尉澤民，程林峰，高衛(wèi)，劉玉民，呂建國(guó)

（山東中煙工業(yè)公司濟(jì)南卷煙廠，山東 濟(jì)南 250104）

1 引言

煙草系統(tǒng)制絲車間都會(huì)用到很多儲(chǔ)柜，用來(lái)暫存生產(chǎn)工藝過(guò)程中的葉片、葉絲、煙梗、梗絲、膨脹絲、成品煙絲等煙草物料。儲(chǔ)柜容量一般設(shè)計(jì)比較大，大多數(shù)容量在4000～10000kg/柜。儲(chǔ)柜在出料時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)出料不均勻的情況，尤其是料頭和料尾出料時(shí)更為嚴(yán)重。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因：一是底帶兩側(cè)的鏈條處于松弛狀態(tài)無(wú)法再進(jìn)行張緊處理。容量較大的儲(chǔ)柜在出料時(shí)底帶兩側(cè)鏈條承受很大的張力，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行在鏈條的鏈節(jié)鏈接處產(chǎn)生變形，鏈節(jié)的鏈接處間隙緩慢變大，底帶每側(cè)200余節(jié)的鏈節(jié)就會(huì)被慢慢拉伸出200mm以上的長(zhǎng)度，超過(guò)儲(chǔ)柜底帶兩側(cè)張緊調(diào)節(jié)能力。二是底帶電機(jī)反復(fù)啟停造成出料不及時(shí)。儲(chǔ)柜在出料時(shí)，底帶兩側(cè)鏈條在受減速電機(jī)牽引的正向作用力下，會(huì)張緊變形，對(duì)減速電機(jī)產(chǎn)生很大的反作用力。當(dāng)處于下游的定量管中裝滿物料后，從定量管到儲(chǔ)柜底帶之間所有電機(jī)會(huì)停止運(yùn)行，這時(shí)底帶兩側(cè)鏈條的張力會(huì)得以釋放，釋放張力的過(guò)程就是反作用力減小的過(guò)程。底帶電機(jī)停止運(yùn)行，其正向作用力減小為零，但反作用力很大，反作用力會(huì)施加到底帶減速電機(jī)上，帶動(dòng)減速電機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行，直到反作用力釋放完。經(jīng)過(guò)估算，電機(jī)大約反轉(zhuǎn)110圈。底帶鏈條張力釋放的過(guò)程也是安裝在其上的皮帶及皮帶上物料后退的過(guò)程。物料后退的距離需要下一次底帶電機(jī)正向運(yùn)行來(lái)彌補(bǔ)，在彌補(bǔ)期間會(huì)造成出料段設(shè)備上缺料。如果底帶電機(jī)頻率調(diào)整不恰當(dāng)，出料量過(guò)大，定量管進(jìn)料時(shí)間很短，就會(huì)影響儲(chǔ)柜出料，很容易出現(xiàn)底帶電機(jī)第一次彌補(bǔ)過(guò)程尚未完成或剛開(kāi)始出料設(shè)備就停止運(yùn)行，出料段設(shè)備再次啟動(dòng)后進(jìn)入第二次彌補(bǔ)過(guò)程，甚至出現(xiàn)第三次或更多次彌補(bǔ)過(guò)程，造成出料段設(shè)備上長(zhǎng)距離缺料或斷續(xù)缺料的狀態(tài)，定量管中就會(huì)出現(xiàn)缺料或斷料，造成出料均勻性差，甚至可能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成一定影響。

提高儲(chǔ)柜底帶出料的均勻性，通?？梢杂幸韵氯N解決方案：一是更換鏈條的方法。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：直接解決問(wèn)題。缺點(diǎn)是：費(fèi)用很高。更換鏈條至少需要3天時(shí)間，至少需要5人來(lái)配合更換，人力成本高；購(gòu)買鏈條也需要花費(fèi)較大成本，另外更換鏈條時(shí)底帶上的皮帶也同時(shí)需要更換，其成本比鏈條還要高。二是采用二次緩沖裝置法。在定量管到儲(chǔ)柜底帶之間再增加一級(jí)定量緩沖裝置。通過(guò)中間級(jí)的定量緩沖裝置二次緩沖來(lái)彌補(bǔ)儲(chǔ)柜底帶出料不均勻的缺陷，最終達(dá)到物料的均勻性，滿足生產(chǎn)需求。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備適應(yīng)能力更強(qiáng)，無(wú)論大流量還是小流量，均能做到出料均勻。缺點(diǎn)是：成本高，需要有合適的安裝場(chǎng)地。三是采用抱閘電機(jī)的方法。將現(xiàn)在使用的減速電機(jī)更換為帶抱閘功能的減速電機(jī)。在電機(jī)停止運(yùn)行時(shí)依靠抱閘鎖緊電機(jī)轉(zhuǎn)軸，阻止底帶及其上的物料后退，電機(jī)再次運(yùn)行時(shí)釋放抱閘。底帶因沒(méi)有出現(xiàn)后退，物料可以隨底帶前進(jìn)直接從儲(chǔ)柜內(nèi)部出來(lái)，保證儲(chǔ)柜底帶出料的均勻性。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，改造相對(duì)容易。缺點(diǎn)是：因抱閘動(dòng)作頻繁，壽命較短，后期故障率會(huì)較高。綜合以上所述，這三種方法由于采購(gòu)成本控制、空間位置限制和故障率問(wèn)題均不能采用。

本次提出的變頻器0赫茲運(yùn)行法是采用矢量控制型變頻器在0赫茲運(yùn)行時(shí)也可產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。采用矢量控制型變頻器在0赫茲運(yùn)行時(shí)，釋放的激磁電流和轉(zhuǎn)矩電流合成的矢量電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩抵消底帶后退時(shí)的反作用力，阻止底帶及其上的物料后退。本方法通過(guò)修改PLC控制程序和增加強(qiáng)制風(fēng)冷風(fēng)機(jī)控制電路，相對(duì)比較容易，費(fèi)用低，后期維護(hù)方便。

2 系統(tǒng)組成和工作原理

2.1 儲(chǔ)柜出料系統(tǒng)組成

圖1 儲(chǔ)柜出料系統(tǒng)流程圖

儲(chǔ)柜出料系統(tǒng)流程圖如圖1所示。儲(chǔ)柜為U型柜體，從端頭出料或中間出料，驅(qū)動(dòng)器件包括底帶電機(jī)和撥輥電機(jī)；輸送帶根據(jù)空間位置、輸送距離和輸送方式的不同一般由2級(jí)以上輸送帶組成；定量管用來(lái)均衡物料輸送量，一般用來(lái)配合定量帶或皮帶秤，其上安裝有檢測(cè)料位的光電開(kāi)關(guān)。

2.2 矢量控制型變頻器的工作原理

變頻器是通過(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量來(lái)實(shí)現(xiàn)矢量控制。根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體方法是：用數(shù)學(xué)的方法將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量 (勵(lì)磁電流) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流) ，再分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相媲美，而且可以控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。也就是說(shuō)，采用矢量控制型變頻器工作在0Hz頻率時(shí)可以輸出電磁轉(zhuǎn)矩。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無(wú)速度傳感器的矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式。在車間儲(chǔ)柜底帶電機(jī)使用的西門子FC系列變頻器均為無(wú)速度傳感器的矢量控制方式。

3 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

3.1 資料和工具的準(zhǔn)備

首先以儲(chǔ)梗絲柜為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)柜底帶出料均勻性需要作以下準(zhǔn)備：

PLC編程器1臺(tái)，內(nèi)裝西門子Step7 V5．5編程軟件；

儲(chǔ)梗絲柜所在的主控柜PLC應(yīng)用程序1份；

電機(jī)冷卻風(fēng)扇1臺(tái)；

單極開(kāi)關(guān)和繼電器各1個(gè)，導(dǎo)線和電纜若干。

3.2 分析控制儲(chǔ)柜底帶變頻器的PLC程序

原控制變頻器的PLC程序?yàn)?個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能FC305和FC307。FC305提供兩個(gè)輸出信號(hào)，一個(gè)是變頻器準(zhǔn)備好信號(hào)，說(shuō)明變頻器狀態(tài)正常，可以正常使用；另一個(gè)是變頻器運(yùn)行信號(hào)，該信號(hào)用于FC307輸出變頻器控制字的開(kāi)關(guān)信號(hào)。FC307還接收來(lái)自操作面板上的頻率設(shè)定值，用于變頻器的調(diào)速。

要想實(shí)現(xiàn)變頻器的0赫茲運(yùn)行，就需要對(duì)控制程序進(jìn)行相應(yīng)修改。對(duì)FC307的變頻器運(yùn)行信號(hào)用準(zhǔn)備好信號(hào)代替，即準(zhǔn)備好信號(hào)為1，變頻器就發(fā)出啟動(dòng)變頻器運(yùn)行的控制字；反之，就發(fā)出停止變頻器運(yùn)行的控制字。FC305輸出的變頻器運(yùn)行信號(hào)用于頻率值的設(shè)定，即變頻器運(yùn)行信號(hào)為1，發(fā)給變頻器的頻率值為面板上的設(shè)定值；反之，為0赫茲。

3.3 修改后的儲(chǔ)柜底帶變頻器程序

根據(jù)分析的結(jié)果，對(duì)變頻器控制程序進(jìn)行了如下修改。

圖2 FC305梯形圖片段

圖3 FC307梯形圖片段

在變頻器啟?？刂品矫妫３諴LC程序FC305不變（圖2所示），修改FC307的Run_condition管腳（圖3所示），把原為FC305的Out條件修改為Ready條件，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備好信號(hào)為1，變頻器就發(fā)出啟動(dòng)變頻器運(yùn)行的控制字；反之，就發(fā)出停止變頻器運(yùn)行的控制字。在變頻器的頻率設(shè)定方面，增加頻率設(shè)定程序段（圖4所示），在變頻器準(zhǔn)備好的情況下FC305的Out條件為1，發(fā)給變頻器的頻率值為面板上的設(shè)定值；反之，為0赫茲。

3.4 初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)變頻器從正常運(yùn)行頻率突然減小到0赫茲時(shí)減速電機(jī)會(huì)快速反轉(zhuǎn)10余圈，而后緩慢反轉(zhuǎn)約1圈后停止。這說(shuō)明西門子FC系列無(wú)速度傳感器矢量控制的變頻器輸出的矢量電流使電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩略小于底帶的反作用力矩。變頻器在0赫茲時(shí)產(chǎn)生的力矩基本上可以抵消底帶后退時(shí)的反作用力矩。電機(jī)反轉(zhuǎn)10余圈相對(duì)底帶后退的距離可以忽略不計(jì)。

圖4 新增頻率設(shè)定梯形圖

3.5 電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.5.1 電路圖設(shè)計(jì)

因?yàn)樵?Hz時(shí)電機(jī)是靜止的，速度為零，變頻器的激磁電流和轉(zhuǎn)矩電流合成的矢量電流施加到電機(jī)上，電機(jī)會(huì)生熱。異步電動(dòng)機(jī)尾部的冷卻鳳翅也跟電機(jī)軸一同保持不動(dòng)，不能起到冷卻作用。常溫下測(cè)量電機(jī)外殼溫度在50℃上下，可以說(shuō)對(duì)電機(jī)沒(méi)有太大影響。為保險(xiǎn)起見(jiàn)，還是為電機(jī)設(shè)計(jì)了冷卻系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 電機(jī)冷卻系統(tǒng)電路圖

3.5.2 器件選型及安裝

選擇與電機(jī)型號(hào)相匹配的冷卻風(fēng)扇組件、單極關(guān)和中間繼電器并安裝接線。冷卻風(fēng)扇組件型號(hào)為：SEW VR/4114ENHU-180 24VDC 11W 。

3.5.3 修改PLC程序

A Q87．0 //底帶電機(jī)準(zhǔn)備好

= Q88．7 //風(fēng)扇電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)

只要底帶電機(jī)的準(zhǔn)備好信號(hào)為1，冷卻風(fēng)扇就保持運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)變頻器停止運(yùn)行時(shí)冷卻風(fēng)扇電機(jī)才停止運(yùn)行，完全符合設(shè)計(jì)要求。

3.5.4 電機(jī)冷卻效果驗(yàn)證

底帶電機(jī)運(yùn)行期間，冷卻風(fēng)扇會(huì)持續(xù)運(yùn)行，測(cè)量底帶電機(jī)的表面溫度約為27℃，略高于環(huán)境溫度，完全滿足電氣技術(shù)要求。

4 使用效果及推廣應(yīng)用

改造前，變頻器從正常運(yùn)行到突然停止，減速電機(jī)會(huì)快速反轉(zhuǎn)約110圈后停止，梗絲柜底帶及其上的物料也會(huì)后退一小段距離。物料后退的距離需要下一次底帶電機(jī)正向運(yùn)行來(lái)彌補(bǔ)，在彌補(bǔ)期間會(huì)造成出料段設(shè)備上缺料。改造后，梗絲柜底帶在僅有準(zhǔn)備好信號(hào)啟動(dòng)變頻器且0赫茲運(yùn)行時(shí)基本保持張緊靜止?fàn)顟B(tài)，不會(huì)出現(xiàn)后退現(xiàn)象；當(dāng)再次出現(xiàn)運(yùn)行信號(hào)時(shí)變頻器以設(shè)定頻率驅(qū)動(dòng)底帶電機(jī)運(yùn)行，能夠及時(shí)向出料口出料，梗絲出料均勻性相對(duì)穩(wěn)定，能夠?yàn)楣＝z秤均勻提供梗絲物料，為產(chǎn)品質(zhì)量提供設(shè)備保障，滿足工藝需求。

改造后，控制系統(tǒng)運(yùn)行也非常穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)1年多的實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，變頻器及其控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制效果良好，儲(chǔ)柜底帶出料的均勻性完全能夠滿足實(shí)際需求。

鑒于本改造成本低廉，易于實(shí)施，效果明顯，運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，本成果已推廣應(yīng)用到制絲車間其它7臺(tái)儲(chǔ)柜底帶電機(jī)控制上。

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