小料稱量系統(tǒng)的電氣分析與故障診斷

◇蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王熙雛 張淑紅

本文論述了一種混料機(jī)的小料稱量系統(tǒng)的稱量原理，并給出其控制結(jié)構(gòu)框圖，闡述了其控制過程。同時著重對系統(tǒng)電氣部分進(jìn)行分析，并歸納了電氣部分出現(xiàn)的一些常見故障，為維保人員能夠準(zhǔn)確分析和判定故障提供參考。

PVC型材生產(chǎn)中，稱量配料一般分為小料稱量和主料稱量，相對來講，小料所占配比小，對稱量精度要求較高，且主料稱量的工作原理與小料稱量相似，故本文主要介紹小料稱量系統(tǒng)，小料稱量系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，由電氣部分和機(jī)械部分組成。本文將對小料稱量系統(tǒng)的工作原理、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖進(jìn)行定性分析，并著重研究系統(tǒng)中的電氣部分，總結(jié)出有關(guān)故障診斷信息，供現(xiàn)場維保參考。

1 小料稱量系統(tǒng)

1.1 稱量原理

小料稱量裝置主要由電動機(jī)、小料倉、計量螺桿、傳感元件、秤體等組成，如圖1所示，稱量具體流程是：當(dāng)打開蓋子后，開始倒料，光電開關(guān)感應(yīng)到信號并反饋給PLC；同時啟動振動電動機(jī)，防止過濾篩架料，料斗也很重要，主要起過渡作用，防止架料和掛壁，促使小料順暢流動；抽板閥正常時打開，故障維修時手動關(guān)閉；開始稱量時，上面的下料閥打開，調(diào)速電機(jī)由變頻器控制速度，并通過減速箱驅(qū)動計量螺桿輸料到秤體；秤體上面和下料閥下面都使用布袋軟連接，這是為了防止外部因素的影響，減小沖擊，提高稱量精度。

圖1 小料稱量系統(tǒng)原理圖

小料稱量過程中，秤體中有振動器，高速稱量時，振動器工作，防止小料掛壁粘連和架橋，低速稱量時，小料份量極少，振動器不工作，防止影響秤體。另外，PLC控制整個稱量過程，當(dāng)任一環(huán)節(jié)出錯，系統(tǒng)停止工作并且報警。

1.2 稱量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

小料稱量系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，對小料稱量系統(tǒng)的控制過程進(jìn)行分析，得出其結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。PC機(jī)和PLC預(yù)先輸入給定信號，如配方、速度等，啟動系統(tǒng)后將產(chǎn)生相應(yīng)輸出，PLC比較各種信號后驅(qū)動變頻器，將電流信號變換成頻率（電壓）信號，從而驅(qū)動執(zhí)行單元工作，下料到秤體，秤體輸出小料質(zhì)量G再通過測量單元反饋到輸入端，若有偏差，系統(tǒng)就會自動糾正，因而提高系統(tǒng)控制精度。

圖2 小料稱量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 電氣分析與故障診斷

由結(jié)構(gòu)框圖可知稱量系統(tǒng)分為機(jī)械部分和電氣部分，系統(tǒng)運(yùn)行的質(zhì)量由電氣部分控制，故障診斷信息也由電氣部分提供，可見電氣部分在自動化稱量過程中起到核心作用。小料稱量系統(tǒng)的電氣部分由PLC、變頻器、電機(jī)、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器等組成。現(xiàn)對小料稱量系統(tǒng)的電氣部分進(jìn)行分析并歸納出故障診斷信息。

2.1 調(diào)速部分

PLC將人為設(shè)定好的頻率參數(shù)，轉(zhuǎn)化為4-20mA的電流信號，從而驅(qū)動變頻器輸出相應(yīng)的電源來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)帶動螺桿按照想要的速度動作，完成下料。由此可見，PLC、變頻器、調(diào)速電機(jī)實現(xiàn)了變頻調(diào)速的功能，構(gòu)成了稱量系統(tǒng)的調(diào)速部分。

（1）調(diào)速控制構(gòu)成?？紤]到經(jīng)濟(jì)性和緊湊性，通常是由一個變頻器根據(jù)程序設(shè)定先后驅(qū)動5-6個電機(jī)。在異步電動機(jī)確定后，系統(tǒng)通常會根據(jù)電動機(jī)的額定電流來選擇變頻器或者根據(jù)電動機(jī)實際運(yùn)行中的最大電流值來選擇變頻器。本系統(tǒng)采用的是丹佛斯5001/2805變頻器，此變頻器控制精度高、使用方便、反應(yīng)迅速，既滿足系統(tǒng)需要又經(jīng)濟(jì)合理。

由于系統(tǒng)要求的動態(tài)性能不高，系統(tǒng)調(diào)速控制采用的是比較簡單的開環(huán)u/f控制，u/f控制使變頻器的輸出在改變頻率的同時也改變電壓，通常使u/f保持常數(shù)，這樣可以使電動機(jī)磁通保持一定，從而電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率、功率因素在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)保持不降。圖3給出的是u/f控制的構(gòu)成簡圖。

圖3 u/f控制的構(gòu)成

圖3所示的為采用PWM變頻器的控制情況，除電壓模式發(fā)生部分外，還有加減速時間給定時的傾斜信號發(fā)生部分和防止過電流、過電壓的加減速抑制部分。

（2）調(diào)速部分故障診斷。丹佛斯5001/2805變頻器有信息顯示屏，當(dāng)與變頻器相關(guān)部分發(fā)生電氣故障時，可通過分析顯示屏上出現(xiàn)的信息來排除故障。根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料與現(xiàn)場使用經(jīng)驗，現(xiàn)對常見故障報警信息和維修對策進(jìn)行分析，如表1所示。

2.2 測量部分

如圖2所示，測量部分是實現(xiàn)反饋的通道，它由傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器組成，傳感器把輸出量G轉(zhuǎn)換成電壓U，再通過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量U變換成數(shù)字量反饋給PLC，因此選擇好合適的測量部分尤為重要，它的性能好壞將影響整個稱量系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性。

（1）傳感器。傳感器是用來測量的，它以一定的精度把被測量變換成易于處理，與之有確定關(guān)系的另外一種物理量，一般來說，傳感器的輸出多是易于處理的電量，如電壓、電流等。在小料稱量系統(tǒng)中，傳感器是秤體的心臟，它的選用非常關(guān)鍵，本系統(tǒng)的重量檢測是通過三個重力傳感器并聯(lián)組成，其工作原理如圖4所示，電阻應(yīng)變片充當(dāng)著敏感元件和傳感元件的作用，其將重量增量△G轉(zhuǎn)換成電參量△R，橋式轉(zhuǎn)換電路將這一變化量轉(zhuǎn)換成易于處理的電路△U。

圖4 傳感器原理框圖

傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示，三個傳感器的并聯(lián)接線圖如圖5所示，它是一種高精度、高可靠的傳感器。

表2 傳感器主要技術(shù)參數(shù)

圖5 傳感器并聯(lián)接線圖

由圖5可知，此傳感器提供的是7線連接技術(shù)，使用時可使用7線或5線（去除SENS線），使用5線連接技術(shù)時，SENS線要與電源電壓線短接，為了保證稱量系統(tǒng)的精度，傳感器安裝時要嚴(yán)格按照說明書的細(xì)則來進(jìn)行操作：①安裝時要清理、整潔其安裝面，不得有油污、凹凸不平狀，使其水平且光滑；②安裝傳感器時防止碰撞、跌落，要輕拿輕放，否則會損壞其測量性能；③連接電纜采用屏蔽電纜，不能短接；④為了避免電磁干擾，連接電纜需放在導(dǎo)線管和獨(dú)立的橋架內(nèi)，不可與控制電纜并排放，與其他電纜距離至少要保持30毫米以上；⑤為了起到屏蔽作用，要用金屬接線盒，接線盒里的電纜并聯(lián)連接；⑥安裝和處理傳感器時，要小于其額定載荷，不能過載；⑦傳感器要用平蓋保護(hù)，防止外部機(jī)械干擾；⑧為了防止閃電流過傳感器，秤體和支架需通過銅電纜接地；⑨橫向力、側(cè)向力、偏心負(fù)荷、附加彎矩扭矩的產(chǎn)生都會引起測量誤差，要盡量避免這些不利因素。

（2）A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換就是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便計算機(jī)處理。本系統(tǒng)采用的是RWA-A/D轉(zhuǎn)換器，它可以將傳感器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并且顯示出來，我們可以從它自帶的LCD單元上讀出被稱小料的實際重量，另外如果出現(xiàn)故障，其顯示單元上會顯示錯誤信息，起到報警作用。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 A/D轉(zhuǎn)換器主要技術(shù)參數(shù)

（3）測量部分故障診斷。測量部分在使用過程中會出現(xiàn)一些常見故障，影響稱量精度，現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場工作經(jīng)驗以及參考有關(guān)技術(shù)資料對常見故障及維修對策歸納如下：

a、傳感器將被測量G轉(zhuǎn)換成電壓U,在此傳遞信號過程中，若受到干擾，信號會失真，無法還原，所以我們在安裝布線時要選擇質(zhì)量好、低電容值的屏蔽電纜，連接電纜要和其它電纜保持距離，不可混放。

b、當(dāng)測量值出現(xiàn)粗大誤差時，還要檢測布線，看是否出現(xiàn)連接錯誤，三個傳感器在并聯(lián)時，相同信號線間是否未連接好，導(dǎo)致接觸電阻過大；接地線、A/D轉(zhuǎn)換器入口接線是否符合安裝接線要求；所用電纜質(zhì)量是否符合要求。

c、同時，當(dāng)出現(xiàn)一些故障時，A/D轉(zhuǎn)換器自帶的LCD單元也會出現(xiàn)報警提示信息，這給故障維修工作提供了許多方便，具體信息如下：①秤體在工作時受到外部的振動和沖擊時，會顯示秤體不穩(wěn)定；②零點(diǎn)誤差過高時，會提示零點(diǎn)糾正；③A/D轉(zhuǎn)換器的監(jiān)控器出現(xiàn)錯誤，也有提示；④當(dāng)測量值超過傳感器額定負(fù)載的150%或低于額定負(fù)載的0.25%，或超過設(shè)定稱量范圍的110%都會有不同的錯誤提示；⑤傳感器接線不正確時，如斷線、接觸不良等都會有提示；⑥當(dāng)轉(zhuǎn)換器配備的BCD接口外部供應(yīng)電壓中斷時，將每分鐘循環(huán)地產(chǎn)生錯誤信息。

3 結(jié)束語

本文分析了小料稱量系統(tǒng)的稱量原理及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并著重分析了該系統(tǒng)的電氣部分以及該部分出現(xiàn)的一些常見故障，對實際工作中的日常維護(hù)、故障排除、技術(shù)改造都具有一定的技術(shù)參考價值。當(dāng)然，對電氣部分的常見故障只做了簡單的歸納分析，還有待進(jìn)一步的完善。