級(jí)和按規(guī)格分類取板的要求，冷端傳統(tǒng)的模擬量控制方式已無(wú)法保證冷端工藝定位精確的要求。建立網(wǎng)絡(luò)化全數(shù)字冷端控制系統(tǒng)，傳動(dòng)輥道均采用伺服控制器控制傳動(dòng)和變頻器傳動(dòng)，根據(jù)各段輥道功能特點(diǎn)，在滿足使用和工藝生產(chǎn)的前提下經(jīng)濟(jì)、合理地配置傳動(dòng)方案。

2.1 拉引段

拉引段的輥道速度是通過(guò)裝在退火窯末輥的編碼器采集，所以會(huì)跟隨退火窯的速度變化而變化，玻璃從退火窯輥道輸送到拉引段輥道后，玻璃壓在輥道膠圈上，使膠圈產(chǎn)生變形，而且隨著退火后玻璃的溫度和板厚度的不同，膠圈產(chǎn)生的變形量也不同，因此輥道與玻璃的線速度會(huì)產(chǎn)生偏差，根據(jù)同步電機(jī)和異步電機(jī)的特點(diǎn)，拉引段目前大部分采用獨(dú)立的傳動(dòng)控制方式，電機(jī)選用同步電機(jī)，控制上選用變頻器傳動(dòng)，根據(jù)需要通過(guò)調(diào)整變頻器斜坡參數(shù)來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的加/減速時(shí)間，通過(guò)變頻器的軟啟動(dòng)和軟關(guān)閉，能減低啟動(dòng)電流，保證電機(jī)啟動(dòng)電流是額定電流的1.5～2倍。變頻器傳動(dòng)單元采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式以PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)，通過(guò)總線連接變頻器時(shí)時(shí)監(jiān)控電動(dòng)機(jī)的電流、電壓及轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其速度的精確控制，避免拉引段與主傳動(dòng)速度不一致帶來(lái)輥道線速度與玻璃帶速度不匹配產(chǎn)生跳齒和變頻器過(guò)流保護(hù)致使輥道停轉(zhuǎn)等問(wèn)題

2.2 加速分離

加速分離輥道是浮法玻璃生產(chǎn)線冷端的重要輸送設(shè)備，其作用是將橫向掰斷的玻璃板瞬間提速輸送，與下一塊未掰斷的玻璃板之間拉開(kāi)一定距離，為了滿足自動(dòng)掰邊、自動(dòng)落板和堆垛設(shè)備等工藝設(shè)備的操作時(shí)間，橫掰加速輥道曲線見(jiàn)圖4。

圖4 橫掰加速輥道曲線

由于加速分離輥道的加速和協(xié)調(diào)特殊功能，因此對(duì)其配置電機(jī)提出更高的要求。根據(jù)不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)裝置不同，計(jì)算公式不同，除了抗過(guò)載能力強(qiáng)和速度匹配以外，還需負(fù)載力矩和負(fù)載慣量的匹配，拉引段采用伺服電機(jī)。

控制上采用伺服控制器，交流伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器經(jīng)歷了模擬式、數(shù)模混合式的發(fā)展后，進(jìn)入了全數(shù)字的智能化時(shí)代。全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等，還充分發(fā)揮數(shù)字控制在控制精度上的優(yōu)勢(shì)和控制方法的靈活，伺服驅(qū)動(dòng)器采用數(shù)字信號(hào)處理器作為控制核心和使用智能控制功率模塊，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，同時(shí)具有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路，可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警數(shù)據(jù)的記錄，通過(guò)PROFIBUS-DP總線連接可以讀取電壓、電流和報(bào)警等信息實(shí)時(shí)反映到上位機(jī)界面，利于工作人員對(duì)電機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和及時(shí)維護(hù)。

2.3 掰邊裝置

掰邊傳動(dòng)是影響浮法玻璃生產(chǎn)成品率和外觀質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備之一，掰邊傳動(dòng)處輥道有時(shí)由于兩側(cè)速度不同步，造成玻璃板與輸送輥道之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使玻璃發(fā)生板偏和板移現(xiàn)象，直接影響玻璃的輸送和堆垛機(jī)處的定位及正位，甚至造成玻璃表面擦傷。形成原因：傳動(dòng)系統(tǒng)本身、輸送輥道和傳動(dòng)安裝、傳動(dòng)電機(jī)的選擇及電氣控制的方式。因此，減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)，以降低出現(xiàn)失步的機(jī)率，盡量采用與輥?zhàn)娱g距及安裝精度要求不高的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。根據(jù)同步電機(jī)的工作原理和特性，采用同步電機(jī)。

控制上采用變頻器控制，可以采用一個(gè)功率大的變頻器一拖二的方式控制兩側(cè)同步電機(jī)，也可以采用兩臺(tái)變頻器一對(duì)一控制，不過(guò)使兩臺(tái)電機(jī)保持同步只能在理想情況下實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上無(wú)法做到兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速完全一致，即使是同一頻率電源，兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也不完全一致，另外兩側(cè)設(shè)備安裝的松緊、齒輪嚙合的不一致和后期設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)磨損的不一致也導(dǎo)致不能同步，所以目前常采用兩臺(tái)變頻器來(lái)分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，通過(guò)外接編碼器采用電機(jī)真實(shí)轉(zhuǎn)速反饋，兩臺(tái)變頻器之間相互通訊，并設(shè)置成同步運(yùn)行模式。即使在后期由于設(shè)備磨損造成的轉(zhuǎn)速不一致，也可以通過(guò)調(diào)整變頻器內(nèi)部參數(shù)和PLC程序達(dá)到速度的基本一致，滿足生產(chǎn)的需要。

2.4 堆垛

玻璃市場(chǎng)對(duì)大板、厚板的需求旺盛，為了節(jié)能降耗，企業(yè)開(kāi)始選購(gòu)堆垛機(jī)、機(jī)械手替代人工堆垛，水平堆垛機(jī)、隨動(dòng)水平堆垛、機(jī)械手堆垛技術(shù)廣泛應(yīng)用并通過(guò)實(shí)踐證明能夠滿足生產(chǎn)線的工藝要求，這樣就要求電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的穩(wěn)定和電氣控制上對(duì)玻璃的精確定位。堆垛輥道速度頻繁變化，且要求精準(zhǔn)，在滿足工藝生產(chǎn)要求下并能提高可靠性、維護(hù)成本低、經(jīng)濟(jì)性能好、提高性價(jià)比的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)堆垛機(jī)下的輥道傳動(dòng)選用伺服電機(jī)，機(jī)械手下的輥道傳動(dòng)選用變頻電機(jī)。

控制上采用PLC程序與伺服控制器相配合的速度模式與位置模式的閉環(huán)控制，堆垛取片輥道速度變化曲線見(jiàn)圖5。

圖5 取片輥道速度變化曲線

伺服電機(jī)控制過(guò)程為：恒速、低速趨近定位點(diǎn)和升速，整個(gè)過(guò)程都是位置閉環(huán)控制，減速和低速趨近定位點(diǎn)這兩個(gè)過(guò)程對(duì)玻璃的定位精度有很重要的影響，完善伺服控制器參數(shù)設(shè)置，伺服控制器與電機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，一般需要和負(fù)載連接，使用自適應(yīng)匹配或者編程人員手動(dòng)調(diào)節(jié)，通過(guò)精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)，最大程度地降低海綿狀運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可以降低過(guò)調(diào)或定位完成后的振動(dòng)，并可通過(guò)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)調(diào)整，達(dá)到玻璃的精準(zhǔn)定位。

3 結(jié)語(yǔ)

浮法玻璃生產(chǎn)過(guò)程中相對(duì)獨(dú)立的幾個(gè)過(guò)程有效協(xié)調(diào)統(tǒng)一：

①分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，先進(jìn)的控制原理，靈活的操作控制方式和精良的硬件集成，使系統(tǒng)具有高度的靈活性和可靠性；采用總線控制，大大提高系統(tǒng)的精確性并可大量減少線纜用量降低工程施工費(fèi)用；

②控制功能完善，系統(tǒng)具有優(yōu)化、積片、待片、按質(zhì)和按規(guī)格分類取片、智能輸送、自動(dòng)堆垛等基本的控制功能；

③系統(tǒng)人機(jī)界面友好，動(dòng)態(tài)仿真流程圖，畫面效果逼真、信息豐富、操作方便，并具有豐富的操作管理功能；

④現(xiàn)場(chǎng)操作，尤其是取片終端的完善操作功能，保證了系統(tǒng)操作的即時(shí)性、靈活性和安全性；

⑤開(kāi)放的冷端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與全廠計(jì)算機(jī)管理信息網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)。