變頻調(diào)速技術(shù)在專用行車改造的應(yīng)用

謝 強

（銅陵有色金屬集團股份公司 金冠銅業(yè)分公司， 安徽 銅陵 244001）

1 引言

新時期，我國綜合國力開始進入高層維度，經(jīng)濟總量迅猛提升，各個領(lǐng)域發(fā)展速度日益加快，人民群眾開始追求高品質(zhì)生活。不斷增長的需求為社會的良好發(fā)展提供了源源不斷地動力，在此形勢下，自動化隨之出現(xiàn)，同時發(fā)展迅猛，在各個領(lǐng)域中運用越來越廣泛。其中，變頻調(diào)速技術(shù)是工業(yè)自動化控制中極為重要的一部分，其既能讓資源得到節(jié)省，同時還可以促進動作效率提升，以堅實的基礎(chǔ)助推工業(yè)良好發(fā)展［1］。本文主要闡述變頻調(diào)速技術(shù)在銅陵有色金冠銅業(yè)分公司的應(yīng)用，著重介紹了該技術(shù)在電解專用吊車技術(shù)改造應(yīng)用，取得良好效果。本文還展望了變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢。

2 變頻調(diào)速技術(shù)

變頻調(diào)速技術(shù)主要由自適應(yīng)電動機模型單元、轉(zhuǎn)矩和磁通比較器兩個部分構(gòu)成，前者是變頻調(diào)速技術(shù)中不可或缺的一部分，其可以對輸入發(fā)動機的電流和電壓數(shù)據(jù)進行精確檢測，給予工作技術(shù)人員幫助，使其充分掌握相關(guān)數(shù)據(jù)，從而更好地應(yīng)用技術(shù)［2］；后者可以有效比較兩種所展現(xiàn)的反饋值以及參考值，然后借助磁場和轉(zhuǎn)矩情況，利用滯環(huán)調(diào)節(jié)器開展輸出工作，可以加深工作人員對磁場狀態(tài)以及轉(zhuǎn)矩狀況的了解。

3 變頻調(diào)速技術(shù)在金冠銅業(yè)分公司的應(yīng)用

變頻調(diào)速技術(shù)在金冠銅業(yè)分公司得到了廣泛應(yīng)用，主要用在以下幾個方面：

（1）以節(jié)能為目標(biāo)，主要應(yīng)用于各類風(fēng)機和泵，典型代表是適配二氧化硫風(fēng)機的高壓變頻器，功率達到5500kW；

（2）基于精確控制為目標(biāo)，典型代表是適配定量給料的皮帶和螺旋給料機；

（3）基于防搖擺和速度曲線控制為目標(biāo)，典型代表是冶煉行車和銅電解專用行車。

4 變頻調(diào)速技術(shù)在銅電解專用行車改造中的運用

4.1 銅電解專用行車簡介

銅陵有色金冠銅業(yè)分公司奧爐電解車間廠房東西兩側(cè)布置了電解槽，電解廠房中部從西至東依次配置了 1#陰極剝片機組、陽極整形機組、殘極洗滌機組。兩臺陰極剝片機組在電解車間北側(cè)出陰極銅，陽極機組和殘極機組在電解車間南面進出陽極板和殘陽極。廠房內(nèi)配置電解專用行車2臺，用于起吊整槽陽極板、陰極板進行出裝槽作業(yè)及配合機組進行操作。

4.2 改造前銅電解專用行車

銅電解專用行車主要由橋架、大車運行機構(gòu)、小車、專用吊具、3.2T移動葫蘆、司機室、電氣控制系統(tǒng)組成。專用行車定位主要靠行車操作人員駕駛行車至電解槽上的定位錐上方進行人工定位，該定位方式造成定位速度慢、精度差。專用行車的吊具起升、大車、小車運行全部采用在轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，這種調(diào)速方式優(yōu)點是投資少、電網(wǎng)功率因數(shù)高、無諧波污染；缺點是有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差,無法得到平滑了速度曲線，會造成專用行車行駛速度慢，裝出槽作業(yè)效率低下；機械特性軟，轉(zhuǎn)速越低，機械特性越軟,能耗越高［3］。現(xiàn)在專用行車已成為車間提高電解銅產(chǎn)能的瓶頸。2020年，金冠銅業(yè)分公司奧爐電解車間同時啟動了擴大電解銅產(chǎn)能和專用吊車改造兩項工程。

4.3 改造后銅電解專用行車系統(tǒng)組成

銅電解專用吊車此次改造主要針對以下幾個方面：吊具、電機驅(qū)動、控制系統(tǒng)。吊具采用了與固定框架、活動框架、吊鉤等組成，可以實現(xiàn)單極和雙極兩種作業(yè)方式；電機驅(qū)動全部采用變頻器驅(qū)動，實現(xiàn)無級調(diào)速；行車控制系統(tǒng)使用了最新的西門子S7-1500，通過觸摸屏控制，使操作更加便捷。

4.3.1 PLC集中控制系統(tǒng)

圖1 銅電解專用行車PLC集中控制系統(tǒng)

此次電控系統(tǒng)改造另一重點就是PLC控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通過PLC和變頻器頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法，給定的速度與經(jīng)由PLC高速計數(shù)模塊反饋回來的實際速度相減產(chǎn)生速度誤差，經(jīng)PLC運算得到控制量，再由PROFINET接口輸出到變頻器以驅(qū)動電機，從而達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。由于PLC與變頻器之間沒有采用D/A進行轉(zhuǎn)換，而是采用了PROFINET進行數(shù)字通信，有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力［4］。

此次專用行車PLC控制系統(tǒng)選用西門子S7-1500控制系統(tǒng)。整個專用行車PLC控制系統(tǒng)由觸摸屏、變頻器、PLC、定位系統(tǒng)借助工業(yè)以太網(wǎng)將一套健全的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建成。整個控制網(wǎng)絡(luò)具有可擴展性，并與剝片機組、陽極機組和殘極機組的控制系統(tǒng)組成電解銅裝出槽作業(yè)完整的控制網(wǎng)絡(luò)，通過安全聯(lián)鎖可以提高三套機組和行車作業(yè)的安全可靠性。

4.3.2 定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)是整個行車電控系統(tǒng)中的一個非常重要的部分，其性能直接影響著車間吊運極板的效率。本系統(tǒng)中大車和小車采用激光測距儀進行精確距離冗余測量。高度方向的定位采用設(shè)置在卷筒軸上的多圈絕對值脈沖編碼器來實現(xiàn)。PLC系統(tǒng)通過控制網(wǎng)絡(luò)從測距定位設(shè)備獲取了X、Y、Z三軸方向的絕對值坐標(biāo)。

4.3.3 變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)

專用行車的吊具起升、大車、小車運行全部采用變頻調(diào)速，本系統(tǒng)中變頻器采用西門子公司的G120系列產(chǎn)品，實現(xiàn)對各機構(gòu)的精確轉(zhuǎn)矩和速度控制。G120變頻器通過數(shù)字式、智能化設(shè)計，能夠方便靈活的設(shè)定各種參數(shù)，實現(xiàn)穩(wěn)定的低速運行。具有軟啟動、軟制動特性，減少機械沖擊，延長機構(gòu)的使用壽命，能夠自動的監(jiān)測故障，提高了調(diào)速系統(tǒng)的可靠性。同時變頻器輸入端設(shè)置的電抗器能有效抑制浪涌電壓和浪涌電流，保護變頻器和防止諧波干擾，延長其使用壽命，同時降低變頻器對其他設(shè)備干擾，改善電網(wǎng)質(zhì)量。

4.4 改造后專用吊車運行方式

專用行車有三種操作模式：手動模式、半自動模式和全自動模式，由于生產(chǎn)現(xiàn)場實際經(jīng)常需要人為干預(yù)，現(xiàn)在多采用半自動模式。

通過定位系統(tǒng)可以使專用行車獲得起始位置和目標(biāo)位置，通過PLC控制系統(tǒng)可以計算行車的行駛路徑，而通過變頻器能獲得行車最佳的加速和減速曲線。三者結(jié)合在一起解決了專用行車智能化作業(yè)的問題即“我們在哪里，去哪里、干什么和怎么干”。專用行車可以自行分辨出什么負(fù)荷，在負(fù)荷不同的情況下實現(xiàn)行車的速度的最優(yōu)化和效率最大化即從啟動位置到達目標(biāo)位置過程中，大、小車能夠交叉運行，實現(xiàn)吊架到目標(biāo)位置的直線到達。

4.5 改造效果

改造后銅電解專用行車明顯具有更好定位精度、更完美的運行軌跡和更加卓越的作業(yè)效率。表1是專用行車改造前后主要指標(biāo)對比情況。

表1 改造前后效果對比表

使用變頻調(diào)速技術(shù)，可以使專用行車實現(xiàn)快速起步、高速行駛、快速減速的全程高速運行。如果說PLC控制系統(tǒng)是銅電解專用行車的大腦，PROFINET以太網(wǎng)絡(luò)是神經(jīng)單元，那么變頻器則在專用行車扮演了具有兼具接受PLC指令和指揮電動機運行的二傳手，在行車運行中起到十分重要的作用。

5 變頻調(diào)速技術(shù)未來發(fā)展趨勢

5.1 開關(guān)器件

從目前發(fā)展形勢分析，智能化變頻裝置成為了工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，其能夠自動化監(jiān)測系統(tǒng)中保護、控制及功率等相關(guān)變化情況，科學(xué)調(diào)整與全面監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，以此來提高系統(tǒng)運行的安全性，為工業(yè)體系構(gòu)建打下牢固的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代工業(yè)中，變頻調(diào)速技術(shù)必須具有強大的功能，應(yīng)積極研發(fā)出高性能的開關(guān)元器件，這是變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展的重點。

5.2 變頻控制電路

當(dāng)前，我國高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)自動化、數(shù)字化水平較高，能夠?qū)ο到y(tǒng)進行全方位調(diào)控［5］。然而，數(shù)字化、自動化等性能還需進一步提高，發(fā)展?jié)摿^大。所以，隨著技術(shù)的日益革新，我們應(yīng)積極引入更多的新技術(shù)元素，大膽嘗試，將其引入到變頻調(diào)速技術(shù)中，對整個系統(tǒng)進行高效控制。

5.3 矢量控制

對于高性能電機系統(tǒng)而言，矢量控制是關(guān)鍵性技術(shù)，其包含了大量重要的科學(xué)技術(shù)類型，如參數(shù)識別技術(shù)、磁通觀測技術(shù)等，這些技術(shù)能夠?qū)﹂_關(guān)頻率進行有效調(diào)節(jié)，進而改變電壓波形［6］。所以，為了緊跟時代發(fā)展，應(yīng)對矢量控制技術(shù)進行重點研究，將其引入到變頻調(diào)速技術(shù)中，確保其在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中彰顯更高的價值。

6 結(jié)語

憑借特殊的性能，變頻調(diào)控技術(shù)廣泛運用于工業(yè)生產(chǎn)中，有力地保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定性?；诠I(yè)自動化需求，憑借變頻調(diào)控技術(shù)的獨特優(yōu)勢，廣泛推廣運用這一技術(shù)，可整體提高工業(yè)生產(chǎn)自動化水平，實現(xiàn)高效生產(chǎn)，獲取更大的經(jīng)濟效益。