長距離輸送帶的變頻控制策略研究

李偉偉，顏衛兵，莫丹君，張曉召

（浙江宏業裝備科技有限公司，浙江溫嶺 317500）

0 引言

現代農業生產過程中輸送帶設備必不可少，設備的速度和運轉方向往往根據生產過程工藝的不同而設置。遠距離輸送是其中常見的一種輸送方式。這就要求輸送帶有一整條組成，長度往往在數百米。這樣的輸送帶給電氣控制系統的設計提出了更高的挑戰，同時也帶來了新的問題。鑒于此，提出一種新的控制策略則顯得尤為重要。

1 工程項目介紹

上海聯中食用菌合作社是種植雙胞菇的一家大型企業，現有料場基料需要輸送到發酵槽中進行發酵，現場有一條長度在將近150 m的輸送帶。該輸送帶系統采用雙電機設計，前后兩個電機功率各為18.5 kW，該輸送帶需要滿足工藝生產要求。

2 設備現狀和工藝要求分析

遠距離的輸送帶常采用雙端電機驅動的構造，在實際運用過程中期望和運動方向一致的前端電機起到牽引的作用，而在尾端的電機則希望起到推送的作用。整條輸送帶由牽引機構，即原動機（電機）、減速機、轉動輥筒、支撐固定輸送帶的托輥機構以及機械結構組成。

在使用過程中需要根據輸送物料的多少，同時結合上下級設備的運轉速度需要設置相應的匹配速度。結合實際工藝要求也需要反向運轉，此時起牽引作用的電機變為起推送作用，起推送作用的則變為牽引作用。

為完成遠距離的輸送系統需要考慮以下5個問題：①前端和末端的電機速度匹配問題，即速度要一致，否則容易造成一個電機變成發電機的運行狀況，造成對應變頻器直流母線過電壓的故障；②能夠結合工藝要求對速度進行設置；③運轉方向可以任意設置；④電纜遠距離傳輸時存在寄生電容，如不解決則會造成變頻器輸出距離減少易帶來變頻器輸出端故障，嚴重時會損壞功率模塊；⑤方便操作人員做出精確的設置。介于此傳統的模擬量控制變頻調速已不再適用。

3 控制方案設計

為了解決上文提到的第一個問題，需要做到變頻器的速度要統一設置。但為了能夠彌補實際電機間的轉動誤差和機械傳動過程中的誤差，又要求分別對每個變頻系統的速度做微小誤差補償。如果機械制造精度高，同時兩個電機速度一致，則誤差補償可設置為零。

為了便于速度和運轉方向設置操作的簡單化可視化，這里采用觸摸屏作為系統的人機接口。應注意速度輸入的數據類型需要為浮點數。在觸摸屏中添加實際運動的直觀動畫可以有助于操作人員做出正確的方向設置。

在解決第四個問題時要兼顧兩方面的考慮，第一方面為變頻器的最大輸出距離；第二方面為對變頻器有效控制距離和控制抗干擾措施。基于以上兩點分析，如果輸出距離滿足變頻器的有效距離那么可以把變頻器安裝在控制室內部，同時安裝同變頻器匹配的電抗器，可以有效的補償電纜寄生電容，增強輸出的可靠性。此時可以忽略第二方面對變頻器控制距離的要求，僅需做好控制線纜的抗干擾措施即可。

如果變頻器安裝于控制室內部已經超出變頻器的最大輸出距離，可以考慮把變頻器做出分接箱的形式安裝于現場，以滿足變頻器的輸出距離要求。此時要對變頻器的控制方式做出如下考慮：增強抗干擾措施；減少控制線纜的敷設，同時要盡可能多地獲取運行數據；根據變頻器到控制室的距離，選擇合適的控制方式。

綜上，此處選用PROFIBUS或PROFINET總線的控制方式。原因如下：采取現場總線的控制方式可以根據通信指令讀寫到變頻器的各項運行數據，對兩臺電機的速度設置做到高精度的統一和協調，避免遠距離采用模擬量給定速度時調節信號的衰減和調節過程中的干擾。

4 硬件和軟件設計

4.1 控制系統硬件說明

控制器采用西門子S7-1200系列PLC。SIMATIC S7-1200 CPU模塊集成了PROFINET通信接口，可用于編程下載、HMI通信和與其他智能設備進行IO通信。在S7-1215以下的CPU中集成了一個PROFINET接口，在S7-1215和S7-1217 CPU模塊則集成了兩個PROFINET接口。為了方便連接更多設備進行通信，可以選用CSM 1277交換機模塊擴充通信接口。網絡間通信距離的有效性為，使用帶有IE FC RJ45 plug 180的工業以太網FC TP標準電纜或者通過工業以太網FC outlet RJ-45連接距離0～90 m。

觸摸屏采用SIMATIC HMI TP700 Comfort 7寸寬屏TFT顯示屏，1600萬色，帶有PROFINET接口，MPI/PROFIBUS-DP接口，12 MByte項目組態存儲器，運行Windows CE 6.0。觸摸屏本體支持VBS腳本運行、多用戶管理、歷史數據記錄、報警組態、趨勢視圖等功能。觸摸屏和PLC的通信線材采用西門子RJ-45 PROFINET標準電纜。

變頻器采用SINAMICS G120C變頻器。該變頻器具有結構緊湊、高功率密度等優點，功率范圍從0.55 kW到132 kW，是一款真正全能的集成整體式變頻器。可滿足眾多應用的需求，例如傳送帶、攪拌機、擠出機、水泵、風機、壓縮機以及一些基本的物料處理機械等。最大支持的輸出距離根據功率尺寸的不同見表1。

表1 電機動力電纜長度對應變頻器尺寸表

G120C變頻器支持RS485、USS/Modbus RTUBSUB-D、PROFIBUS-DP/PROFINET等網絡標準和協議。因此選用G120C變頻器可以很方便的適配網絡控制方案。

4.2 控制系統器件選型

項目所需配置主要控制系統元器件清單見表2。變頻器選用18.5 kW功率型號，對應的外形尺寸為表1中的FSC，輸出最大距離為150 m。結合項目可知輸送帶長度在150 m，控制室距離輸送帶現場又有一段距離，所以變頻器應考慮在現場單獨匹配控制箱，以滿足變頻器的輸出距離要求。變頻器的控制信號由一根西門子RJ45網線和控制室內的PLC完成數據的通信交互。

表2 控制系統主要清單

4.3 控制系統的網絡拓撲圖

選型工作完畢后，可以在西門子博途軟件生成以上選型的網絡拓撲圖（圖1）。

圖1 網絡拓撲圖

5 系統的運行與調試

5.1 運行誤差分析和速度補償計算

已知電機的額定轉速在供電頻率為50 Hz時轉速為1460 r/min，減速機的速比為1:10.84，轉動輥筒直徑為230 mm，皮帶厚度8 mm。根據理論計算可得輸送帶在50 Hz運行時線速度應為：

V=（1460×1/10.84）×（230+8）×3.14÷1000=100.65 m/min

在設備調試階段分別就兩個電機單獨運轉對傳送帶的線速度進行測量，其中一組數據在98.97～100.48 m/min之間波動，最終穩定在99.77 m/min。另一組數據在98.06～99.77 m/min之間波動，最終穩定在98.77 m/min。

根據上面數據可知兩個電機單獨作用于輸送帶時速度差值為1 m/min，需要對速度慢的進行速度補償，使其趕上速度快的電機，或者讓速度快的電機進行減速。現在就補償量進行計算，這里以穩定值計算。

在以上計算中定義的ΔV1表示速度較快的電機在設置為1 Hz時輸送帶運行的線速度約為1.995 4 m；Δf1表示速度較快的電機在速度減少1 m/min時對應的頻率應下調約為0.5 Hz。ΔV2表示速度較慢的電機在設置為1 Hz時輸送帶運行的線速度約為1.9754 m；Δf2表示速度較快的電機在速度減少1 m/min時對應的頻率應下調約為0.5 Hz。

因為輸送帶在運輸物料時運轉一般為恒轉矩模式，所以不會超過電機的最大轉速，對應變頻器也就不會出現超過50 Hz的設置值。所以在設備調試時，初次參數設置應把速度較快的電機速度設定略微減少，最多0.5 Hz。因為電機加減速時存在速度誤差，減少過多同樣可能造成直流母線過電壓的報警。

結合工藝發現電機實際運行中沒有運行在50 Hz的情況，往往運行在40 Hz左右，因此可行的一種速度補償方案為：速度慢的電機速度設定增加0.2 Hz，速度快的減少0.1 Hz，應可滿足需要。

5.2 運行與調試

在不做速度補償運行時，變頻器往往在加速過程中或者運行幾分鐘之內，就因直流母線過電壓報警，系統停機。

在做了速度補償后，設備可以正常運轉。通過對變頻器運行數據的查看，之前報警的變頻器直流母線電壓，有了大幅下降。西門子變頻器通常在直流母線電壓超過780 V時觸發報警，速度補償后直流母線電壓維持在630 V左右。檢測另一臺變頻器，母線電壓在500～600 V之間波動，維持在正常水平。

5.3 減小直流母線過電壓的其他措施

以下分析基于穩定分析。當變頻器處于動態時，為了設備可靠穩定運行需安裝能耗電阻，用來消耗掉發電狀態產生多余的電能。能耗電阻作為輔助應用安裝在變頻器電阻對應的接線處。變頻器內部需要設置電阻的最大功率。為了防止電阻損壞，應選用最大功率較大的電阻。變頻器中電阻功率設置應小于實際電阻的功率。

6 結語

通過分析和設計生產的遠距離輸送帶能夠滿足多種工況和工藝的需求，在多個企業獲得良好應用，尤其在農業裝備行業。既滿足了工藝的多樣化也降低了設備在機械方面的精度要求，通過對控制方法的優化和分析，大大提升了工作效率和減輕了因機械問題而造成的設備停機故障。