某公司非织造布(无纺布)生产线的梳理机(90年代德国引进)控制系统采用菲尼克斯的InterBus工业现场总线,一个主站多个从站,对现场设备的运行进行信号的采集控制。整个控制系统由操作台站、控制站PLC(西门子S7系列 )系统及InterBus现场总线组成。系统硬件构架图如图1所示。伺服驱动系统占用了其3个从站单元,采用3组西门子SIMODRIVE 611A交流多轴同步共享电源驱动(每组伺服电源带多轴驱动)及西门子1FT5系列永磁交流无扇自冷直轴耦合伺服电机,与其自带编码器转速检测元件一起构成半闭环控制。PLC通过InterBus总线输出0-10V(工艺速度)模拟量调节各个辊子轴协调同步运行速度。该系统具有如下特点:①待机时,操作台站的±按键可预先设定各辊子的工艺速度,运行时,各辊子的速度从0m/min逐步上升到设定的工艺速度;②稳速后,工艺人员还可以应工艺需要对各个辊子的速度进行调整;③执行停机指令时,各辊子的速度从其工艺速度逐步降低至零速,梳理机停止运行并自动恢复为待机状态,各辊子的速度由零速复原为工艺转速。
该梳理机建成投产后一段时间初期里,各棍子的伺服驱动系统看上去十分稳定,速度调节控制十分方便,但随后即发现,梳理机上、下杂乱辊、转移辊、小锡林等直径重量大、转速高的辊子的伺服电机温升过高(80℃以上),电流波动大导致电机及伺服驱动部件故障频频,尤其是上、下杂乱辊伺服系统故障率特别高,电机经常损坏。仔细检查分析,这是由于该类伺服电机速度快,负载转动惯量大及转速反馈的作用,使电机的实际速度总是在不停地跟踪调节,所以电机总是在不断地工作在频繁交替工作在加速与稳速状态,而系统总是要迫使速度平稳,从而造成电机电流波动发热而损坏。为了确保生产,至今,该类型的伺服电机先后共购进了5台,退下的5台已因损坏严重而报废,期间,电机还经常送回兰州电机厂进行修理。,不仅购置新电机费用高(约3万元/台),维修费用也高(上万元),而且期货周期长,影响了生产。经分析,决定对上述的几套伺服控制系统进行改造。以上杂乱辊伺服系统为例,介绍整个改造的过程。
2 伺服系统改造
2.1 上杂乱辊伺服系统机械负载特点
原伺服系统设计最高速度为1600m/min,正常生产速度约为1200 m/min。运行过程非常简单,只是电机通过4:1的减速机减速再经过约1:1的皮带轮带动辊子运动,与大锡林、盖板间形成气流。主要为了满足工艺需要,要求电机转速要稳,不能波动;停机时,系统将速度给定从当前的工艺速度慢慢降到零速,即要求上杂乱辊速度从1200m/min左右能尽快地降到零速,此时由于负载重,惯性大,急剧减速控制器极易出现过压故障,要求控制系统要具有制动能力;另当系统启动时,速度给定是从0V缓慢增加直至工艺速度给定的,这就要求调速系统要有足够大的低速转距。一般讲,伺服系统主要用于需要快速跟踪、超宽的调速范围、精确定位、超低速大力矩等应用场合,比如精密数控机床、高速包装机等,较本系统的负载特点,其实对电机的控制性能要求并不是很高,采用变频调速系统替代原伺服系统是完全可行的。
2.2 电机选型
根据恒转矩负载的特点,查阅资料,从安装空间及与齿轮箱适配等情况考虑,所选交流三相异步电机尽量比原伺服电机的功率大,也可选用价格昂贵的交流变频电机,以及变频器要尽可能工作在基频以下等等,综合考虑后,拟选用2极、7.5KW交流异步电机配装齿轮箱解决方案。通过公式n=4v/(πd)(n:电机转速,v:工艺速度,数字4是变比,d为辊子的直径0.708m)计算知,最高速度1600m/min时电机工作在2879r/min,实际生产速度为1200m/min,电机转速约是2159r/min,2极电机有余量。根据电机安装空间情况,选用普通Y系列的立式法兰电机。只需电机输出轴加工跟原电机一样及加工连接法兰盘即可完成与减速机装配。根据三相电机转速公式n=(60f/p)(1-s),当生产速度为1200m/min时,2极电机约工作在38Hz,在基频以下,选用7.5KW的2极电机是可行的。
2.3 变频器选型
根据该伺服系统工作特性,对几家国内变频器参数及端口功能进行对比,考虑到调速器的耐用可靠性,因此变频器需要放大功率等级,最终选用西门子MM440系列15KW变频器。MM440系列是模块化矢量型变频器,以下特点适合本次改造:①启动和低速转距大,0.5Hz转矩可达150﹪额定转矩。②准确输入电机铭牌参数,在矢量控制模式下具有良好的控制性能。③调速范围达1:100。④无速度传感器矢量控制模式下对电机的高性能控制与全方位保护。⑤独特的快速直流制动能力,速度一下降,变频器也跟随着对电机进行反电势消除,平稳停机。
2.4 变频器控制线路
相比原伺服驱动系统,交流调速系统接线大为简化(见图1的实线框内及图2)。变频器只需1个的启动信号、原系统的速度给定信号及变频器的状态输出信号即可正常工作。Kz是原伺服驱动系统的运转信号-K108经转换后作为变频器的启动信号,DO1-CME和T/A-T/B端的模拟输出状态作为系统的状态反馈信息。
2.5 变频器参数设置
根据负载的特点和变频器控制优良性能,按电机铭牌参数输入,参数输完后还要尽量进行电机参数完整调谐(电机与负载脱开),这样变频器就尽可能多的辨识出电机的其它关键参数(由功能码F1-06到F1-10可读出),以保证变频器的动态控制性能。此外还必须设置并根据运行情况调整相关的参数。
3 变频调速系统调试
3.1 脱机调试
为了确保改造后系统的带载能力,脱机单独运转负载。在键盘控制模式下运行变频器,在运行中观察、追踪变频器的输出情况,在10Hz稳定运行时,电流约在4.3A,20Hz时约在4.5A,达到40Hz后,电流仅在4.8A左右,负载率约32％,说明负载非常经,余量空间很大。
3.2 联机调试
a、减速时间调节
为了延长变频器制动装置(内置制动单元,外置刹车电阻)的使用寿命,减速时间越长越好,先按出厂默认值20s,当其它的辊子已经降到了0m/min,而上杂乱棍子还要运转,需减少减速时间。反复试验将减速时间参数F0-18设到10s后实现同步停止。
b、变频器启停状态调试
调试的初期,变频器的继电器输出端参数F5-02设成5(零速运行中),定义为变频器在0Hz不管是待机还是运行,T/A与T/B之间断开,非0Hz运行时,T/A与T/B之间闭合,适合原伺服系统的工作状态。开机运行设备,当停机时,因为变频器运行频率降不到0Hz,即系统的给定值降不到0V,T/A-T/B不能断开,导致设备不能正常停机。经分析修改变频器AI1最小输入值对应的参数F4-13,先设为0.5V,即给定值从0V升到0.5V或降到0.5V及以下,变频器频率均在0Hz。开机运行,当变频器尚未运行在非0Hz时,系统就报Top random roller is blocked故障。故障原因是系统在给定值从0V逐渐上升到0.5V的过程中,由于时间久,系统因接收不到T/A-T/B端ON信号,故误认为是上杂乱辊抱闸而发出安全保护性报警。反复试验最后将AI1改成0.10V后一切正常。
c、速度校正
由于操作台站的上杂乱辊运转的速度显示表显示的是实际速度,是调节辊子速度的重要工艺指标,故改造后还要校正。待上杂乱辊稳定运行后,用手持转速表测得辊子运转的角速度ω约为554r/min,由公式v=πωd算出速度约为1232m/min,与仪表上显示的速度基本一致,即变频器出厂设定的最大频率50Hz和上限频率50Hz满足需要,不作调整,否则,要相应改变最大频率和上限频率设定值。
4 效果
上杂乱辊伺服系统改造完成投入生产后,监测变频器的运行状况,在仪表上显示工艺速度为1230m/min,变频器的工作频率约为38Hz,输出电流仅为6.0左右,负载率只占40％,很经;在变频器启动的瞬间,电流最高达到21A,但这是暂时的、短时的,随着运行频率的增加,输出电流也随着减少,在稳速阶段,电流最小降到约4.0A后缓慢上升,最后稳定在6.0A左右,电机运行温度在50℃以下。整个过程非常顺畅,表明改造后,这套变频调速系统负载能力远超过机械负载的需求功率。
有了上杂乱辊伺服系统成功改造的经验,至今,又采用类似的方法对转动惯量大,电机发热严重的其他5套西门子伺服控制系统进行了改造。目前,该6套变频调速系统运行稳定、可靠,而且都符合生产工艺的要求,改造最长的上杂乱辊伺服系统运行也有两年多,均0故障0备件消耗。
通过对这6套西门子伺服控制系统的改进,不仅使该生产线作业率得以提高,而且也使该线故障率大大降低,降低了成本,增加了工程技术人员提高经济技术指标的方法和途径,为今后类似设备的设计改造提供了较高的技术支持,具有较高的应用及推广前景。
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