【文章內容簡介】 絲光機的動力主要由電動機驅動， 根據生產的工藝要求對電動機的旋轉速度進行控制和調節(jié)就是一項經常而重要的工作。電動機的調速性能如何，對提高產品質量、提高生產效率和節(jié)省電能有著決定性的影響 。傳統的絲光機控制系統多采用直流調速系統，但是直流調速系統存在較多的弊端。如果采用交流的調速系統，不僅會提升絲光機的質量，而且可以大大減低系統的能耗，大幅度的節(jié)約電能。 直流調速系統所存在的問題 直流電動機的轉速易于控制和調節(jié)，在額定轉速以下，保持勵磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法進行 恒轉矩調速；在額定轉速以上，保持電樞電壓恒定，可用改變勵磁的方法進行恒功率調速。采用轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調速特性。所以， 20 世紀 80 年代以前，在變速傳動領域中，直流調速一直占據主導地位。但由于直流電動機本身結構上存在機械式換向器和電刷這一致命弱點，這給直流調速系統的開發(fā)和應用帶來了一系列的限制，即 : (1)機械式換向器表面線速度及換向電流、電壓有一極限允許值，這就限制了單機的轉速和功率。如果要超出極限允許值，則將大大增加電機的制造難度和成本，以及調速系統的復雜性。 (2)為了使機 械式換向器能夠可靠工作，往往增大電樞和換向器直徑，導致電機轉動慣量很大。對于要求快速響應的生產工藝，采用直流調速方式難以實現。 (3)機械式換向器必須經常檢查和維修，電刷必須定期更換。這就使得直流調速系統維護工作量大、費用高，同時停機檢修和更換電刷也直接影響了正常的生產。 (4)在一些易燃、易爆的生產場合，在一些多粉塵、多腐蝕性氣體的生產場合不能或不宜使用直流電動機 [7]。 交流調速系統的發(fā)展和現狀 及優(yōu)點 交流電動機，尤其是鼠籠式異步電動機，具有結構簡單、制造容易、價格便宜、堅固耐用、轉動慣量小、 運行可靠、很少維修、使用環(huán)境及結構發(fā)展不受限制等優(yōu)點。但是長期以來，由于受科技發(fā)展的限制，把交流電動機作為調速電機的困難、問題沒能得到較好的解決，所以只有一些調速性能差、能耗低的調速方法得以應用，如 :繞線式異步電動機的串級調速、鼠籠式異步電動機定子調壓調速及電磁滑差離合器調速等 [8]。 20 世紀七十年代以后，由于科學技術的迅速發(fā)展為交流調速的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的技術條件和物質基礎，交流調速理論及應用技術大致沿以下四個方面發(fā)展 : 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 6 (1)電力電子器件的蓬勃發(fā)展和迅速換代促進了變流技術的迅速發(fā)展和變流裝置的現代化 。 (2)脈寬調制 (PWM)技術 脈寬調制 (PWM)技術的發(fā)展和應用優(yōu)化了變頻裝置的性能，適用于各類交流調速系統，為交流調速技術的普及發(fā)揮了重要的作用。 脈寬調制 (PWM)技術基本上可分為四類 :等寬 PWM 法、正弦 PWM 法 (SPWM)、磁鏈追蹤型 PWM 法及電流跟蹤型 PWM 法。 PWM 技術的應用克服了相控原理的所有弊端，使交流電動機定子得到了接近正弦波形的電壓和電流，提高了電機的功率因素和輸出效率。 (3)矢量變換控制技術的誕生和發(fā)展奠定了現代交流調速系統高性能化的基礎交流電動機是個多變量、非線性、強禍合的被控對 象，采用參數重構和狀態(tài)重構的現代控制理論概念可以實現交流電動機定子電流的勵磁分量和轉矩分量之間的解藕，實現了將交流電動機的控制過程等效為直流電動機的控制過程，使交流調速系統的動態(tài)性能得到了顯著的改善和提高，從而使交流調速最終取代直流調速成為可能。 (4)微型計算機控制技術與大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展和廣泛應用為現代交流調速系統的成功應用提供了重要的技術手段和保證。 交流調速技術的發(fā)展過程表明，現代工業(yè)生產的需要推動了交流調速的飛速發(fā)展；現代控制理論的發(fā)展和應用，電力電子技術的發(fā)展和應用，微機控制技術及大規(guī)模集 成電路的發(fā)展和應用為交流調速的飛速發(fā)展創(chuàng)造了技術和物質條件。 實踐證明，交流調速技術的應用為工農業(yè)及節(jié)省電能方面帶來了巨大的經濟和社會效益?，F在，交流調速系統已全面、逐步取代直流調速系統。 隨著電力電子技術、微電子技術和計算機控制技術的飛速發(fā)展，交流變頻調速技術的發(fā)展也十分迅速。電動機交流變頻調速技術是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環(huán)境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調速以其優(yōu)異的調速性能和起制動平穩(wěn)性能、高效率、高功率因數和節(jié)電效果、廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內外公認為最有發(fā)展前途的 調速方式。 交流變頻調速控制的優(yōu)點主要有 : (1)交流變頻調速使用的是異步電動機，比同容量的直流電動機具有體積小、占空間小，結構簡單，維護方便、可靠性高、價格低等優(yōu)點。 (2)變頻調速電源使用了先進的 SPWM 技術，明顯改善了電機運行質量和性能，調速范圍寬、控制精度高，動態(tài)性能好，安靜、快捷，己逐漸取代直流電機調速。 (3)交流變頻調速使用先進的 SPWM 技術，明顯改善了電動機供電電源的質量，減少了諧波，提高了效率和功率因數，節(jié)能明顯。 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 7 (4)容易實現對現有電動機的調速控制、可以實現大范圍內的高效連續(xù)調速控制、 實現速度的精確控制。 (5)容易實現電動機的正反轉切換，可以進行高額度的起停運轉，可以進行電氣制動，可以對電動機進行高速驅動。 (6)電機在帶動較大負載啟動時，會有較大的沖擊電流，采用變頻時，可以實現軟啟動，減小沖擊電流，解決大負載的啟動問題。 (7)電源功率因素高，所需容量小，對電網的公害小。 (8)具有完善的保護功能 :變頻器保護功能很強，在運行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別 (如電網瞬時電壓降低，電網缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機短路等 )，并立即封鎖輸出電壓。這種“自我保護”的功能，不僅 保護了變頻器，還保護了電機不易損壞。 基于 PLC 的 絲光機 交流變頻調速系統 20 世紀 80 年代以后，國外大量推廣應用 PLC 控制的交流變頻調速系統，在節(jié)能和節(jié)約設備維護成本上取得了非?？捎^的效益。例如 :丹麥 FAERCH 塑料包裝廠真空泵的控制由于采用變頻技術對真空泵進行了改造，使該廠每年節(jié)約電費 23500 歐元，而且真空泵系統加裝濾波器也取得了可觀的節(jié)能效果。每單位產品生產所需的能量消耗也降為了原來 (1996 年 )的 80%。節(jié)能效果非常明顯， 16100 歐元的設備改造總投資預計可以在三年以內收回。 20 世紀 90 年代，國內各生產廠家逐漸采用 PLC 控制的交流變頻調速系統。尤其是最近幾年， PLC 的推廣應用在我國得到了迅猛的發(fā)展。我國近年來引進的設備中，很大一部分是由 PLC 控制的，國外廠家的 PLC 產品已打入我國市場。我國各行各業(yè)也涌現出大批應用 PLC 改造設備的成果，機械行業(yè)生產的設備越來越多地采用PLC 作控制裝置。改用 PLC 后，把工藝規(guī)定的工序和加工時間寫入了軟件，杜絕了人為因素的影響，提高了產品的質量 [9]。 變頻調速技術已成為節(jié)約能源及提高產品質量的有效措施。很多用戶實踐的結果證明，節(jié)電率一般在 10%30%，有的高 達 40%，更重要的是生產中一些技術難點也得到解決。例如包鋼 1150 軋機采用變頻裝置后，年平均事故時間達到工作時間的 %以下，大幅度提高了產品質量和產量，且年節(jié)約電費約 50 萬元 。 綜上所述，我們可以看出，交流變頻調速相對于直流調速具有優(yōu)越性， PLC 控制相對于傳統的繼電接觸器控制又帶來了技術革命，同時，基于 PLC 控制的交流變頻調速在國內外也得到大量的成功使用，并帶來了良好的經濟效益。所以， 絲光機所采用 PLC 控制的交流變頻調速系統是必要的和可行的。 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 8 系統的總體方案 絲光過程設備流程 :整個絲光過程由一條 生產流水線自動完成，其中主要包括進布、直輥、布鋏、蒸洗、烘干、冷卻、拖布、擺布、落布和卷裝等環(huán)節(jié)，其流程如下 : 平幅進布 — 1軋車 [] — 直輥區(qū)傳動 []— 2軋車 [] — 直輥區(qū)傳動 []— 3軋車 [11KW] — 直輥區(qū)傳動 []— 布鋏 主傳動 [37KW]—— 4軋車 [11KW]— 直輥區(qū)傳動 []— 三柱烘筒 (30 只烘筒 )[]*3— 冷水輥[]— 拖布 []— 擺布 []— 落布 []— 卷裝 [][10]。 本系 統 以各電機的速度 實際 值 (即各 速度傳感 器的 輸出 電壓信號 )作為 PLC的模擬量輸入，以 按鈕 開關 ，限位開關，熱繼電器 的輸出信號作為 PLC 的開關量輸入，通過 PLC 內部算法輸出模擬量，輸送到變頻器，改變其頻率來控制各電機的轉速，最終目的是控制 絲光機生產線的自動運行 。 在 本系統中， 軋車軋輥的 每一臺電機采用一臺變頻器來進行頻率的調節(jié)控制。采用 PLC 輸出的模擬量信號作為變頻器的控制端輸入信號。變頻調速器對電機的控制具有完善的自我保護和電機保護功能的完成。它通過接受 PLC 的信號控制電機轉速大小。由于變頻調速是通過改變電動機定子 供電頻率以改變同步轉速來實現的，故在調速過程中從高速到低速都可以保持有限的轉差功率，因此具有高效率、寬范圍、高精度的調速性能。 控制系統框圖如圖 21： PLC系統中各個變頻器上位機傳感器各開關觸點系統中各個拖動電機 圖 21 控制系統框圖 根據系統的工藝流程設計系統的軟件流程圖如圖 22： 在系統流程運行之前，首先進行初始化，通過開關元件及 組態(tài)軟件 將設備運行參數送至 PLC，檢查空氣開關 等設備運行是否正常，若不正常，則等待；直到正常，調節(jié)布 鋏 等設備的寬度。根據生產需要，設定 各個設備轉速值。 吸邊器運行 ， 檢測 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 9 初始化開始電源好？NNYY幅寬調節(jié)好？1 直輥升速？變量= 設定值？變量每周期減1Y降速Y變量每周期加1變量= 設定值？1 直棍越位？吸邊器運行NNYNYYN1 軋車P I D 調節(jié)2 直輥運行升速？變量= 設定值？Y降速Y變量= 設定值？NNYNYY1 軋車運行？NY變量每周期減1變量每周期加1A1 軋車越位？NY初始化開始電源好？NNYY幅寬調節(jié)好？1 直輥升速？變量= 設定值？變量每周期減1Y降速Y變量每周期加1變量= 設定值？1 直棍越位？吸邊器運行NNYNYYN1 軋車P I D 調節(jié)2 直輥運行升速？變量= 設定值？Y降速Y變量= 設定值？NNYNYY1 軋車運行？NY變量每周期減1變量每周期加1A延時6 0 秒60秒內2直棍越位？故障報警停車制動結束N布鋏主傳動延時1 0 秒Y2 軋車P I D 調節(jié)3 直輥運行2 軋車運行？NY升速？變量= 設定值？Y降速Y變量= 設定值？NNYNYY10秒內4直棍越位？故障報警停車制動結束N3 軋車P I D 調節(jié)3 軋車運行？NY4 直輥運行變量每周期減1變量每周期加1AB蒸洗1 烘筒越位？NY烘筒運行冷水棍越位？NY冷水棍運行牽引棍越位？NY牽引棍運行擺布運行落布越位？NY落布運行卷布運行結束升速？變量= 設定值？Y降速Y變量= 設定值？NNYNYY變量每周期減1變量每周期加14 軋車P I D 調節(jié)4 軋車運行？NYB1 軋車越位？NY3 軋車越位？NY2 軋車越位？NY4 軋車越位？NY (a) 變頻調速傳動模塊程序流程 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 10 蒸洗1 烘筒越位？NY烘筒運行冷水棍越位？NY冷水棍運行牽引棍越位？NY牽引棍運行擺布運行落布越位？NY落布運行卷布運行結束升速？變量= 設定值？Y降速Y變量= 設定值？NNYNYY變量每周期減1變量每周期加14 軋車P I D 調節(jié)4 軋車運行？NYB4 軋車越位？NYCC蒸洗1烘筒越位？NY烘筒運行冷水棍越位？NY冷水棍運行牽引棍越位？NY牽引棍運行擺布運行落布越位？NY落布運行卷布運行結束升速？變量=設定值？Y降速Y變量=設定值？NNYNYY變量每周期減1變量每周期加14軋車PID調節(jié)4軋車運行？NYB4軋車越位？NYCC (b) 變頻調速 傳動模塊程序流程 圖 22 變頻調速傳動模塊程序流程圖 1直輥是否越位，若未越位， 等待 ，直至 1直輥越位， 1軋車運行。延時 60 秒，檢測 2直輥是否越位，若 60秒內 2直輥未越位，則故障報警，停車制動，結束工作，由