基于矢量控制變頻器的儲柜底帶出料均勻性的實現方法

尉澤民，程林峰，高衛，劉玉民，呂建國

（山東中煙工業公司濟南卷煙廠，山東 濟南 250104）

1 引言

煙草系統制絲車間都會用到很多儲柜，用來暫存生產工藝過程中的葉片、葉絲、煙梗、梗絲、膨脹絲、成品煙絲等煙草物料。儲柜容量一般設計比較大，大多數容量在4000～10000kg/柜。儲柜在出料時經常出現出料不均勻的情況，尤其是料頭和料尾出料時更為嚴重。產生這種現象的主要原因：一是底帶兩側的鏈條處于松弛狀態無法再進行張緊處理。容量較大的儲柜在出料時底帶兩側鏈條承受很大的張力，經過長時間的運行在鏈條的鏈節鏈接處產生變形，鏈節的鏈接處間隙緩慢變大，底帶每側200余節的鏈節就會被慢慢拉伸出200mm以上的長度，超過儲柜底帶兩側張緊調節能力。二是底帶電機反復啟停造成出料不及時。儲柜在出料時，底帶兩側鏈條在受減速電機牽引的正向作用力下，會張緊變形，對減速電機產生很大的反作用力。當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會停止運行，這時底帶兩側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。底帶電機停止運行，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上，帶動減速電機反轉運行，直到反作用力釋放完。經過估算，電機大約反轉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正向運行來彌補，在彌補期間會造成出料段設備上缺料。如果底帶電機頻率調整不恰當，出料量過大，定量管進料時間很短，就會影響儲柜出料，很容易出現底帶電機第一次彌補過程尚未完成或剛開始出料設備就停止運行，出料段設備再次啟動后進入第二次彌補過程，甚至出現第三次或更多次彌補過程，造成出料段設備上長距離缺料或斷續缺料的狀態，定量管中就會出現缺料或斷料，造成出料均勻性差，甚至可能對產品質量造成一定影響。

提高儲柜底帶出料的均勻性，通常可以有以下三種解決方案：一是更換鏈條的方法。該方案的優點是：直接解決問題。缺點是：費用很高。更換鏈條至少需要3天時間，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較大成本，另外更換鏈條時底帶上的皮帶也同時需要更換，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儲柜底帶出料不均勻的缺陷，最終達到物料的均勻性，滿足生產需求。該方案的優點是：設備適應能力更強，無論大流量還是小流量，均能做到出料均勻。缺點是：成本高，需要有合適的安裝場地。三是采用抱閘電機的方法。將現在使用的減速電機更換為帶抱閘功能的減速電機。在電機停止運行時依靠抱閘鎖緊電機轉軸，阻止底帶及其上的物料后退，電機再次運行時釋放抱閘。底帶因沒有出現后退，物料可以隨底帶前進直接從儲柜內部出來，保證儲柜底帶出料的均勻性。該方案的優點是：結構簡單，改造相對容易。缺點是：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赫茲運行法是采用矢量控制型變頻器在0赫茲運行時也可產生電磁轉矩的原理來實現的。采用矢量控制型變頻器在0赫茲運行時，釋放的激磁電流和轉矩電流合成的矢量電流產生的電磁轉矩抵消底帶后退時的反作用力，阻止底帶及其上的物料后退。本方法通過修改PLC控制程序和增加強制風冷風機控制電路，相對比較容易，費用低，后期維護方便。

2 系統組成和工作原理

2.1 儲柜出料系統組成

圖1 儲柜出料系統流程圖

儲柜出料系統流程圖如圖1所示。儲柜為U型柜體，從端頭出料或中間出料，驅動器件包括底帶電機和撥輥電機；輸送帶根據空間位置、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。

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定子電流矢量來實現矢量控制。根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。具體方法是：用數學的方法將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量 (勵磁電流) 和產生轉矩的電流分量 (轉矩電流) ，再分別加以控制，并同時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速范圍上與直流電動機相媲美，而且可以控制異步電動機產生的轉矩。也就是說，采用矢量控制型變頻器工作在0Hz頻率時可以輸出電磁轉矩。矢量控制方式又有基于轉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 實現過程

3.1 資料和工具的準備

首先以儲梗絲柜為研究對象進行實驗。實現儲柜底帶出料均勻性需要作以下準備：

PLC編程器1臺，內裝西門子Step7 V5．5編程軟件；

儲梗絲柜所在的主控柜PLC應用程序1份；

電機冷卻風扇1臺；

單極開關和繼電器各1個，導線和電纜若干。

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程序為2個標準功能FC305和FC307。FC305提供兩個輸出信號，一個是變頻器準備好信號，說明變頻器狀態正常，可以正常使用；另一個是變頻器運行信號，該信號用于FC307輸出變頻器控制字的開關信號。FC307還接收來自操作面板上的頻率設定值，用于變頻器的調速。

要想實現變頻器的0赫茲運行，就需要對控制程序進行相應修改。對FC307的變頻器運行信號用準備好信號代替，即準備好信號為1，變頻器就發出啟動變頻器運行的控制字；反之，就發出停止變頻器運行的控制字。FC305輸出的變頻器運行信號用于頻率值的設定，即變頻器運行信號為1，發給變頻器的頻率值為面板上的設定值；反之，為0赫茲。

3.3 修改后的儲柜底帶變頻器程序

根據分析的結果，對變頻器控制程序進行了如下修改。

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，實現準備好信號為1，變頻器就發出啟動變頻器運行的控制字；反之，就發出停止變頻器運行的控制字。在變頻器的頻率設定方面，增加頻率設定程序段（圖4所示），在變頻器準備好的情況下FC305的Out條件為1，發給變頻器的頻率值為面板上的設定值；反之，為0赫茲。

3.4 初步實驗結果

通過實驗，發現當變頻器從正常運行頻率突然減小到0赫茲時減速電機會快速反轉10余圈，而后緩慢反轉約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產生的轉矩略小于底帶的反作用力矩。變頻器在0赫茲時產生的力矩基本上可以抵消底帶后退時的反作用力矩。電機反轉10余圈相對底帶后退的距離可以忽略不計。

圖4 新增頻率設定梯形圖

3.5 電機冷卻系統設計

3.5.1 電路圖設計

因為在0Hz時電機是靜止的，速度為零，變頻器的激磁電流和轉矩電流合成的矢量電流施加到電機上，電機會生熱。異步電動機尾部的冷卻鳳翅也跟電機軸一同保持不動，不能起到冷卻作用。常溫下測量電機外殼溫度在50℃上下，可以說對電機沒有太大影響。為保險起見，還是為電機設計了冷卻系統，如圖5所示。

圖5 電機冷卻系統電路圖

3.5.2 器件選型及安裝

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

3.5.3 修改PLC程序

A Q87．0 //底帶電機準備好

= Q88．7 //風扇電機啟動信號

只要底帶電機的準備好信號為1，冷卻風扇就保持運行狀態，當變頻器停止運行時冷卻風扇電機才停止運行，完全符合設計要求。

3.5.4 電機冷卻效果驗證

底帶電機運行期間，冷卻風扇會持續運行，測量底帶電機的表面溫度約為27℃，略高于環境溫度，完全滿足電氣技術要求。

4 使用效果及推廣應用

改造前，變頻器從正常運行到突然停止，減速電機會快速反轉約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正向運行來彌補，在彌補期間會造成出料段設備上缺料。改造后，梗絲柜底帶在僅有準備好信號啟動變頻器且0赫茲運行時基本保持張緊靜止狀態，不會出現后退現象；當再次出現運行信號時變頻器以設定頻率驅動底帶電機運行，能夠及時向出料口出料，梗絲出料均勻性相對穩定，能夠為梗絲秤均勻提供梗絲物料，為產品質量提供設備保障，滿足工藝需求。

改造后，控制系統運行也非常穩定。經過1年多的實際運行檢驗，變頻器及其控制系統運行穩定，控制效果良好，儲柜底帶出料的均勻性完全能夠滿足實際需求。

鑒于本改造成本低廉，易于實施，效果明顯，運行穩定等優點，本成果已推廣應用到制絲車間其它7臺儲柜底帶電機控制上。

[1]巫海鷹． 柜式喂料機出料流量控制方式的改進[J]． 煙草科技 ,2013 (9)： 33-34,38．

[2]王燕慶． 卷煙廠物流庫夾抱合分機控制方式的改進[J]． 煙草科技 ,2013 (7)： 20-23．

[3]戴宇昕,李楠． 煙草柜式喂料機的改進[J]． 煙草科技,2012 (2)：19-22．

[4]白玉輝．西門子變頻器在冶金起重機中的應用[J]．科技資訊,2007(22) ．

[5]陳龍． 變頻器電容反饋制動優越性的探討[J]． 科技資訊．2007(01) ．

[6]康日霞． 單純用動力制動下放位能負載及其調速[J]． 機械管理開發 ． 2006(06) ．

[7]段蘇振． 交流變頻調速技術在門式起重機中的應用[J]． 電氣傳動 ． 2005(01) ．

[8]段蘇振． 交流變頻調速的電氣制動方式[J]． 機床電器．2004(03) ．

[9]王東紅,龐桂新,呂治平．位能負載中變頻器的選用原則及注意事項 [J]． 建筑機械化 ． 2004(06) ．

[10]劉煥江．起重機交流調速系統特點[J]． 起重運輸機械．2004(05) ．

[11]文尚華,涂俊奇,白林武,張科． 用變頻器實現冶金吊車的變頻調速 [J]．四川冶金 ． 2002(01) ．

[12]張建國． 2500t/h抓斗卸船機的技術性能[J]． 起重運輸機械．2001(01) ．

[13]馮立杰． 交交變頻調速技術在礦井中的應用[J]． 中州煤炭．1997(02) ．