【文章內(nèi)容簡介】 絲光機(jī)的動(dòng)力主要由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)， 根據(jù)生產(chǎn)的工藝要求對(duì)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)就是一項(xiàng)經(jīng)常而重要的工作。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和節(jié)省電能有著決定性的影響 。傳統(tǒng)的絲光機(jī)控制系統(tǒng)多采用直流調(diào)速系統(tǒng)，但是直流調(diào)速系統(tǒng)存在較多的弊端。如果采用交流的調(diào)速系統(tǒng)，不僅會(huì)提升絲光機(jī)的質(zhì)量，而且可以大大減低系統(tǒng)的能耗，大幅度的節(jié)約電能。 直流調(diào)速系統(tǒng)所存在的問題 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速易于控制和調(diào)節(jié)，在額定轉(zhuǎn)速以下，保持勵(lì)磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法進(jìn)行 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上，保持電樞電壓恒定，可用改變勵(lì)磁的方法進(jìn)行恒功率調(diào)速。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。所以， 20 世紀(jì) 80 年代以前，在變速傳動(dòng)領(lǐng)域中，直流調(diào)速一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但由于直流電動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械式換向器和電刷這一致命弱點(diǎn)，這給直流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用帶來了一系列的限制，即 : (1)機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速和功率。如果要超出極限允許值，則將大大增加電機(jī)的制造難度和成本，以及調(diào)速系統(tǒng)的復(fù)雜性。 (2)為了使機(jī) 械式換向器能夠可靠工作，往往增大電樞和換向器直徑，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大。對(duì)于要求快速響應(yīng)的生產(chǎn)工藝，采用直流調(diào)速方式難以實(shí)現(xiàn)。 (3)機(jī)械式換向器必須經(jīng)常檢查和維修，電刷必須定期更換。這就使得直流調(diào)速系統(tǒng)維護(hù)工作量大、費(fèi)用高，同時(shí)停機(jī)檢修和更換電刷也直接影響了正常的生產(chǎn)。 (4)在一些易燃、易爆的生產(chǎn)場合，在一些多粉塵、多腐蝕性氣體的生產(chǎn)場合不能或不宜使用直流電動(dòng)機(jī) [7]。 交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀 及優(yōu)點(diǎn) 交流電動(dòng)機(jī)，尤其是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價(jià)格便宜、堅(jiān)固耐用、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、 運(yùn)行可靠、很少維修、使用環(huán)境及結(jié)構(gòu)發(fā)展不受限制等優(yōu)點(diǎn)。但是長期以來，由于受科技發(fā)展的限制，把交流電動(dòng)機(jī)作為調(diào)速電機(jī)的困難、問題沒能得到較好的解決，所以只有一些調(diào)速性能差、能耗低的調(diào)速方法得以應(yīng)用，如 :繞線式異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速、鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速及電磁滑差離合器調(diào)速等 [8]。 20 世紀(jì)七十年代以后，由于科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展為交流調(diào)速的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的技術(shù)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)，交流調(diào)速理論及應(yīng)用技術(shù)大致沿以下四個(gè)方面發(fā)展 : 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 6 (1)電力電子器件的蓬勃發(fā)展和迅速換代促進(jìn)了變流技術(shù)的迅速發(fā)展和變流裝置的現(xiàn)代化 。 (2)脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù) 脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用優(yōu)化了變頻裝置的性能，適用于各類交流調(diào)速系統(tǒng)，為交流調(diào)速技術(shù)的普及發(fā)揮了重要的作用。 脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù)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(shù)的應(yīng)用克服了相控原理的所有弊端，使交流電動(dòng)機(jī)定子得到了接近正弦波形的電壓和電流，提高了電機(jī)的功率因素和輸出效率。 (3)矢量變換控制技術(shù)的誕生和發(fā)展奠定了現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)高性能化的基礎(chǔ)交流電動(dòng)機(jī)是個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)禍合的被控對(duì) 象，采用參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念可以實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解藕，實(shí)現(xiàn)了將交流電動(dòng)機(jī)的控制過程等效為直流電動(dòng)機(jī)的控制過程，使交流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到了顯著的改善和提高，從而使交流調(diào)速最終取代直流調(diào)速成為可能。 (4)微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的成功應(yīng)用提供了重要的技術(shù)手段和保證。 交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展過程表明，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需要推動(dòng)了交流調(diào)速的飛速發(fā)展；現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和應(yīng)用，電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，微機(jī)控制技術(shù)及大規(guī)模集 成電路的發(fā)展和應(yīng)用為交流調(diào)速的飛速發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)和物質(zhì)條件。 實(shí)踐證明，交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用為工農(nóng)業(yè)及節(jié)省電能方面帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益?，F(xiàn)在，交流調(diào)速系統(tǒng)已全面、逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展也十分迅速。電動(dòng)機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速性能和起制動(dòng)平穩(wěn)性能、高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果、廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的 調(diào)速方式。 交流變頻調(diào)速控制的優(yōu)點(diǎn)主要有 : (1)交流變頻調(diào)速使用的是異步電動(dòng)機(jī)，比同容量的直流電動(dòng)機(jī)具有體積小、占空間小，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便、可靠性高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。 (2)變頻調(diào)速電源使用了先進(jìn)的 SPWM 技術(shù)，明顯改善了電機(jī)運(yùn)行質(zhì)量和性能，調(diào)速范圍寬、控制精度高，動(dòng)態(tài)性能好，安靜、快捷，己逐漸取代直流電機(jī)調(diào)速。 (3)交流變頻調(diào)速使用先進(jìn)的 SPWM 技術(shù)，明顯改善了電動(dòng)機(jī)供電電源的質(zhì)量，減少了諧波，提高了效率和功率因數(shù)，節(jié)能明顯。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 7 (4)容易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制、可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制、 實(shí)現(xiàn)速度的精確控制。 (5)容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，可以進(jìn)行高額度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行電氣制動(dòng)，可以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高速驅(qū)動(dòng)。 (6)電機(jī)在帶動(dòng)較大負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，會(huì)有較大的沖擊電流，采用變頻時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，減小沖擊電流，解決大負(fù)載的啟動(dòng)問題。 (7)電源功率因素高，所需容量小，對(duì)電網(wǎng)的公害小。 (8)具有完善的保護(hù)功能 :變頻器保護(hù)功能很強(qiáng)，在運(yùn)行過程中能隨時(shí)檢測到各種故障，并顯示故障類別 (如電網(wǎng)瞬時(shí)電壓降低，電網(wǎng)缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機(jī)短路等 )，并立即封鎖輸出電壓。這種“自我保護(hù)”的功能，不僅 保護(hù)了變頻器，還保護(hù)了電機(jī)不易損壞。 基于 PLC 的 絲光機(jī) 交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 20 世紀(jì) 80 年代以后，國外大量推廣應(yīng)用 PLC 控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，在節(jié)能和節(jié)約設(shè)備維護(hù)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(shù)對(duì)真空泵進(jìn)行了改造，使該廠每年節(jié)約電費(fèi) 23500 歐元，而且真空泵系統(tǒng)加裝濾波器也取得了可觀的節(jié)能效果。每單位產(chǎn)品生產(chǎn)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(shè)備改造總投資預(yù)計(jì)可以在三年以內(nèi)收回。 20 世紀(jì) 90 年代，國內(nèi)各生產(chǎn)廠家逐漸采用 PLC 控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。尤其是最近幾年， PLC 的推廣應(yīng)用在我國得到了迅猛的發(fā)展。我國近年來引進(jìn)的設(shè)備中，很大一部分是由 PLC 控制的，國外廠家的 PLC 產(chǎn)品已打入我國市場。我國各行各業(yè)也涌現(xiàn)出大批應(yīng)用 PLC 改造設(shè)備的成果，機(jī)械行業(yè)生產(chǎn)的設(shè)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(shí)間寫入了軟件，杜絕了人為因素的影響，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量 [9]。 變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。很多用戶實(shí)踐的結(jié)果證明，節(jié)電率一般在 10%30%，有的高 達(dá) 40%，更重要的是生產(chǎn)中一些技術(shù)難點(diǎn)也得到解決。例如包鋼 1150 軋機(jī)采用變頻裝置后，年平均事故時(shí)間達(dá)到工作時(shí)間的 %以下，大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，且年節(jié)約電費(fèi)約 50 萬元 。 綜上所述，我們可以看出，交流變頻調(diào)速相對(duì)于直流調(diào)速具有優(yōu)越性， PLC 控制相對(duì)于傳統(tǒng)的繼電接觸器控制又帶來了技術(shù)革命，同時(shí)，基于 PLC 控制的交流變頻調(diào)速在國內(nèi)外也得到大量的成功使用，并帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益。所以， 絲光機(jī)所采用 PLC 控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)是必要的和可行的。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 8 系統(tǒng)的總體方案 絲光過程設(shè)備流程 :整個(gè)絲光過程由一條 生產(chǎn)流水線自動(dòng)完成，其中主要包括進(jìn)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(jìn)布 — 1軋車 [] — 直輥區(qū)傳動(dòng) []— 2軋車 [] — 直輥區(qū)傳動(dòng) []— 3軋車 [11KW] — 直輥區(qū)傳動(dòng) []— 布鋏 主傳動(dòng) [37KW]—— 4軋車 [11KW]— 直輥區(qū)傳動(dòng) []— 三柱烘筒 (30 只烘筒 )[]*3— 冷水輥[]— 拖布 []— 擺布 []— 落布 []— 卷裝 [][10]。 本系 統(tǒng) 以各電機(jī)的速度 實(shí)際 值 (即各 速度傳感 器的 輸出 電壓信號(hào) )作為 PLC的模擬量輸入，以 按鈕 開關(guān) ，限位開關(guān)，熱繼電器 的輸出信號(hào)作為 PLC 的開關(guān)量輸入，通過 PLC 內(nèi)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(jī)的轉(zhuǎn)速，最終目的是控制 絲光機(jī)生產(chǎn)線的自動(dòng)運(yùn)行 。 在 本系統(tǒng)中， 軋車軋輥的 每一臺(tái)電機(jī)采用一臺(tái)變頻器來進(jìn)行頻率的調(diào)節(jié)控制。采用 PLC 輸出的模擬量信號(hào)作為變頻器的控制端輸入信號(hào)。變頻調(diào)速器對(duì)電機(jī)的控制具有完善的自我保護(hù)和電機(jī)保護(hù)功能的完成。它通過接受 PLC 的信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速大小。由于變頻調(diào)速是通過改變電動(dòng)機(jī)定子 供電頻率以改變同步轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，故在調(diào)速過程中從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差功率，因此具有高效率、寬范圍、高精度的調(diào)速性能。 控制系統(tǒng)框圖如圖 21： PLC系統(tǒng)中各個(gè)變頻器上位機(jī)傳感器各開關(guān)觸點(diǎn)系統(tǒng)中各個(gè)拖動(dòng)電機(jī) 圖 21 控制系統(tǒng)框圖 根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件流程圖如圖 22： 在系統(tǒng)流程運(yùn)行之前，首先進(jìn)行初始化，通過開關(guān)元件及 組態(tài)軟件 將設(shè)備運(yùn)行參數(shù)送至 PLC，檢查空氣開關(guān) 等設(shè)備運(yùn)行是否正常，若不正常，則等待；直到正常，調(diào)節(jié)布 鋏 等設(shè)備的寬度。根據(jù)生產(chǎn)需要，設(shè)定 各個(gè)設(shè)備轉(zhuǎn)速值。 吸邊器運(yùn)行 ， 檢測 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 9 初始化開始電源好？NNYY幅寬調(diào)節(jié)好？1 直輥升速？變量= 設(shè)定值？變量每周期減1Y降速Y變量每周期加1變量= 設(shè)定值？1 直棍越位？吸邊器運(yùn)行NNYNYYN1 軋車P I D 調(diào)節(jié)2 直輥運(yùn)行升速？變量= 設(shè)定值？Y降速Y變量= 設(shè)定值？NNYNYY1 軋車運(yùn)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(diào)節(jié)好？1 直輥升速？變量= 設(shè)定值？變量每周期減1Y降速Y變量每周期加1變量= 設(shè)定值？1 直棍越位？吸邊器運(yùn)行NNYNYYN1 軋車P I D 調(diào)節(jié)2 直輥運(yùn)行升速？變量= 設(shè)定值？Y降速Y變量= 設(shè)定值？NNYNYY1 軋車運(yùn)行？NY變量每周期減1變量每周期加1A延時(shí)6 0 秒60秒內(nèi)2直棍越位？故障報(bào)警停車制動(dòng)結(jié)束N布鋏主傳動(dòng)延時(shí)1 0 秒Y2 軋車P I D 調(diào)節(jié)3 直輥運(yùn)行2 軋車運(yùn)行？NY升速？變量= 設(shè)定值？Y降速Y變量= 設(shè)定值？NNYNYY10秒內(nèi)4直棍越位？故障報(bào)警停車制動(dòng)結(jié)束N3 軋車P I D 調(diào)節(jié)3 軋車運(yùn)行？NY4 直輥運(yùn)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(yùn)行冷水棍越位？NY冷水棍運(yùn)行牽引棍越位？NY牽引棍運(yùn)行擺布運(yùn)行落布越位？NY落布運(yùn)行卷布運(yùn)行結(jié)束升速？變量= 設(shè)定值？Y降速Y變量= 設(shè)定值？NNYNYY變量每周期減1變量每周期加14 軋車P I D 調(diào)節(jié)4 軋車運(yùn)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(diào)速傳動(dòng)模塊程序流程 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 10 蒸洗1 烘筒越位？NY烘筒運(yùn)行冷水棍越位？NY冷水棍運(yùn)行牽引棍越位？NY牽引棍運(yùn)行擺布運(yùn)行落布越位？NY落布運(yùn)行卷布運(yùn)行結(jié)束升速？變量= 設(shè)定值？Y降速Y變量= 設(shè)定值？NNYNYY變量每周期減1變量每周期加14 軋車P I D 調(diào)節(jié)4 軋車運(yùn)行？NYB4 軋車越位？NYCC蒸洗1烘筒越位？NY烘筒運(yùn)行冷水棍越位？NY冷水棍運(yùn)行牽引棍越位？NY牽引棍運(yùn)行擺布運(yùn)行落布越位？NY落布運(yùn)行卷布運(yùn)行結(jié)束升速？變量=設(shè)定值？Y降速Y變量=設(shè)定值？NNYNYY變量每周期減1變量每周期加14軋車PID調(diào)節(jié)4軋車運(yùn)行？NYB4軋車越位？NYCC (b) 變頻調(diào)速 傳動(dòng)模塊程序流程 圖 22 變頻調(diào)速傳動(dòng)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(yùn)行。延時(shí) 60 秒，檢測 2直輥是否越位，若 60秒內(nèi) 2直輥未越位，則故障報(bào)警，停車制動(dòng)，結(jié)束工作，由