變頻器在碼垛機改造中的應用

潘潔， 陳海波， 霍俊禮

（中石化長城潤滑油分公司北京分公司，北京100085）

1 引言

變頻技術是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的技術，變頻器就是利用變頻技術將電壓和頻率固定不變的50Hz工頻交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置，廣泛地應用于交流電動機的速度控制。變頻器不僅調速平滑、范圍大、效率高、啟動電流小、運行平穩，而且節能效果明顯。因此，交流變頻調速已逐漸取代了過去的傳統滑差調速、變極調速、直流調速等調速系統，越來越廣泛地應用于包裝、冶金、紡織等生產線。

碼垛機是包裝工業中用于將包裝好的成品按照預先設定的程序進行堆疊放置，以方便運輸的機器。常見的箱式碼垛機由托盤倉、輸送機、堆碼機、編組機、轉位機和控制系統。堆碼機是碼垛機的主機，它自動將包件或紙箱按照一定的編排順序一層一層整齊地碼放在托盤上。控制系統主要由PLC和各種檢測、執行、控制元件和導線組成，是碼垛機的大腦和神經系統，監控和指揮設備的每一個狀態和動作，感知設備內、外部的變化，使設備按照預定程序應對這些變化。

2 項目概況

為了適應不斷發展的生產形勢的要求，公司于2010年引進了一條國內先進的灌裝生產線，4L產品灌裝的最高速度可以達每小時5000桶以上。但與之配套的碼垛機是1993年生產的，經過十幾年的運行，速度慢，其控制系統及外部傳感器、機械系統老化，很多設計結構已經無法滿足如今高速運行的要求。為此，公司決定利用現有的設備進行提速改造，以適應新生產線的要求。

碼垛機的提速改造涉及電器、機械、結構等多方面，難度非常大。為了達到高速穩定運行的目的，改造過程中我們對控制系統進行了更新，并對關鍵動作部分進行了變頻改造，其中平臺升降部分的變頻改造成為此次改造的一個關鍵點和難點。

提速后碼垛機平臺每個班次上下升降運行將達560次以上，平臺控制的準確性和穩定性，不但影響碼垛機提速的整體效果，而且還關系到整個設備及相關操作人員的安全，因此平臺升降部分的提速和變頻改造是全部工作的重中之重。

3 控制系統改造

3.1 變頻控制系統設備配置

整個碼垛機提速的控制以西門子S7-200 PLC系統為核心，通過西門子S7-200可編程控制器對輸入傳感器狀態的監控，根據控制程序運算后輸出控制變頻器和其他執行機構，來實現碼垛機動作的順序運行。操作部分由觸摸屏來實現。

PLC的輸入主要包括碼垛機位置控制傳感器，各個位置的保護、限位傳感器，安全門等安全防護傳感器，變頻器控制相關反饋和報警信號以及急停和開、停機按鈕等。輸出主要包括電機、氣動等執行機構的控制、變頻器的控制、相關機械抱閘的控制、報警輸出等。在輸入輸出中，大多數都與變頻器的控制有關，因此控制系統的核心任務就是完成變頻器的控制。

根據平臺升降部分提速改造對控制準確性、穩定性、安全性等方面的要求，為了適應碼垛機不帶配重的機械提升結構，并節約改造投資費用，改造時采用ABB公司全新的大功率矢量控制型變頻器，并提出了采用通用矢量變頻器和可編程控制器（PLC）與帶機械抱閘制動電機相配合，運用PLC軟件編程，來實現平臺升降控制的思路。這樣替代了提升專用變頻器，大大降低了控制系統的復雜程度和設備改造的硬件費用。整體的系統結構如圖1。

圖1 碼垛機改造控制系統結構框圖

3.2 變頻器調速系統回路設計

（1）變頻器電源主回路設計

系統采用三相AC380V變頻器，變頻器主回路的設計、安裝應特別考慮以下幾點：①變頻器的輸入電源必須接到R、S、T上，變頻器的輸出U、V、W及接地端分別接電機和電動機的地線，否則會損壞變頻器；②為防止觸電、火災等災害和降低噪聲，必須將電源和電動機等部分的接地端子連接良好，應符合國家標準；③主電源為了保護變頻器、方便安裝調試和以后的維修，應在輸入回路上安裝空氣斷路器；④變頻器的運行應由控制回路來完成，不能通過主電路的通斷來進行變頻器的啟停等控制操作；⑤為實現電動機平穩、快速制動，提高運行速度，制動電阻回路的連接是必不可少的。

以碼垛平臺升降變頻器為例，主回路的接線圖如圖2，碼垛平臺升降電動機抱閘電源結構圖如圖3。

圖2 碼垛平臺升降變頻器主回路的接線圖

圖3 碼垛平臺升降電動機抱閘電源回路結構圖

（2）變頻器控制回路設計

通過對碼垛機動作步驟對調速系統要求的分析，認為平臺移動、三角鏈控制、成品出垛控制等均為變頻器常規調速的應用，而平臺控制為變頻器的升降控制應用，在高速運行的情況下，如果一旦出現問題則影響到人員的操作安全及機械設備的運行安全，因此平臺升降控制方面的電器設計是此次改造的一個重點。

為了達到穩定、安全、高速運行的目的，主要進行了以下三個方面工作：①為了實現升降調速運行的目的，我們采用了簡單的由PLC輸出數字開關量控制變頻器的外部控制模式，這種方式電器結構簡單，方便進行編程，控制靈活。②為了保證平臺在升降過程中，杜絕因為變頻器在調速過程中輸出扭矩不足造成平臺滑落的危險，采用了一種簡單的變頻器半閉環控制方法，即利用變頻器扭矩監控和預勵磁的功能，通過變頻器啟動前先進行預勵磁，達到足夠平臺升降控制的扭矩后，由變頻器輸出開關量控制信號給PLC，再由PLC運算后輸出控制機械抱閘系統的打開，繼續由變頻器控制電動機運行。③為了保證各種異常情況下平臺控制的可靠性，例如急停、突然斷電、設備故障等情況，在機械抱閘方面特意采取了急停斷抱閘電源和電動機斷電抱閘的控制方式。不論何種異常情況，只要升降電機的制動系統斷電，機械抱閘就會將電機鎖死，抱閘平臺立即停止運行，確保了人身及設備的安全。

提升變頻器、抱閘及PLC控制結構圖如圖4，碼垛平臺升降電動機抱閘控制回路結構圖如圖5。

圖4 變頻器控制系統接線圖

圖5 碼垛平臺升降電動機抱閘控制回路結構圖

3.3 變頻器用戶參數設置

ABB變頻器ACS350有一系列的參數，通過這些參數的設置和調整，用戶可以改變系統的性能和功能。根據討論確定的控制方案，調試前應首先設置的參數有：

（1）參數10組：1003-定義外部控制用于啟動、停止和轉向命令的連接和信號源，選擇DI1F，2R；即通過數字輸入 DI1、DI2 發出啟動、停止和轉向命令，“1、0”時為正轉啟動，“0、1”時為啟動反轉，“0、0”或“1、1”時為停止。1003-方向，選擇“3”，設置為允許雙向運行。

（2）參數12組：1201-激活恒定速度選項，選擇DI3，4。變頻器輸出恒定速度由DI3、DI4兩個數字量輸入來決定。由本系統硬件設計決定，DI3、DI4 只能有“1、0”和“1、1”兩種輸入，即選擇恒速1和恒速3，分別為平臺升降的兩個運行速度。1202-恒速1（運行高速）設定為50Hz；1204-恒速3（運行低速）設定為15Hz。

（3）參數1401：選擇繼電器1顯示的傳動狀態，繼電器在滿足設定條件時處于通電狀態。選擇“SUPRV1 OVER”（高于監控值1），監控值由參數3203來設定。

（4）參數21組：2101-選擇電機的啟動方式為AUTO（自動）。在電機控制模式為矢量控制時，變頻器在啟動前對該電機進行直流預勵磁。2102-停機方式，選擇斜坡停車。2103-直流預勵磁時間，經過調試設定為0.6s。

（5）參數2202、2203變頻器加、減速時間，經過調試，分別設定為0.3s和0.2s。

（6）參數3203：監控器1高限，如果參數高于此限制，監控器會被喚醒，繼電器輸出給PLC，控制機械抱閘的動作。

（7）參數99組：9902限制AAB標準宏；9904電機控制模式選擇矢量轉速控制；9905-9909為電機參數，必須按照電機銘牌上的值輸入，因為這些數值關系到電機辨識運行結果，影響變頻器對電機的控制；9910為電機辨識運行，變頻器會辨識電機的特征以用于優化電機控制，可以保證最大的控制精度。這是保證升降控制精確、穩定、安全的基礎，是不可忽視的重要一步。

4 改造效果

碼垛機提速改造項目完成后，經過實際運行，整個碼垛機控制系統運行平衡，安全可靠，經測算，每小時碼垛平均達到了5076桶，并且碼垛質量大大提高，完全達到了設計目標。

［1］ 李華德.現代交流電機變頻調速系統［M］.北京：石油工業出版社，2003.

［2］ 張燕賓.變頻調速應用實踐［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［3］ 韓安榮.通用變頻器及其應用（第2版）［M］.北京：機械工業出版社，2000.

［4］ 吳忠知，黃立培，吳加林.調速用變頻器及配套設備選用指南［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［5］ 中國石油化工集團公司人事部，中國石油天然氣集團公司人事服務中心.罐裝制桶操作工［M］.北京：中國石化出版社，2009.