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森蘭SB70變頻器在貨架冷彎生產線上的應用

發布時間:2020-06-15 20:14瀏覽次數:284

1、係統構成。

1.1 貨架冷彎成型工藝流程:開卷——校平——切頭焊接——在線伺服送料衝孔——成型冷彎軋製——矯直——定尺切斷(或伺服跟蹤切斷)——打包——後期噴塗處理等。森蘭SB80B工程型矢量控製變頻器主要應用於成型冷彎軋製過程,也可應用於開卷和校平機組的速度匹配係統。

圖1 貨架冷彎成型生產線簡圖

1.2 根據貨架組件(橫梁)的冷彎成型孔型設計及冷彎成型工藝要求,貨架組件(橫梁)冷彎機組共有12站牌樓構成,貨架組件(立柱)冷彎機組一般有17站以上牌樓構成,其基本工作原理相同,隻是工作負荷和選用的變頻器功率大小有差異,下麵主要以橫梁冷彎機組的應用為例進行討論。鋼卷料由第一站牌樓前的帶料導引裝置將鋼帶穿入冷彎機組進行冷彎成型加工,該冷彎機組主動力由30kW的森蘭SB70矢量控製變頻器和異步變頻電機驅動係統構成,各牌樓間的動力傳遞可采用鏈傳動或齒輪組來實現;主控係統選用MELSEC FX2N-32MR可編程控製器,閉環控製反饋信號由2000脈衝/轉的旋轉編碼器被動測量提供信號開關量並測長,根據所選的編碼器的線數以及你要走的位置量,確定好對應的計測脈衝數,然後設置PLC,使其在計測到相應的脈衝數時產生相應的動作以實現產品定長切斷的精確控製,其基本長度控製精度可達±0.5mm以上,可重複長度控製誤差分布範圍最大不超過1mm。

1.3 係統硬件結構的主要配置:

(1)選用是FX2N-32MR,外加FX2N-232-BD通訊模塊。各1隻

(2)觸摸屏選用型號為:GP37W2-BG41-24V,或采用微機控製上位機係統。

(3)KOYO旋轉編碼器TRD-NH1200-RZ及測量輥、24V開關電源,各1台

(4)30kW的森蘭SB80B工程型矢量控製變頻器,1台

(5)三相籠型交流異步電動機:Y係列,4極,22kW,1台。

(6)其它電氣選配件,如:配置PG速度控製卡獲得編碼器的速度反饋信號,內置直流電抗器。通常變頻器在實際應用中還需要製動單元與製動電阻在再生狀態時獲得足夠的製動力矩。

2、電氣閉環無級控製係統原理

2.1 要實現貨架組件(橫梁)的冷彎成型機組的閉環無級控製,必須根據變頻器和變頻電機的特性,即高性能閉環速度矢量和轉矩矢量控製性能;采用精確磁通觀測器的轉子磁場定向的真正閉環(采用有速度和無速度傳感器)速度和轉矩矢量控製算法來完成;即在一定載荷下變頻器所存在的理想加速和減速特性曲線,或根據不同的品牌和規格的變頻器的特性參考資料、冷彎機組加工件的負荷特性、電機的負荷特性等進行適時調整。本係統采用帶PG v/f控製模式,基本控製原理如圖2:

圖2 係統閉環無級控製原理圖

2.2 基本控製思想為:森蘭SB70矢量控製變頻器和變頻電機構成內閉環控製係統,旋轉編碼器與PLC構成係統外部閉環控製係統;即1)、根據旋轉編碼器測量反饋的當前速度信號適時調整變頻器的輸出驅動頻率值,從而保證變頻電機能以要求的速度平穩運行;其還表現在必須根據具體冷彎產品的成型工藝要求、負荷波動規律等選擇相應的速度控製模式,即初時運動加速度與加速控製時間、平穩運行速度與距離、減速運動加速度與控製時間等進行變頻器的適時調整,確保主機運行及控製反饋運行過程的平穩,消除不穩定形成的係統超差故障;2)、根據旋轉編碼器的脈衝測量數反饋當前冷彎機組主電機的位移信號及預先設定的控製方案,適時調整變頻器的輸出驅動頻率值,使變頻電機先以較高的速度運行到接近冷彎產品控製切斷長度的位置後,將速度平穩降到較低的速度下工作,並在切斷控製處準確製動停準,必要時可采取機械抱閘係統來輔助快速定位,再通過輸出控製點發出切斷控製信號實現液壓停剪;PLC控製係統在工作過程中實時采集運行數據,並不斷地與存放在軟件控製數據塊裏的標準位置參數進行比較和控製決策,從而達到快速準確定位、提高作業效率的目的,並與監控係統交換工作信息以實現生產管理係統的全麵動態管理。

2.3 在我公司進口的貨架組件(立柱)冷彎生產線控製係統中,可編程控製器主要用作下位機,檢測各狀態點的狀態,直接控製係統的啟、停和其他控製單元的投切,並將各點的I/O狀態通過控製板卡送給上位機——計算機,計算機綜合可編程控製器和其他設備的數據,做出相應的處理和顯示。

3、變頻器的選型依據及容量的確定

3.1 貨架冷彎成型設備的電氣拖動主要是驅動冷彎軋輥運動,其阻力矩取決於冷彎軋輥與鋼卷料之間的摩擦力與冷彎軋輥半徑r的乘積。在這裏,冷彎軋輥的半徑r是恒定不變的,摩擦力的大小與相應的冷彎產品的孔型設計工藝水平、機組的傳動效率和相關材料與軋輥間的摩擦係數等有關,與轉速高低關係不大。這是典型的恒轉矩負載機械特性。這類負載轉矩和轉速的快慢無關,所以在調節轉速過程中,負載的阻轉矩保持不變。在選擇變頻調速係統時,除了按常規要求外,還根據機組運行的調速範圍、阻力矩的特點、對機械特性的要求等進行選擇:(1)選擇較為簡易的V/F控製方式的變頻器應用於:開卷機、校平機、壓力機等單機運行的變頻調速控製與整線速度上的匹配。(2)選擇有反饋的矢量變換控製方式應用於冷彎成型機組和在線液壓停剪設備係統中,主要是為了實現精確的速度控製和反複運行於接近零速區的位置定位和液壓停剪功能,目前可實現的位置控製精度可達到±0.1mm以上,精度越高其生產效率會明顯下降,甚至產生位置定位震蕩,根據貨架產品的工藝特點,位置精度控製在±0.5mm左右較合適,貨架冷彎機組主動力係統主要采用有反饋的矢量變換控製方式,如圖2控製原理。矢量控製通過電動機統一理論和坐標變換理論,把交流電動機的定子電流分解成磁場定向坐標的磁場電流分量和與之垂直的轉矩電流分量,把固定坐標係變換為旋轉坐標係解耦後,交流量的控製就變為直流量的控製,這樣交流電動機便能等同於直流電動機,從而獲得直流電動機一樣的控製性能。目前,交流電力拖動已完全可以與直流電力拖動相媲美。

3.2 其次對冷彎機組成型功率的計算和確定。機組驅動動力常由實際經驗推定,可參考部分機組的標準規範和經驗設計參數,也常用旋轉承受成形反力(荷重)的輥所需要的成形扭矩來求,如:成形扭矩T=P(成形荷重)×L(輥間接觸長度),且實測值常高於計算值;其中也給出了電縫管的計算經驗公式等。實際上不同的廠家對機組功率設計的標準也不同,機組傳動效率上也存在一定的差異(如:鏈傳動與齒輪傳動),如某公司的進口生產線,其成型寬度為:226mm,成型角為360度,卷料厚度達到3.0mm,選用卷料設計材質為SS490,機組主功率為37kW,而國產設備冷彎產品成型寬度為:336mm,最大成型角為1080度,常規產品成型角為720度,卷料厚度達到4.0mm,選用卷料設計材質為SS490,機組主功率為132kW,類比可發現其差異較大。特別是當卷料厚度誤差出現超差的情況下,機組負載情況就會發生突變,冷彎成型力就會附加板料厚度上的軋製力,係統將會出現停頓過載現象,為此也必須加以考慮。由於工作在矢量控製方式下,因此它能提供足夠大的啟動轉矩。

3.3 最後為選用變頻器的容量,其有很多因數決定,例如電動機容量、電動機額定電流、電動機加減速時間等,其中,最主要的是電動機額定電流。為了獲得變頻器理想的控製性能,一般變頻器功率應當滿足:變頻器功率≥K×1.732×Vm×Im

K為電流波形校正係數,Vm為電機額定電壓,Im為電機額定電流。

3.4 交流變頻調速是通過變頻器來實現的,對於變頻器的容量確定至關重要。合理的容量選擇本身就是一種節能降耗措施。根據現有資料和經驗,比較簡便的方法有三種:

(1)、電機實際功率確定法:首先測定電機的實際功率,以此來選用變頻器的容量。

(2)、公式法:設安全係數取1.05,則變頻器的容量Pb=1.05Pm/hm×cosy(kW)

式中,Pm為電機負載;hm為電機功率。計算出Pb後,按變頻器產品目錄可選出具體規格。

(3)、電機額定電流法:變頻器容量選定過程,實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程,最常見、也較安全的是使變頻器的容量大於或等於電機的額定功率,但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功率相差多少,通常都是設備所選能力偏大,而實際需要的能力小,因此按電機的實際功率選擇變頻器是合理的,或根據具體選用的變頻器品牌和性能進行選用。貨架組件(橫梁)冷彎機組的主要功耗包括:用於貨架組件(橫梁)彎曲變形功率、克服輥子與工件之間的摩擦阻力及輥子軸承摩擦阻力、克服機組傳動阻力及功率損耗,一般采用經驗測算方法與簡單公式計算後放大倍數的方法共同核算,通常還根據冷彎成型的成功案例進行類比測算,並依此確定具體型號變頻器的實際功率;本方案中選擇的變頻器的實際功率約為22kW。

3.5 由於森蘭SB70矢量控製變頻器具有多段速度選擇功能:它有正轉運行/停止、反轉運行/停止、外部故障、故障複位、多段速指令1、多段速指令2、點動頻率選擇、外部基極封鎖指令、多段速指令3、多段速指令4、加減速時間選擇、非常停止、多功能模擬量輸入等端子,可以通過PLC的輸出點直接控製輸入端子的ON/OFF狀態來實現變頻器速度的上升、下降和精確停車。每檔速度的大小可由變頻器功能預置來設定。

3.6 製動電阻的選擇:內置直流電抗器,功率因數≥0.94,電源輸入諧波小,並能有效防護浪湧、電壓和毛刺,延長內部電路元件的壽命;一般在其推薦的電阻功率和阻值內選擇,對於電機轉速較高的機組情況可以適當減小電阻得到較高的製動力矩,如果最小值不能滿足製動力矩的話,需要更換大一級功率的變頻器。

3.7 綜合多種因素,荔枝视频黄選定了森蘭SB70矢量控製變頻器,特別是該係列產品的零伺服功能(對電機在停止狀態被保持性能)對實現貨架組件(橫梁)的冷彎成型的定位控製及滿足液壓停剪的生產控製要求很有效,能進一步提高了貨架組件的成型質量和生產效率。

4、外部接口設計

4.1 三菱FX2N型PLC內置多個高速計數器。經過測量測試,選擇采用兩相兩計數輸入、應答頻率為30kHz的C251計數器,將旋轉編碼器的A、B輸出端與PLC的X0、X1輸入點相連,可以穩定地捕捉貨架組件(橫梁)冷彎機組上加工產品所需要的閉環控製反饋信號,實現冷彎產品的加工長度、位置定位後的程序比較及控製信號的輸出,實現冷彎產品的定長液壓停剪動作。機組最大運行速度限製計算為:測量輥周長與應答頻率為30kHz的乘積再除旋轉編碼器的每轉脈衝數,如我司選用的測量輥直徑為Φ60mm,周長為188.5mm,則每秒最大運動位移為:188.5mm×30000÷2000=2.827m,貨架組件(橫梁)冷彎機組的最大理論運行速度在169米/分以內的要求,一般運行速度設計在20米/分左右。PG輸出脈衝檢出的最高值為300kHz,主要通過以下公式來算PG的輸出頻率:

4.2 上位機對森蘭SB70矢量控製變頻器的多段速輸出控製,可以通過控製輸出端的通斷信號對多段速指令進行選擇或通過相關控製板卡輸出模擬信號0~±10V到多功能模擬量輸入端進行在線自適應正反轉、高低速、運動定位停止控製等。具體見圖3:

圖3 森蘭SB70矢量控製變頻器的PLC控製簡圖

4.3 由於森蘭SB70矢量控製變頻器具有轉矩響應≤10ms;轉矩控製功能,零伺服及位置控製功能;對於冷彎機組遵循“加速—運行—減速—低速運行正反轉調整—停止”為一個運行周期的控製模式,每一周期中的間隔是冷彎產品的切斷過程及係統動作複位。特別是針對上述運行周期中的“停止”概念,要理解為零伺服功能狀態,加上外部PLC或PC等信號或模擬量指令下實現電機的停止狀態並被保持。合理設置這些參數,可以調整定位運行的切斷控製精度及機組的生產效率,使它適合負荷的要求。

4.4 在試運行中如果發生亂調和振動等起因在控製性能的故障時,請對照帶PG矢量控製的模式調整參數,即速度控製的比例增益和積分時間參數、對應頻率切換速度控製增益、速度控製的一次延長時間、選擇載波頻率等。在具體運行過程中可以通過PID控製模塊實現運行速度的控製與定位調整,以實現同步控製,即實現把速度指令與速度檢出值的偏差接近零。

4.5 主要控製誤差來源於機械製造誤差、測量輥反饋測量精度及選用的冷彎軋製材料的表麵質量和成型工藝,這也是本次應用成功的關鍵。係統的機械控製精度對電氣係統的控製精度存在一定的影響,可通過電氣上的通電保持和實際的轉矩平衡、適當的機械定位抱閘及加工原料的平整度等方麵進行綜合控製以縮短係統的在線調試時間和周期。為保證冷彎組件的質量和生產成本,還必須定期對旋轉編碼器測量輥的磨損進行校準修正、相關外圍機組參數變化或調試過程中的機組再調整、機組的維護保養等,從而盡量在很多場合達到較高精度位置控製的要求。並根據具體產品進行參數優化和性能分析,以提高係統的廣泛適應性。

5、應用效果

森蘭SB70矢量控製變頻器控製實現的多段速係統控製確保了貨架冷彎機組的自動化控製要求,具有運行穩定可靠,定位精度高等特點。實踐也證明森蘭SB70矢量控製變頻器完全能滿足貨架冷彎機組的調速和基本定位控製要求,提高了生產效率。此種變頻器控製方式也可用於其他需要速度配合及定位控製的電機變頻調速係統。

根據今後貨架冷彎機組的自動化發展方向,將成型速度的設定與控製理論的發展與應用、成型輥輥型設定與實時調節、具體機械設備的故障診斷的處理與顯示等與具體的電流矢量控製通用變頻器、PLC控製功能和發展相結合,特別是無速度傳感器矢量控製變頻器技術的發展與成熟,必然能促進貨架冷彎機組的整體自動化發展水平。

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