潘潔， 陳海波， 霍俊禮

（中石化長(zhǎng)城潤(rùn)滑油分公司北京分公司，北京100085）

1 引言

變頻技術(shù)是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的技術(shù)，變頻器就是利用變頻技術(shù)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(yīng)用于交流電動(dòng)機(jī)的速度控制。變頻器不僅調(diào)速平滑、范圍大、效率高、啟動(dòng)電流小、運(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯。因此，交流變頻調(diào)速已逐漸取代了過(guò)去的傳統(tǒng)滑差調(diào)速、變極調(diào)速、直流調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于包裝、冶金、紡織等生產(chǎn)線。

碼垛機(jī)是包裝工業(yè)中用于將包裝好的成品按照預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行堆疊放置，以方便運(yùn)輸?shù)臋C(jī)器。常見(jiàn)的箱式碼垛機(jī)由托盤倉(cāng)、輸送機(jī)、堆碼機(jī)、編組機(jī)、轉(zhuǎn)位機(jī)和控制系統(tǒng)。堆碼機(jī)是碼垛機(jī)的主機(jī)，它自動(dòng)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?？刂葡到y(tǒng)主要由PLC和各種檢測(cè)、執(zhí)行、控制元件和導(dǎo)線組成，是碼垛機(jī)的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，監(jiān)控和指揮設(shè)備的每一個(gè)狀態(tài)和動(dòng)作，感知設(shè)備內(nèi)、外部的變化，使設(shè)備按照預(yù)定程序應(yīng)對(duì)這些變化。

2 項(xiàng)目概況

為了適應(yīng)不斷發(fā)展的生產(chǎn)形勢(shì)的要求，公司于2010年引進(jìn)了一條國(guó)內(nèi)先進(jìn)的灌裝生產(chǎn)線，4L產(chǎn)品灌裝的最高速度可以達(dá)每小時(shí)5000桶以上。但與之配套的碼垛機(jī)是1993年生產(chǎn)的，經(jīng)過(guò)十幾年的運(yùn)行，速度慢，其控制系統(tǒng)及外部傳感器、機(jī)械系統(tǒng)老化，很多設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿足如今高速運(yùn)行的要求。為此，公司決定利用現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行提速改造，以適應(yīng)新生產(chǎn)線的要求。

碼垛機(jī)的提速改造涉及電器、機(jī)械、結(jié)構(gòu)等多方面，難度非常大。為了達(dá)到高速穩(wěn)定運(yùn)行的目的，改造過(guò)程中我們對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了更新，并對(duì)關(guān)鍵動(dòng)作部分進(jìn)行了變頻改造，其中平臺(tái)升降部分的變頻改造成為此次改造的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。

提速后碼垛機(jī)平臺(tái)每個(gè)班次上下升降運(yùn)行將達(dá)560次以上，平臺(tái)控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，不但影響碼垛機(jī)提速的整體效果，而且還關(guān)系到整個(gè)設(shè)備及相關(guān)操作人員的安全，因此平臺(tái)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(tǒng)改造

3.1 變頻控制系統(tǒng)設(shè)備配置

整個(gè)碼垛機(jī)提速的控制以西門子S7-200 PLC系統(tǒng)為核心，通過(guò)西門子S7-200可編程控制器對(duì)輸入傳感器狀態(tài)的監(jiān)控，根據(jù)控制程序運(yùn)算后輸出控制變頻器和其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)動(dòng)作的順序運(yùn)行。操作部分由觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)。

PLC的輸入主要包括碼垛機(jī)位置控制傳感器，各個(gè)位置的保護(hù)、限位傳感器，安全門等安全防護(hù)傳感器，變頻器控制相關(guān)反饋和報(bào)警信號(hào)以及急停和開(kāi)、停機(jī)按鈕等。輸出主要包括電機(jī)、氣動(dòng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制、變頻器的控制、相關(guān)機(jī)械抱閘的控制、報(bào)警輸出等。在輸入輸出中，大多數(shù)都與變頻器的控制有關(guān)，因此控制系統(tǒng)的核心任務(wù)就是完成變頻器的控制。

根據(jù)平臺(tái)升降部分提速改造對(duì)控制準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、安全性等方面的要求，為了適應(yīng)碼垛機(jī)不帶配重的機(jī)械提升結(jié)構(gòu)，并節(jié)約改造投資費(fèi)用，改造時(shí)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(jī)械抱閘制動(dòng)電機(jī)相配合，運(yùn)用PLC軟件編程，來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)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(tǒng)的復(fù)雜程度和設(shè)備改造的硬件費(fèi)用。整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 碼垛機(jī)改造控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 變頻器調(diào)速系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)

（1）變頻器電源主回路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用三相AC380V變頻器，變頻器主回路的設(shè)計(jì)、安裝應(yīng)特別考慮以下幾點(diǎn)：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(jī)和電動(dòng)機(jī)的地線，否則會(huì)損壞變頻器；②為防止觸電、火災(zāi)等災(zāi)害和降低噪聲，必須將電源和電動(dòng)機(jī)等部分的接地端子連接良好，應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；③主電源為了保護(hù)變頻器、方便安裝調(diào)試和以后的維修，應(yīng)在輸入回路上安裝空氣斷路器；④變頻器的運(yùn)行應(yīng)由控制回路來(lái)完成，不能通過(guò)主電路的通斷來(lái)進(jìn)行變頻器的啟停等控制操作；⑤為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)、快速制動(dòng)，提高運(yùn)行速度，制動(dòng)電阻回路的連接是必不可少的。

以碼垛平臺(tái)升降變頻器為例，主回路的接線圖如圖2，碼垛平臺(tái)升降電動(dòng)機(jī)抱閘電源結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖2 碼垛平臺(tái)升降變頻器主回路的接線圖

圖3 碼垛平臺(tái)升降電動(dòng)機(jī)抱閘電源回路結(jié)構(gòu)圖

（2）變頻器控制回路設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)碼垛機(jī)動(dòng)作步驟對(duì)調(diào)速系統(tǒng)要求的分析，認(rèn)為平臺(tái)移動(dòng)、三角鏈控制、成品出垛控制等均為變頻器常規(guī)調(diào)速的應(yīng)用，而平臺(tái)控制為變頻器的升降控制應(yīng)用，在高速運(yùn)行的情況下，如果一旦出現(xiàn)問(wèn)題則影響到人員的操作安全及機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行安全，因此平臺(tái)升降控制方面的電器設(shè)計(jì)是此次改造的一個(gè)重點(diǎn)。

為了達(dá)到穩(wěn)定、安全、高速運(yùn)行的目的，主要進(jìn)行了以下三個(gè)方面工作：①為了實(shí)現(xiàn)升降調(diào)速運(yùn)行的目的，我們采用了簡(jiǎn)單的由PLC輸出數(shù)字開(kāi)關(guān)量控制變頻器的外部控制模式，這種方式電器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便進(jìn)行編程，控制靈活。②為了保證平臺(tái)在升降過(guò)程中，杜絕因?yàn)樽冾l器在調(diào)速過(guò)程中輸出扭矩不足造成平臺(tái)滑落的危險(xiǎn)，采用了一種簡(jiǎn)單的變頻器半閉環(huán)控制方法，即利用變頻器扭矩監(jiān)控和預(yù)勵(lì)磁的功能，通過(guò)變頻器啟動(dòng)前先進(jìn)行預(yù)勵(lì)磁，達(dá)到足夠平臺(tái)升降控制的扭矩后，由變頻器輸出開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)給PLC，再由PLC運(yùn)算后輸出控制機(jī)械抱閘系統(tǒng)的打開(kāi)，繼續(xù)由變頻器控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。③為了保證各種異常情況下平臺(tái)控制的可靠性，例如急停、突然斷電、設(shè)備故障等情況，在機(jī)械抱閘方面特意采取了急停斷抱閘電源和電動(dòng)機(jī)斷電抱閘的控制方式。不論何種異常情況，只要升降電機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)斷電，機(jī)械抱閘就會(huì)將電機(jī)鎖死，抱閘平臺(tái)立即停止運(yùn)行，確保了人身及設(shè)備的安全。

提升變頻器、抱閘及PLC控制結(jié)構(gòu)圖如圖4，碼垛平臺(tái)升降電動(dòng)機(jī)抱閘控制回路結(jié)構(gòu)圖如圖5。

圖4 變頻器控制系統(tǒng)接線圖

圖5 碼垛平臺(tái)升降電動(dòng)機(jī)抱閘控制回路結(jié)構(gòu)圖

3.3 變頻器用戶參數(shù)設(shè)置

ABB變頻器ACS350有一系列的參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整，用戶可以改變系統(tǒng)的性能和功能。根據(jù)討論確定的控制方案，調(diào)試前應(yīng)首先設(shè)置的參數(shù)有：

（1）參數(shù)10組：1003-定義外部控制用于啟動(dòng)、停止和轉(zhuǎn)向命令的連接和信號(hào)源，選擇DI1F，2R；即通過(guò)數(shù)字輸入 DI1、DI2 發(fā)出啟動(dòng)、停止和轉(zhuǎn)向命令，“1、0”時(shí)為正轉(zhuǎn)啟動(dòng)，“0、1”時(shí)為啟動(dòng)反轉(zhuǎn)，“0、0”或“1、1”時(shí)為停止。1003-方向，選擇“3”，設(shè)置為允許雙向運(yùn)行。

（2）參數(shù)12組：1201-激活恒定速度選項(xiàng)，選擇DI3，4。變頻器輸出恒定速度由DI3、DI4兩個(gè)數(shù)字量輸入來(lái)決定。由本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(tái)升降的兩個(gè)運(yùn)行速度。1202-恒速1（運(yùn)行高速）設(shè)定為50Hz；1204-恒速3（運(yùn)行低速）設(shè)定為15Hz。

（3）參數(shù)1401：選擇繼電器1顯示的傳動(dòng)狀態(tài)，繼電器在滿足設(shè)定條件時(shí)處于通電狀態(tài)。選擇“SUPRV1 OVER”（高于監(jiān)控值1），監(jiān)控值由參數(shù)3203來(lái)設(shè)定。

（4）參數(shù)21組：2101-選擇電機(jī)的啟動(dòng)方式為AUTO（自動(dòng)）。在電機(jī)控制模式為矢量控制時(shí)，變頻器在啟動(dòng)前對(duì)該電機(jī)進(jìn)行直流預(yù)勵(lì)磁。2102-停機(jī)方式，選擇斜坡停車。2103-直流預(yù)勵(lì)磁時(shí)間，經(jīng)過(guò)調(diào)試設(shè)定為0.6s。

（5）參數(shù)2202、2203變頻器加、減速時(shí)間，經(jīng)過(guò)調(diào)試，分別設(shè)定為0.3s和0.2s。

（6）參數(shù)3203：監(jiān)控器1高限，如果參數(shù)高于此限制，監(jiān)控器會(huì)被喚醒，繼電器輸出給PLC，控制機(jī)械抱閘的動(dòng)作。

（7）參數(shù)99組：9902限制AAB標(biāo)準(zhǔn)宏；9904電機(jī)控制模式選擇矢量轉(zhuǎn)速控制；9905-9909為電機(jī)參數(shù)，必須按照電機(jī)銘牌上的值輸入，因?yàn)檫@些數(shù)值關(guān)系到電機(jī)辨識(shí)運(yùn)行結(jié)果，影響變頻器對(duì)電機(jī)的控制；9910為電機(jī)辨識(shí)運(yùn)行，變頻器會(huì)辨識(shí)電機(jī)的特征以用于優(yōu)化電機(jī)控制，可以保證最大的控制精度。這是保證升降控制精確、穩(wěn)定、安全的基礎(chǔ)，是不可忽視的重要一步。

4 改造效果

碼垛機(jī)提速改造項(xiàng)目完成后，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行，整個(gè)碼垛機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行平衡，安全可靠，經(jīng)測(cè)算，每小時(shí)碼垛平均達(dá)到了5076桶，并且碼垛質(zhì)量大大提高，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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