制絲線圓筒類設(shè)備轉(zhuǎn)速變頻控制方式的設(shè)計(jì)

謝樂(lè)機(jī) 邱文瀚 何良勝 簡(jiǎn)慶龍

摘要：本文系統(tǒng)分析了加香筒設(shè)備的驅(qū)動(dòng)方案，進(jìn)行了制絲線圓筒類設(shè)備轉(zhuǎn)速變頻控制方式的設(shè)計(jì)，詳細(xì)論述了改造變頻器的選型與搭建，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制程序和人機(jī)界面，進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試，結(jié)果表明本研究精確實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速可控化，成功地解決了生產(chǎn)工藝要求。

關(guān)鍵詞：流量控制;變頻調(diào)速;觸摸屏控

我國(guó)煙草企業(yè)，其制絲車間大部分圓筒類生產(chǎn)設(shè)備均由昆船煙機(jī)機(jī)械成果實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速可控化的現(xiàn)實(shí)，成功地解決的生產(chǎn)上的工藝要求廠制造，應(yīng)用于各種大中型煙草生產(chǎn)廠，基本上加料、加香均由此機(jī)型設(shè)備進(jìn)行完成;由于產(chǎn)能及品牌類型的不斷增加，圓筒類設(shè)備也需進(jìn)行相關(guān)性的升級(jí)改造，才能滿足工藝上的需求;本次研究主要針對(duì)圓筒類設(shè)備的轉(zhuǎn)速控制，如何有效地適應(yīng)品牌之間的轉(zhuǎn)換，使對(duì)產(chǎn)能上的提高及煙絲的工藝水平穩(wěn)定。

由于在原設(shè)計(jì)上，圓筒類設(shè)備出廠時(shí)均設(shè)定了一恒定的簡(jiǎn)體轉(zhuǎn)速（即50HZ），無(wú)法滿足現(xiàn)時(shí)生產(chǎn)需求，因此，通過(guò)以往的改造經(jīng)驗(yàn)及充分利用設(shè)備的先進(jìn)性，通過(guò)技術(shù)手段，對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行改造，預(yù)期達(dá)到生產(chǎn)線的需求。圓筒類設(shè)備外型如圖1所示。

1 技術(shù)分析

1.1 圓筒類的生產(chǎn)轉(zhuǎn)速固定問(wèn)題

在設(shè)備所在的生產(chǎn)線原設(shè)計(jì)上，是以某一品牌進(jìn)行設(shè)計(jì)的，現(xiàn)時(shí)的生產(chǎn)能力為4000kg/h，參照該設(shè)備的設(shè)備技術(shù)資料顯示，最大產(chǎn)能可達(dá)到6000kg/h，但由于該生產(chǎn)線上的生產(chǎn)品牌類型增加，煙絲工藝上產(chǎn)生了對(duì)該臺(tái)設(shè)備旋轉(zhuǎn)的速度上提出了要求，因此對(duì)控制產(chǎn)能的速度成為關(guān)鍵的目標(biāo)。按以往的經(jīng)歷，控制一臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行速度，最為可靠的就是使用變頻技術(shù)進(jìn)行控制，在現(xiàn)時(shí)的生產(chǎn)線上，圓筒類簡(jiǎn)體的旋轉(zhuǎn)速度直接影響產(chǎn)能的速度，其驅(qū)動(dòng)源自于由其廠家標(biāo)準(zhǔn)配置的一臺(tái)減速電機(jī)（電機(jī)為功率為5.5kw、輸出1400r/mm，廠家為SEW）并通過(guò)傳統(tǒng)的接觸器線圈式電路進(jìn)行吸合接通三相電源，因此運(yùn)行頻率則固定為50HZ，因此，運(yùn)行頻率的不可變化，成為了現(xiàn)時(shí)工藝上的瓶頸。（相關(guān)電路圖、程序圖隨附件上）

1.2 人機(jī)操作界面問(wèn)題

目前我廠使用的觸摸屏為Wonderware公司的Intouch觸摸屏，其操作方式為操作人員登錄操作界面上，以按鈕形式操作設(shè)備的啟動(dòng)、停lE及維保等等;但由于早期廠家沒(méi)有開(kāi)發(fā)出相關(guān)于操作人員能對(duì)該設(shè)備的筒體轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的相關(guān)畫(huà)面，導(dǎo)致后期改善的空間嚴(yán)重縮小，無(wú)法對(duì)設(shè)備的簡(jiǎn)體轉(zhuǎn)速進(jìn)行改動(dòng)及監(jiān)控。

1.3 采用變頻器控制改造的必要性與可行性分析

變頻器的使用技術(shù)早已成熟，現(xiàn)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出及控制頻率均大多數(shù)由其負(fù)責(zé)，因此，變頻器控制的改造是一門(mén)可靠、有效的技術(shù)。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，變頻是比改變轉(zhuǎn)差率、磁極對(duì)數(shù)來(lái)得更加簡(jiǎn)單有效。

2 電路及程序控制方面更新改造分析

2.1 加香筒驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)體原電路分析

原設(shè)計(jì)為傳統(tǒng)模式的接觸器主電路，通過(guò)接觸器的吸合，即可輸出電源380V進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行，然而接觸器的線圈，則交由PLC輸出模塊的Q2.1輸出24VDC去完成，從而啟動(dòng)簡(jiǎn)體的啟動(dòng)。

2.2 改造變頻器選型與搭建分析

然而控制信號(hào)則由然而使用變頻器的話，只需將原電路上的KM1拆除，換上變頻器的380VAC進(jìn)線端，出線端則連接電機(jī)即可。由于我廠大多數(shù)采用丹佛斯VLT2800系列的變頻器，該款變頻器主要有以下重大的工程特點(diǎn)：

（ 1）VIT2800能通過(guò)STEP7編程軟件的組態(tài)找到其GSD文件，能直接認(rèn)出，方便編程使用。

（2） VLT2800能使用附件網(wǎng)卡的轉(zhuǎn)換，可以改變通訊形式，例如有PROFIBUS、RS485及profibus等等。

因此，在該次改造上，選取了VLT2800系列變頻進(jìn)行改造，由于我廠的安全規(guī)定，隔離開(kāi)關(guān)必須在空氣開(kāi)關(guān)之下，因此，每次斷電都能確保變頻器處于斷電狀態(tài)。

2.3 硬件組態(tài)配置及程序修改方面

對(duì)硬件上有所增加，我們就必須將S7-400 PLC上的硬件組態(tài)進(jìn)行同步更新;系統(tǒng)的通訊依靠工控網(wǎng)profibus進(jìn)行，因此，變頻器的組態(tài)就應(yīng)該掛在其profibus網(wǎng)上，在profibus的網(wǎng)絡(luò)上，掛上一變頻器，同時(shí)，我們還得到一個(gè)初始的10地址，由于profibus網(wǎng)絡(luò)是以網(wǎng)絡(luò)形式進(jìn)行通訊，因此必須具有相應(yīng)的IP地址才能正確配對(duì)。

2.4 程序修改方面

在增加變頻器的過(guò)程，系統(tǒng)自動(dòng)生成了一對(duì)10地址，該10地址就是對(duì)應(yīng)著變頻器的關(guān)鍵兩個(gè)控制字PCD1、PCD2（在主站對(duì)從站時(shí)）及狀態(tài)字PCD1、PCD2（從站對(duì)主站時(shí)）。結(jié)合實(shí)際，PLC發(fā)出指令地址：PQW256是PCD1、PQW258是PCD2，同樣，PLC接收數(shù)據(jù)時(shí)：PIW256是PCD1、PIW258是PCD2（如圖2）。

在程序上，我們要控制變頻器的關(guān)鍵要素為：?jiǎn)?dòng)（左右轉(zhuǎn)）、停止及控制運(yùn)行頻率三樣。然而PIW1對(duì)應(yīng)的16進(jìn)制字就是控制變頻器的運(yùn)行狀態(tài)（即啟停），PIW2將一個(gè)16進(jìn)制數(shù)的頻率寫(xiě)入變頻器。PCD1為控制字，執(zhí)行變頻器的基本操作。可以使變頻器以一定的頻率啟停。控制字共16位，每位代表不同的涵義。如：16#047C為啟動(dòng)變頻，16#0434為慣性停車。PCD2為過(guò)程數(shù)據(jù)，控制頻率的地址定義，50HZ對(duì)應(yīng)16進(jìn)制數(shù)為0-4000H，十進(jìn)制為16384，因此，即1H2-327。在本次項(xiàng)目中，還添加了減速比：50H2/15，作為HZ對(duì)轉(zhuǎn)速的比例轉(zhuǎn)換（參考設(shè)備說(shuō)明）。

切換到自控程序開(kāi)始計(jì)算，5秒內(nèi)轉(zhuǎn)換為原自控程序進(jìn)行生產(chǎn)，開(kāi)始自動(dòng)執(zhí)行調(diào)整而不再固定?，F(xiàn)階段使用了PLC型號(hào)圖如圖2所示。

利用對(duì)圓筒類設(shè)備的工作原理上的技術(shù)，結(jié)合柬埔寨實(shí)際使用環(huán)境和物料的變化，在原基礎(chǔ)上優(yōu)化了非受控及可調(diào)整環(huán)節(jié)進(jìn)行了定義，使整體程序上有所改進(jìn)，明顯地降低的烘絲機(jī)每批次干燥煙絲總量。

根據(jù)圓筒類設(shè)備的工作原理特性，在“尾料階段”筒溫是按出口處的水分儀作為參照對(duì)象進(jìn)行調(diào)試，因此在該水分儀未檢測(cè)到斷料前，會(huì)一直以正常的生產(chǎn)模式去調(diào)控筒壁溫度，但此時(shí)的筒內(nèi)物流已經(jīng)漸漸減少，從而形成一個(gè)筒溫保持，物料流量形成一個(gè)斷崖式下降趨勢(shì)，從而導(dǎo)致此階段的干燥煙絲形成。根據(jù)這一特性，我們進(jìn)行了一次正交實(shí)驗(yàn)，可以得出如下適合在“尾料”階段，對(duì)筒壁溫度進(jìn)行一系列的控制，從而減少此階段的干燥煙絲產(chǎn)生時(shí)間。綜合評(píng)估，最佳參數(shù)條件應(yīng)為：筒速變頻器設(shè)定值Hz為45Hz;熱交換風(fēng)板角度%為0%;斷流持續(xù)時(shí)間為20秒。

使用程序預(yù)設(shè)干預(yù)運(yùn)行參數(shù)，有效地在“投料”階段使用設(shè)定程序運(yùn)行，并能無(wú)縫對(duì)接原正常生產(chǎn)時(shí)所使用的程序。因此，采用程序預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行最佳的工藝條件作為“投料”階段使用最為適合。

利用時(shí)間節(jié)點(diǎn)控制筒內(nèi)溫度，使料頭趨勢(shì)斜率提升。入口電子稱瞬時(shí)>300kg/h，累計(jì)量>50kg，約30秒后，加入一預(yù)煙絲投料溫度為67℃、筒壁運(yùn)行溫度為145℃、溫度持續(xù)時(shí)間為180秒?yún)?shù)修改程序，并確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際顯示數(shù)值。

出口水份儀檢測(cè)到煙絲3秒后，切換到自控程序開(kāi)始計(jì)算，5秒內(nèi)轉(zhuǎn)換為原自控程序進(jìn)行生產(chǎn)，熱交換器風(fēng)門(mén)角度閥開(kāi)始自動(dòng)執(zhí)行調(diào)整而不再固定。

入口電子稱瞬時(shí)<300kg/h，累計(jì)量>1200kg，將筒速變頻器設(shè)定值Hz為45Hz;熱交換風(fēng)板角度%為0%;斷流持續(xù)時(shí)間為20秒，通過(guò)對(duì)程序的修改，進(jìn)行二次改造。

目前圓筒類設(shè)備平均每批次的“干頭燥尾”維持時(shí)間約9分鐘之內(nèi)，降低該維持時(shí)間，明顯地使每批次水份未達(dá)標(biāo)煙絲總量降低。

3 人機(jī)界面觸摸屏的更新改造

3.1 更新改善人機(jī)界面概述

人機(jī)界面是操作人員對(duì)設(shè)備最為直接的控制界面，現(xiàn)代化的工控技術(shù)，不再依靠大量的硬件按鈕去完成，而是整合在同一操作終端上，這樣，不但操作簡(jiǎn)單、易懂、圖形化完整，硬件的狀態(tài)、故障報(bào)警等各方面都比傳統(tǒng)方式有優(yōu)勢(shì)得多，并加上在經(jīng)濟(jì)上，只要完成了一次性的投資，便能減去大部分的硬件、電纜等方面的資金，在日后的改造上，也方便了開(kāi)發(fā)人員的增加功能，減少安裝及維修保養(yǎng)的工作量。

3.2 系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行

通過(guò)以上的改造，我們完成了增加變頻器在電路上的控制方式，將原不可控制轉(zhuǎn)速的電機(jī)轉(zhuǎn)換為可變化的變頻器控制方式。通過(guò)運(yùn)行流程圖（圖3），我們發(fā)現(xiàn)了可以有反饋性的流程圖，最大化實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程中，操作人員根據(jù)不同牌號(hào)的需求作出相應(yīng)的生產(chǎn)轉(zhuǎn)速需求。

4 結(jié)論

從生產(chǎn)流量曲線震蕩過(guò)程數(shù)據(jù)結(jié)果（圖4）看出，生產(chǎn)流量維持在期望值中，比較地理想;通過(guò)變頻器的改造方式，成果實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速可控化的現(xiàn)實(shí)，成功地解決的生產(chǎn)上的工藝要求，在較少的改動(dòng)及經(jīng)濟(jì)成本下完成了項(xiàng)目，同時(shí)也為維修人員提供了一個(gè)很好的實(shí)操平臺(tái)。

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[3]何超，交流變頻調(diào)速技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

作者簡(jiǎn)介

謝樂(lè)機(jī)（1967-），男，廣東省樂(lè)昌市人。大學(xué)本科學(xué)歷（學(xué)士學(xué)位），機(jī)械工程師，從事卷煙廠項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)管理、機(jī)械電氣設(shè)備管理、卷煙生產(chǎn)管理等方面的研究工作。

邱文瀚（1985-），男，廣東省蕉嶺縣人。大學(xué)本科學(xué)歷（學(xué)士學(xué)位），工程師，從事煙草機(jī)電一體化技術(shù)、卷煙生產(chǎn)管理等方面的研究工作。

何良勝（1984-），男，廣東省樂(lè)昌市人。大學(xué)本科學(xué)歷（碩士學(xué)位），機(jī)電工程師，從事卷煙廠機(jī)械電氣設(shè)備管理、卷煙廠生產(chǎn)管理等方面的研究工作。

簡(jiǎn)慶龍（1977-），男，廣東省珠海市人。大學(xué)本科學(xué)歷（碩士學(xué)位），高級(jí)工程師，從事卷煙廠機(jī)械電氣設(shè)備管理、卷煙廠生產(chǎn)管理等方面的研究工作。