針梳機(jī)調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的改造

張雪 梁旭 歐飛

摘?；要：本文介紹了毛條生產(chǎn)線上針梳機(jī)調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理及系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，并簡(jiǎn)要介紹了針梳機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)改造，分析了該變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中存在的問(wèn)題及解決的方法。

關(guān)鍵詞：針梳機(jī)調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)?；PLC?；變頻器?；改造

茂名某毛紡企業(yè)針梳機(jī)的14臺(tái)異步交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，使用原裝進(jìn)口的AMPACT AM3-415-73L-200針梳機(jī)變頻器。這種變頻器是20世紀(jì)80年代末設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，采用非模塊化模擬電路設(shè)計(jì)，電路復(fù)雜，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致變頻器電路元件嚴(yán)重老化，無(wú)論是控制回路的線路板還是主回路的整流器、逆變器都陸續(xù)出現(xiàn)了電氣故障，造成針梳機(jī)經(jīng)常因故障停機(jī)、毛條產(chǎn)量低，經(jīng)濟(jì)效益銳減，對(duì)這批變頻器的改造迫在眉睫。

筆者學(xué)校電氣專業(yè)教師與該廠技術(shù)骨干人員共同改造了針梳機(jī)調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)，降低了能耗，提高了生產(chǎn)效益。

一、調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理

毛條針梳機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，針梳機(jī)生產(chǎn)線的電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)由可編程序控制器（PLC）、變頻器、異步電動(dòng)機(jī)、控制線路和相關(guān)電氣元器件組成，如圖所示。

該針梳機(jī)生產(chǎn)線采用德國(guó)西門子公司的組合式PLC S5-95U型號(hào)，組合柜內(nèi)含1塊電源插卡、1塊CPU插卡、5塊輸入插卡和3塊輸出插卡，其中輸入插卡使用金鐘穆勒EBE201型號(hào)，支持16路模擬信號(hào)輸入；輸出插卡使用金鐘穆勒EBE203型號(hào)，支持16路模擬0-24V輸出信號(hào)輸出。該P(yáng)LC能進(jìn)行無(wú)觸點(diǎn)的邏輯控制，提高控制系統(tǒng)性能、運(yùn)行的可靠性，縮小控制裝置的體積，降低故障率，減少維護(hù)維修的工作量，降低能耗。例如針梳機(jī)主軸和前、后羅拉速度通過(guò)速度傳感器檢測(cè)，其值輸入PLC進(jìn)行運(yùn)算后，計(jì)算出毛條長(zhǎng)度等工藝參數(shù)。毛條長(zhǎng)度輸入PLC與設(shè)定值進(jìn)行比較后，及時(shí)調(diào)整變頻器的輸出頻率，使針梳機(jī)按設(shè)定進(jìn)行毛條梳理，當(dāng)梳理長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)定值時(shí)停機(jī)（比如每次達(dá)到預(yù)設(shè)值為1500），PLC輸出指令，切毛電動(dòng)機(jī)工作帶動(dòng)相關(guān)切毛機(jī)構(gòu)切斷毛條，然后自動(dòng)更換毛條落毛桶，再進(jìn)行下一個(gè)生產(chǎn)循環(huán)周期。

該針梳機(jī)生產(chǎn)線變頻器采用V/f控制模式，這種變頻器采用正弦波脈寬調(diào)制，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，變頻調(diào)速的機(jī)械特性硬度較好，能滿足對(duì)調(diào)速要求不高的部分紡織機(jī)械的調(diào)速要求。主電動(dòng)機(jī)M1變頻調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)整流、電容濾波后，再由相應(yīng)的逆變器逆變成變壓調(diào)頻的交流電，實(shí)現(xiàn)主電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。

變頻調(diào)速系統(tǒng)的降速，是通過(guò)降低給定頻率的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。頻率降低時(shí)，同步轉(zhuǎn)速同時(shí)下降，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速因慣性（包括負(fù)載慣性）作用而不能馬上降下來(lái)，因而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速而處于再生制動(dòng)狀態(tài)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速地跟隨頻率的下降而下降。

毛條生產(chǎn)線要求調(diào)速系統(tǒng)能長(zhǎng)期連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的工作，也就是一年8000小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)不出故障。

二、調(diào)速系統(tǒng)的改造

經(jīng)過(guò)校企專家分析論證，得出結(jié)論：修復(fù)有故障的變頻器的最有效辦法是將變頻器更新?lián)Q代，對(duì)原調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。

參照該生產(chǎn)線主拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)為額定電壓380V、額定功率11kW、額定電流20.9A、轉(zhuǎn)速2930r/min，可根據(jù)以下7個(gè)基本原則選用通用型變頻器的型號(hào)，并且所選用的變頻器要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠、耐用。

一是電壓等級(jí)的選定。選用時(shí)注意變頻器的電壓等級(jí)是否與輸入電源和所驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電壓等級(jí)相同，此次選用的是380V變頻器，電壓波動(dòng)范圍在-15%～10%。

二是最大適用電動(dòng)機(jī)容量的選定。選用的變頻器最大適用電動(dòng)機(jī)容量是11kW，而且是4極普通異步電動(dòng)機(jī)。

三是通用變頻器控制方式的選定。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與通用變頻器的輸出電壓之間可以有多種控制方式，一般有V/f控制方式、轉(zhuǎn)差控制方式、矢量控制方式和直接轉(zhuǎn)矩控制方式幾種。V/f控制方式是通用變頻器使用最多的一種控制方式，也是這次改造所用的控制方式。

四是輸出頻率范圍的選定。選擇最小頻率和最高頻率要適當(dāng)。

五是輸出頻率精度的選定，要求在選定范圍中。

六是制動(dòng)方式選定。通用變頻器的電氣制動(dòng)有內(nèi)部制動(dòng)和外部制動(dòng)兩種方式，本次變頻器的制動(dòng)方式為內(nèi)部制動(dòng)。

七是功率因素的選定。本生產(chǎn)線對(duì)功率因素?zé)o特殊要求。

經(jīng)反復(fù)分析國(guó)內(nèi)可大量供貨的變頻器，綜合了各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，確定了以富士FRENIC 5000G11S系列變頻器（具體型號(hào)為FRN11G11S-4CX）作為老式變頻器的換代品。

富士FRENIC 5000G11S系列變頻器具有高性能和多功能的優(yōu)點(diǎn)，適用于一般工業(yè)負(fù)載。這種變頻器采用了低噪聲控制電源系統(tǒng)，能大大減小對(duì)周圍傳感器等設(shè)備的噪聲干擾影響；22kW以下標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品采用全封閉結(jié)構(gòu)IP40，耐環(huán)境性好；面板能顯示和確認(rèn)運(yùn)行狀態(tài)、輸入/輸出狀態(tài)和跳閘時(shí)的詳細(xì)參數(shù)，由此能較容易地進(jìn)行異常原因分析和提出對(duì)策。

控制系統(tǒng)主電路接線圖見(jiàn)后。

根據(jù)生產(chǎn)需要，針梳機(jī)要求有快車和慢車兩種速度。PLC輸出快車和慢車信號(hào)輸出電壓是24V，為防止對(duì)變頻器信號(hào)串?dāng)_，需加裝一塊轉(zhuǎn)換板，使用2組24V歐姆龍繼電器，通過(guò)繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)，轉(zhuǎn)換變頻器的快車開(kāi)關(guān)和慢車開(kāi)車信號(hào)。通過(guò)控制器的快車按鈕連線600、慢車按鈕連線634和停止按鈕連線635將信號(hào)輸入PLC中，PLC經(jīng)處理后再通過(guò)轉(zhuǎn)換板控制變頻器的快慢車及停車。

變頻器的頻率設(shè)定是使用外置的1kΩ的電位器進(jìn)行設(shè)定，分別連接變頻器的13、12、11接線端子。變頻器的30A端子連接PLC的線727作為變頻器報(bào)警連線到PLC的連線，報(bào)警時(shí)PLC顯示變頻器閉鎖停機(jī)。其他連線參照舊變頻器和PLC的連接方式連接。新變頻器的尺寸比舊變頻器小20%左右，有利于變頻器的安裝固定和變頻器元器件的散熱。在安裝完變頻器連線后，需重新對(duì)新變頻器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，未列入的變頻器參數(shù)在出廠時(shí)已預(yù)設(shè)好。

三、在調(diào)試和試生產(chǎn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決方法

在生產(chǎn)調(diào)試中，設(shè)備間運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)不匹配卡毛、堵毛等現(xiàn)象，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)與論證，最終找到了問(wèn)題的原因及解決方法。

一是變頻器的加速和減速時(shí)間設(shè)置不合理，造成針梳機(jī)內(nèi)針輥卷毛，針片損壞嚴(yán)重。經(jīng)查是因?yàn)樽冾l器的加速和減速時(shí)間過(guò)快，毛束在經(jīng)過(guò)皮輥拉斷區(qū)時(shí)速度較快，在經(jīng)過(guò)針輥梳理區(qū)時(shí)速度較慢，當(dāng)啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)就容易發(fā)生卷毛故障。經(jīng)多次調(diào)試，設(shè)置加速時(shí)間為4.9s，減速時(shí)間為6s，毛束傳送正常。

二是針梳機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間PLC報(bào)警停機(jī)，查相關(guān)參數(shù)是主電動(dòng)機(jī)M1過(guò)熱保護(hù)。用萬(wàn)用表和搖表查主電動(dòng)機(jī)M1，電動(dòng)機(jī)M1正常。查PLC輸入，PLC輸入插卡第三塊板第4腳的線729動(dòng)作，線729是連接到變頻器的過(guò)熱保護(hù)端子。查變頻器參數(shù)F11（OL設(shè)定值），問(wèn)題的原因是由于F11值過(guò)低造成的。將值更改為19.6后，PLC報(bào)警停機(jī)信號(hào)消失，針梳機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

經(jīng)反復(fù)多次調(diào)試，并聽(tīng)取廠家和專業(yè)專家的建議，我們終于完成廠內(nèi)針梳機(jī)變頻器技術(shù)改造工作。改造后的數(shù)字變頻器運(yùn)行和操作效果明顯好于老式模擬變頻器，為企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。

四、成效

在毛條生產(chǎn)線機(jī)械設(shè)備調(diào)速系統(tǒng)改造過(guò)程中，我們對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和部分整改，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用，在控制精度及可靠性方面均取得了滿意的效果。

一是新變頻器采用數(shù)字式調(diào)節(jié)參數(shù)，控制精度高。二是維護(hù)量小，故障率低。設(shè)備具備的監(jiān)控保護(hù)與故障自診斷功能，運(yùn)轉(zhuǎn)率相當(dāng)高，減少了維護(hù)人員的工作量。三是對(duì)筆者學(xué)校專業(yè)教師的專業(yè)知識(shí)和技能水平是一次考驗(yàn)和提升。四是陸續(xù)對(duì)其余十幾套變頻器調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行類似的改造，通過(guò)長(zhǎng)達(dá)5年的觀察，這一批次的變頻器精度準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定，長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)均無(wú)大的故障。

我們通過(guò)對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造，圓滿地解決了變頻器存在的問(wèn)題，提高了變頻器的工作效率，同時(shí)減輕了電氣維護(hù)人員的工作量，更好地保證了生產(chǎn)工藝的精度、質(zhì)量，減少了設(shè)備停機(jī)對(duì)生產(chǎn)所造成的嚴(yán)重影響，達(dá)到了預(yù)期的改造目的。

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