廢鋼破碎線喂料滾筒變頻控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文 / 江蘇鼎豪再生資源設(shè)備有限公司 楊曉敏 盧圣祥 王向陽(yáng)

廢鋼破碎生產(chǎn)線是當(dāng)今最新進(jìn)的廢鋼加工設(shè)備。經(jīng)過廢鋼破碎生產(chǎn)線加工處理的廢鋼是潔凈的優(yōu)質(zhì)鋼，其自然堆積密度為1.2～2.2t/m3，是理想的煉鋼爐料[1]。江蘇某再生資源設(shè)備有限公司2010年開始自主研發(fā)廢鋼破碎線，并于2012年成功開發(fā)出2000馬力的大型破碎線。并且此條破碎線在多個(gè)細(xì)節(jié)部分采用了技術(shù)領(lǐng)先的電氣控制方式，尤其是對(duì)喂料滾筒的喂料控制。

目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的破碎線喂料控制系統(tǒng)有兩個(gè)不足之處，一是喂料速度不易控制，喂料速度過快，破碎機(jī)主機(jī)經(jīng)常處于超載狀態(tài)，容易損傷破碎機(jī)錘頭，甚至使電機(jī)堵轉(zhuǎn)。喂料速度過慢，破碎機(jī)主機(jī)經(jīng)常處于負(fù)載不足，“吃不飽”的狀態(tài)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較好的產(chǎn)能。二是喂料滾筒運(yùn)行穩(wěn)定性不足，由于進(jìn)料不均勻，喂料滾筒負(fù)載不平衡，導(dǎo)致軸承兩端所受軸向力和徑向力不均衡，長(zhǎng)期運(yùn)行易導(dǎo)致滾筒軸承咬死和損傷的問題。

江蘇某再生資源設(shè)備有限公司生產(chǎn)的2000馬力的廢鋼破碎線對(duì)喂料滾筒的控制采用施耐德ATV71系列變頻器。利用 S7-300系列PLC與變頻器進(jìn)行通訊，在操作室便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)喂料滾筒進(jìn)行監(jiān)視和控制，并且針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)料情況更改喂料滾筒的速度和進(jìn)行力矩跟隨控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)喂料滾筒的平穩(wěn)、可靠、高效率的控制。

一、變頻器的優(yōu)點(diǎn)

1. 變頻調(diào)速的節(jié)能

由于采用變頻調(diào)速后，風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的節(jié)能效果最明顯，節(jié)電率可達(dá)到20%～60%。對(duì)于一些在低速運(yùn)行的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如傳送帶等，變頻調(diào)速也有節(jié)能效果。除此之外，原有調(diào)速方式耗能較大者（如繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)等），原有調(diào)速方式比較龐雜，效率較低者（如龍門刨床等），采用了變頻調(diào)速后，節(jié)能效果也很明顯。

2. 變頻調(diào)速在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方面的優(yōu)勢(shì)

變頻調(diào)速很容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。變頻調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)大都是從低速開始，頻率較低。加、減速時(shí)間可以任意設(shè)定，故加、減速時(shí)間比較平緩，起動(dòng)電流較小，可以進(jìn)行較高頻率的起停。變頻調(diào)速系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)，變頻器可以利用自己的制動(dòng)回路，將機(jī)械負(fù)載的能量消耗在制動(dòng)電阻上，也可回饋給供電電網(wǎng)。除此之外，變頻器還具有直流制動(dòng)功能，需要制動(dòng)時(shí)，變頻器給電動(dòng)機(jī)加上一個(gè)直流電壓，進(jìn)行制動(dòng)，則無(wú)需另加制動(dòng)控制電路。

3. 以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量為目的的應(yīng)用

變頻調(diào)速除了在風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載上的應(yīng)用以外，還可以廣泛應(yīng)用于傳送、卷繞、起重、擠壓、機(jī)床等各種機(jī)械設(shè)備控制領(lǐng)域。它可以提高產(chǎn)成品率，延長(zhǎng)設(shè)備的正常工作周期和使用壽命，使操作和控制系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化，有的甚至可以改變?cè)械墓に囈?guī)范，從而提高了整個(gè)設(shè)備控制水平[2]。

二、廢鋼破碎線滾筒喂料控制系統(tǒng)

1. 破碎生產(chǎn)線滾筒喂料部件的簡(jiǎn)介

破碎生產(chǎn)線的工作原理是破碎機(jī)在高速、大扭矩的高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，主機(jī)轉(zhuǎn)子上的錘頭擊打進(jìn)入容腔內(nèi)的廢鋼，通過襯板與錘頭間形成的空隙，將待破碎物撕裂成合乎要求的破碎物，再在分選設(shè)備的作用下，得到純度較高的優(yōu)質(zhì)破碎鋼。廢鋼破碎線包括上料輸送機(jī)、喂料機(jī)、破碎機(jī)、除塵系統(tǒng)、分選系統(tǒng)、輸送帶等，如圖1所示。

喂料機(jī)由臂架、溜槽、喂料滾筒、軸、電機(jī)、減速箱、鏈輪等組成，如圖2所示。喂料滾筒是雙滾筒，分為上滾筒和下滾筒。運(yùn)行時(shí)，上下滾筒相對(duì)逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的碾壓和向前輸送功能。同時(shí)上滾筒還可以上升下降，防止大物料卡阻在喂料口。

喂料滾筒上滾筒的驅(qū)動(dòng)是由兩臺(tái)22KW減速機(jī)提供，下滾筒驅(qū)動(dòng)是由一臺(tái)22KW減速機(jī)提供，這三臺(tái)減速機(jī)電機(jī)都是由變頻器控制。

2. 喂料滾筒控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

廢鋼破碎線的控制系統(tǒng)根據(jù)集中管理分散控制的思想，將整個(gè)控制結(jié)構(gòu)分為中央控制室和其他的現(xiàn)場(chǎng)控制站。并且控制室和控制站之間以PROFIBUS總線連成一個(gè)有線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。喂料滾筒變頻器也是作為現(xiàn)場(chǎng)控制站來(lái)實(shí)現(xiàn)喂料滾筒電機(jī)的啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速等功能。

中央控制站采用西門子S7300 PLC，CPU采用中檔的315-2DP，具有運(yùn)算速度快，資源豐富等優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件采用西門子W I NC C，它具有畫面顯示、趨勢(shì)曲線、報(bào)警處理、報(bào)表處理、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)上瀏覽等功能。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如上圖3所示。

1.感受個(gè)人幸福，實(shí)現(xiàn)人生規(guī)劃。社會(huì)轉(zhuǎn)型和深化改革的時(shí)代背景凸顯了正確的價(jià)值信念對(duì)于人生幸福的重要作用，感知幸福的能力是生活幸福的前提。高校馬克思主義理論教育有助于大學(xué)生更好地感受個(gè)人幸福、實(shí)現(xiàn)自己的人生規(guī)劃。幸福生活和人生規(guī)劃不是個(gè)人漫無(wú)目的的空想，而是與社會(huì)、時(shí)代的要求緊密結(jié)合在一起的。幸福、快樂、成功的生活，需要從馬克思主義批判舊世界發(fā)現(xiàn)新世界的哲學(xué)思維方式中汲取力量，在自我否定中獲得發(fā)展，在自我超越中實(shí)現(xiàn)生命的躍遷，在理想和現(xiàn)實(shí)的張力中發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)和特長(zhǎng)，在自我價(jià)值和社會(huì)價(jià)值的統(tǒng)一中實(shí)現(xiàn)人生幸福。

圖1 廢鋼破碎線組成示意圖

圖2 喂料滾筒組成示意圖

圖3 喂料滾筒控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

3. 喂料滾筒變頻控制方案的實(shí)現(xiàn)

（1）喂料滾筒對(duì)控制的要求

由于喂料上滾筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是用兩臺(tái)相同功率的交流電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左右鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而左右鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間有一剛性相連的連接軸，這樣就使得上滾筒在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上和負(fù)載的性質(zhì)上變成了兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載的形式。

同時(shí)，兩臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)負(fù)載有以下兩點(diǎn)要求：一是兩臺(tái)變頻器運(yùn)行時(shí)必須保持嚴(yán)格的同步關(guān)系；二是兩臺(tái)變頻器之間實(shí)現(xiàn)負(fù)載的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)自動(dòng)平衡分配。

（2）變頻器的選擇

采用一般的通用變頻器給異步電動(dòng)機(jī)供電時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)極平滑調(diào)速。但是，調(diào)速時(shí)有靜差，精度不高。而矢量控制變頻器有像直流調(diào)速系統(tǒng)那樣優(yōu)異的調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)精度，因此本文作者采用施耐德的ATV71系列變頻器作為滾筒電機(jī)的控制器。該系列變頻器不但具有矢量控制功能，而且具有極大的瞬時(shí)過轉(zhuǎn)矩以及其它的高動(dòng)態(tài)性能。

（3）變頻控制方案

為了描述方便，上滾筒兩個(gè)變頻器定義為UF1和UF2，下滾筒變頻器定義為UF3。由于上下滾筒需要保持一致，所以上滾筒和下滾筒變頻器的速度給定值需要一致，上滾筒兩個(gè)變頻器實(shí)行主從控制。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制效果，筆者準(zhǔn)備了兩種不同的控制方案。

將其中一個(gè)控制上滾筒電機(jī)的變頻器UF1作為主動(dòng)裝置，另一臺(tái)UF2作為從動(dòng)裝置。遠(yuǎn)程給定的速度值通過PROFIBUS分別送至主動(dòng)裝置和下滾筒變頻器UF3。主動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩輸出信號(hào)經(jīng)主動(dòng)裝置的模擬量輸出口AO1送至從動(dòng)裝置的模擬量輸出口。而AI1模擬量輸入口作為從動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)，并將主動(dòng)裝置設(shè)置成編碼器反饋的速度閉環(huán)控制模式，而從動(dòng)裝置設(shè)置成帶編碼器反饋的直接轉(zhuǎn)矩控制模式。這樣從動(dòng)裝置輸出的轉(zhuǎn)矩就會(huì)緊跟主動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩值，確保主從裝置的同步運(yùn)行以及負(fù)載的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)自動(dòng)平衡。

二是從動(dòng)裝置采用部分轉(zhuǎn)矩更隨的控制方案，見圖5。

同樣將其中一個(gè)控制上滾筒電機(jī)的變頻器UF1作為主動(dòng)裝置，另一臺(tái)UF2作為從動(dòng)裝置。再將遠(yuǎn)程給定的速度值通過PROFIBUS分別送至主從裝置和下滾筒變頻器UF3。主動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩輸出信號(hào)經(jīng)主動(dòng)裝置的模擬量輸出口AO1送至從動(dòng)裝置的模擬量輸出口。而AI1模擬量輸入口作為從動(dòng)裝置的部分轉(zhuǎn)矩更隨信號(hào)。運(yùn)行時(shí)，當(dāng)無(wú)負(fù)載時(shí)從動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩理論上是與主動(dòng)裝置相等的，但是當(dāng)兩邊負(fù)載不一致時(shí)（根據(jù)電流反饋判斷），則使用轉(zhuǎn)矩更隨的功能，使得從動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩與主動(dòng)裝置的功能保持一致，從而實(shí)現(xiàn)主從裝置實(shí)現(xiàn)負(fù)載的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)自動(dòng)平衡分配。

4. 喂料滾筒變頻給定控制程序

圖4 直接轉(zhuǎn)矩給定控制方案圖

圖5 部分轉(zhuǎn)矩更隨給定控制方案圖

圖6 滾筒喂料自動(dòng)控制框圖

破碎機(jī)喂料滾筒自動(dòng)控制程序是江蘇某再生資源設(shè)備有限公司開發(fā)的廢鋼破碎線控制系統(tǒng)中的創(chuàng)新部分之一，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)破碎機(jī)的空白。

喂料滾筒自動(dòng)控制程序主要目的是為了得到一個(gè)合理的速度設(shè)置值，從而輸出給變頻器，作為變頻器的速度給定值。由于用戶料場(chǎng)加工的破碎料品種形式不一，而且喂料的均勻度也不一樣。用一定的喂料速度無(wú)法保證破碎機(jī)主機(jī)較高的生產(chǎn)效率，甚至喂料過猛還會(huì)導(dǎo)致主機(jī)過負(fù)荷堵轉(zhuǎn)停機(jī)。因此喂料滾筒的速度控制尤為關(guān)鍵。

由于滾筒喂料的負(fù)載變化比較特殊，常規(guī)的控制方法難以給定合適的速度輸出值。通過采集現(xiàn)場(chǎng)大量的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)的積累。開發(fā)了模糊控制器對(duì)喂料滾筒進(jìn)行控制。

模糊控制器[3]對(duì)輸入的起始速度、滾筒電機(jī)電流以及主電機(jī)電流等參數(shù)進(jìn)行匯總，計(jì)算得出合理的速度輸出值，通過數(shù)據(jù)總線送到執(zhí)行器即變頻器，由變頻器來(lái)控制喂料滾筒電機(jī)驅(qū)動(dòng)喂料滾筒的運(yùn)轉(zhuǎn)。由于大多數(shù)參數(shù)反饋得來(lái)的，對(duì)一些異常的情況判斷有時(shí)候出現(xiàn)滯后，因此在控制器前段加入前饋控制，在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用是通過操作員操縱手柄來(lái)實(shí)現(xiàn)。前饋控制對(duì)有效的減少了異常情況的發(fā)生，使喂料滾筒的運(yùn)行更加可靠。見圖6，喂料滾筒變頻控制的框圖。

模糊控制的程序是通過S7-300PLC實(shí)現(xiàn)的，編程軟件STEP7里的功能塊FB支持STL語(yǔ)言，其強(qiáng)大的編程功能和簡(jiǎn)易的可讀性也使得自動(dòng)程序更易實(shí)現(xiàn)。

三、喂料滾筒控制系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用

江蘇某破碎線的喂料滾筒變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要通過變頻器實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程速度給定值通過PLC程序給定，并且主要參數(shù)在WINCC監(jiān)控系統(tǒng)中都能夠保存為趨勢(shì)曲線。

目前，此套控制系統(tǒng)在中國(guó)再生資源有限公司江蘇分公司的某一企業(yè)已經(jīng)投入使用，該企業(yè)主要是以加工摩托車機(jī)架、摩托車機(jī)濾以及彩鋼瓦為主?，F(xiàn)場(chǎng)采用的是從動(dòng)裝置采用直接轉(zhuǎn)矩給定控制方案，另一套方案經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證可行，作為備選方案。雖然現(xiàn)場(chǎng)物料比較復(fù)雜，環(huán)境也比較惡劣，但是喂料系統(tǒng)一直運(yùn)行可靠，很好的實(shí)現(xiàn)了控制要求。本文介紹的大型廢鋼破碎線，針對(duì)喂料滾筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用變頻器進(jìn)行精密控制，通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)總線，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)喂料滾筒實(shí)時(shí)有效控制，很好地實(shí)現(xiàn)了破碎生產(chǎn)線喂料系統(tǒng)的高效率、高可靠性和方便性的控制要求。同時(shí)，創(chuàng)新地利用變頻器轉(zhuǎn)矩跟隨，以及自動(dòng)喂料控制程序，克服了現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)破碎機(jī)喂料系統(tǒng)的弊端，大大地提高了廢鋼的破碎效率。

[1].林加沖. 我國(guó)大型廢鋼加工設(shè)備生產(chǎn)使用概括[J]. 資源再生,2010(12): 28～33

[2].吳忠智. 吳加林. 變頻器原理及應(yīng)用指南[J].中國(guó)電力出版社.2007-9-1

[3].劉湘崇,梁彥,等. T-S模糊模型建模方法研究[J].信息與控制.2010,35(1)28～32.