電機運動控制技術在浮法玻璃生產線上應用研究

孫青淼

（西安職業技術學院，陜西西安，710032）

0 引言

隨著通信技術、計算機技術以及自動化技術的快速研發與應用，電動機的運動控制技術、系統性能等均得到顯著提升，促進了各行各業的發展，交流變頻調速控制、精密伺服控制等先進控制技術在浮法玻璃的生產線上有著廣泛應用。浮法玻璃屬于平板玻璃制造中的一種生產方式，隨著工業生產自動化程度的加深，促進了玻璃生產的優化切裁和精確檢測。電機運動控制技術的引入，不僅可以提升輥道的控制效果，延長電機的使用壽命，還能減少生產中電能的消耗，具有重要應用意義[1]。

1 電機運動控制概述

■1.1 電動機分類

對同步電動機、異步電動機和伺服電動機進行簡述。同步電機中，轉子產生固定方向的磁場，定子隨著轉子磁場轉動，轉子的轉速就是電機的轉速。異步電機，三相定子繞組流過電流產生三相磁動勢，生成旋轉磁場，轉子相當于一個導體，因存在電流，在磁場中受到電磁感應，形成電磁轉矩，驅使轉子旋轉，電機的轉速不同于旋轉磁場的轉速，而是小于選裝磁場轉速。伺服電機有交流形式也有直流的形式，使用較多的是交流類型。伺服電機的轉速調節范圍較寬泛，直流伺服電動機有著較好的線性調節特性，且能夠快速響應。

■1.2 電機運動控制

電機運動控制主要包括速度控制和位置控制兩方面的內容，速度方面包括電機調速范圍與效率、調速均勻與平滑性、響應時間以及加減速性能等等。位置方面的控制，包括對電機直線移動和角度變換的控制、矢量控制、轉矩控制等，涉及到電機分辨率與定位精確性等。

常用的電機運動控制系統，有交流變頻調速控制系統、交流伺服控制系統與有刷直流電機控制系統等，且這幾種電機運動控制技術對于浮法玻璃的生產線發揮著重要作用[2]。

2 浮法玻璃生產線冷端主要設備

■2.1 浮法玻璃生產工藝

浮法玻璃的生產是在錫槽中完成，錫槽中要有氮氣和氫氣保護氣體，熔融玻璃的密度小于錫液的密度，因此從池窯中流出后，會漂浮在錫液表面上，因自身重力和液體表面張力，錫液面上會形成均勻的玻璃液層，經平整、硬化、冷卻工序后，被引上過渡輥臺。輥臺的運動帶動玻璃離開錫槽進入退火窯，經退火、切割以及精細化加工，浮法玻璃的生產過程就完成了。浮法玻璃的生產成型工藝，能夠制作出更加優質的平板玻璃，玻璃的厚度均勻、表面平整光滑，成型方式能夠被大規模生產線應用，相對于其他生產方式，浮法玻璃生產出的玻璃產品能耗較低，成品利用率高，設備或技術的自動化和機械化標準高，使用壽命長，能夠實現浮法玻璃的長期穩定生產。

■2.2 浮法玻璃生產線冷端主要設備

2.2.1 應急落板

應急落板是一種用于玻璃帶出現問題或者設備出現故障等非正常狀況下的應急裝置，位于連續玻璃帶由池窯進入切裁工序的入口，應急落板的設定也可用于更換產品品種時發揮作用，將原有玻璃帶全部清除。

2.2.2 傳送輥道

傳送輥道的作用是將玻璃產品進行運輸，是整個生產線的重要傳輸設備。裝置主要由伺服電機、同步帶及帶輪、齒輪電機、輥子以及軸承等部分組成。

2.2.3 測長發訊設備

測長發訊設備主要對玻璃板長度和板邊擺動進行測量，這些數據能夠實現對切割系統的優化與改進。測長發訊設備的組成包括測長輪、測長發訊橋、升降定位氣缸等部分。

2.2.4 縱切機

縱切機設備是生產線對玻璃進行縱向切割的重要設備，整體結構由主支架、可移動刀架機構、傳動機構等部分組成。主支架上載有切割設備，可移動刀架能夠自動調整位置，系統確定玻璃切割位置以后，傳動系統將刀架機構移到工作位置。切割過程為：刀架升降氣缸下降，切割刀位于玻璃表面，同時壓力磁鐵會壓緊切割刀，用滾輪壓緊玻璃表面防止移動，進行切割[3]。

2.2.5 橫切機

橫切機的切割方向為橫向。橫切機組成設備與縱切機相類似，除了移動刀架機構，其他組成基本相同。切割設備都位于主支架，伺服電機驅動齒形帶，帶動可移動刀架在軌道上做往復運動，對玻璃進行橫向切割，切割是在前進過程中完成，后退時，刀架上升，快速后退，不進行切割作業。與縱切機的切割過程類似，系統確定玻璃切割位置以后刀架機構靠近目標位置，此時刀架升降氣缸下降，滾輪壓緊玻璃，刀頭進行切割，同時前進。

2.2.6 自動堆垛機

玻璃生產完成以后，由自動堆垛機，將其從主線傳送帶上吸起，以固定堆放方式，放到堆垛旋轉平臺上。主要組成包括堆垛機、傳送輥道以及旋轉平臺等。

3 幾種常用電機控制技術

■3.1 有刷直流電機控制技術

有刷直流電機的定子上，兩極均有主磁極和電刷，轉子上安裝整流子和電樞繞組線圈。直流電通過整流子（換向器）和定子上的電刷進入電樞繞組線圈，形成電樞電流，生成磁場，與主磁場相互作用，在轉子上形成旋轉力矩，使電機旋轉帶動負載。直流電機控制技術的最大特點是起動、制動以及調速性能優異。直流調速系統速率可調范圍寬、機械轉距特性硬，且性價比高。隨著電力電子技術的不斷研發，直流電氣傳動能夠采用可控硅整流器對功率控制，可控硅導通角的改變，能夠對整流器輸出電壓大小進行調節，完成對直流電機運轉速率的調節[4]。直流電機控制技術不斷向著更加數字化、自動化方向發展。

■3.2 交流變頻調速控制技術

隨著通訊技術、電力電子技術以及計算機技術的發展，交流變頻調速控制技術也更加完善，變頻器對電機的調速能夠做到恒轉距平滑調速，可用于電機起動到運行的整個調速過程。浮法玻璃生產線冷端的主輥道及分片線支輥道，都可良好采用這一特點。變頻器啟動電機運轉的瞬間，不會對電機、電纜等組件產生沖擊電流，有效保護了設備的正常使用，減輕了維護人員的工作量和企業的檢修支出。同時，采用變頻調速控制技術，電機轉速會比額定轉速低，有效避免了對電機軸承、冷卻風機等部分的運轉損耗，因此能夠保證設備的較長使用壽命。

異步電機交流變頻調速技術的基本原理是電源輸入頻率和電機轉速之間的正比關系，用公式可表示為：

式中n代表轉速，f為頻率，s代表電機轉差率，p表示電機磁極對數，通過對電機工作電源頻率的控制實現對電機轉速的改變。變頻器內置PID調節功能模塊，能與執行器、傳感器等構成一個簡單的單回路閉環控制系統[5]。

■3.3 交流伺服控制技術

交流伺服控制技術主要針對物體的運動，能夠實現對物體運動速度、位置、加速度等變化量的準確控制。交流伺服電機控制系統的主要組成有伺服驅動器、交流伺服電機以及指令機構，是一個相對復雜的控制系統，由速度環、電流環以及位置環構成，具備位置控制、速度控制以及轉距控制功能，也能實現這幾種控制方式的組合使用。交流伺服控制技術能夠應用到浮法玻璃的自動化生產過程中，對傳輸輥道的運行作出控制，使得系統在獲取運行速的同時，控制速度的精確度，促進浮法玻璃生產線的自動、高效生產。交流伺服控制系統需要借助伺服電機，因此對電機的改進，也可提升交流伺服控制技術的特性?？筛鶕到y負載的不同，選擇小慣量或中慣量的伺服電機，以更好地配合系統慣量，從而提升整個交流伺服控制系統的定位精度與反應速度。

4 電機運動控制技術在浮法玻璃生產線上的實際應用

■4.1 變頻調速技術的應用

4.1.1 助燃風機的變頻調速

變頻調速技術可應用到助燃風機的工作過程中，能夠根據溫度曲線，結合玻璃熔制的工藝需求，合理調節助燃風與燃料的比例。

圖1 所示為助燃風機送風示意圖，煤氣作為燃料，風機提供助燃空氣，助燃空氣經煙道進入小爐，空氣和煤氣在蓄熱室中預熱，在小爐中混燃，最終進入熔窯中燃燒。風路中的控制機構只有風機風門和閘板，如依靠閘板或者風門控制風量，不僅不易操作，也很難實現自動控制，因此，通過變頻調速技術，對助燃風和燃料的比例進行自動化控制，能夠有效促進熔制的穩定生產。

圖1 助燃風機送風示意圖變頻器

4.1.2 投料機和攪拌機的變頻調速

浮法玻璃生產過程中，計算機系統采集玻璃液位儀的數據之后，變頻器會按計算機要求控制投料機的工作狀態，調節投料機速度。采用變頻調速技術的投料機，相比于傳統方式，投料更均勻，能夠更好地滿足熔化的工藝要求。在攪拌工作中，變頻調速技術的應用，提高了攪拌機的可靠性和精確度，且便于維護。

■4.2 交流伺服控制技術的應用

伺服控制系統被廣泛應用于浮法玻璃生產線上傳輸輥道的控制，用于控制其位移、速度以及加速度等，能夠顯著提升傳輸輥道的控制精確度。加速分離輥道的作用是將成板切割后的玻璃經輥道裝置加速分離成單片玻璃，要頻繁、準確切換退火窯低速度與冷端輸送輥道高速度這兩種速度。可將加速分離輥道分為兩個區，采用交流伺服驅動器、伺服電機、小型PLC可編程控制器，還有測速編碼器、光電開關以及變壓器等設備，組成一個浮法線冷端的加速輥道電氣控制系統。系統控制示意圖如圖2所示。

圖2 加速輥道控制系統

■4.3 直線電機驅動技術的應用

除了變頻調速技術和交流伺服控制技術以外，直線電機技術在浮法玻璃生產中也有著廣泛應用。直線電機擁有一種特殊的進給傳動方式，具有定位精準、動態響應快、傳動效率高以及運行噪聲低等優勢，在工業領域，可被用于生產輸送線、自動儀器設備以及數控機床匯中。

玻璃液從熔窯中流入錫槽的過程，會帶入二氧化硫、三氧化硫、氧氣等氣體，錫槽不能完全密封，因此玻璃液也會接觸到空氣中的氧氣。高溫條件下，錫很容易與這些氣體發生反應，生成氧化錫、硫化錫等成分，形成錫渣污染物，漂浮在錫液表面，從而影響到玻璃的生產質量，而且錫污染物的存在，使得錫液中二價錫和四價錫增多，容易引起鋼化虹彩缺陷。直線電機的應用，能夠有效清除浮法玻璃生產中錫液表面的錫污染物。錫槽中直線電機的應用過程如圖3所示。

圖3 錫槽耳池“半十字”型直線電機應用過程

在錫槽池壁上設計特殊的小耳池，將“半十字”型的直線電機安裝在耳池沿口上，引導錫液定向流經耳池，除去漂浮的錫污染物，得到干凈的錫液，保證浮法玻璃的生產質量。

5 結語

綜上所述，通過對直流電機調速、交流變頻調速以及交流伺服控制系統的分析，結合浮法玻璃的加工工藝以及生產設備，探究了電機運動控制技術在浮法玻璃生產過程中的具體應用，先進的控制原理以及靈活的操控方式，提升了浮法玻璃生產線的控制靈活性和生產可靠性與精確性。