電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)在浮法玻璃生產(chǎn)線上應(yīng)用研究

孫青淼

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710032）

0 引言

隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)的快速研發(fā)與應(yīng)用，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、系統(tǒng)性能等均得到顯著提升，促進(jìn)了各行各業(yè)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速控制、精密伺服控制等先進(jìn)控制技術(shù)在浮法玻璃的生產(chǎn)線上有著廣泛應(yīng)用。浮法玻璃屬于平板玻璃制造中的一種生產(chǎn)方式，隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的加深，促進(jìn)了玻璃生產(chǎn)的優(yōu)化切裁和精確檢測(cè)。電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的引入，不僅可以提升輥道的控制效果，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，還能減少生產(chǎn)中電能的消耗，具有重要應(yīng)用意義[1]。

1 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制概述

■1.1 電動(dòng)機(jī)分類

對(duì)同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)述。同步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生固定方向的磁場(chǎng)，定子隨著轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速就是電機(jī)的轉(zhuǎn)速。異步電機(jī)，三相定子繞組流過(guò)電流產(chǎn)生三相磁動(dòng)勢(shì)，生成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體，因存在電流，在磁場(chǎng)中受到電磁感應(yīng)，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，而是小于選裝磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速。伺服電機(jī)有交流形式也有直流的形式，使用較多的是交流類型。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍較寬泛，直流伺服電動(dòng)機(jī)有著較好的線性調(diào)節(jié)特性，且能夠快速響應(yīng)。

■1.2 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制

電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制主要包括速度控制和位置控制兩方面的內(nèi)容，速度方面包括電機(jī)調(diào)速范圍與效率、調(diào)速均勻與平滑性、響應(yīng)時(shí)間以及加減速性能等等。位置方面的控制，包括對(duì)電機(jī)直線移動(dòng)和角度變換的控制、矢量控制、轉(zhuǎn)矩控制等，涉及到電機(jī)分辨率與定位精確性等。

常用的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，有交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)、交流伺服控制系統(tǒng)與有刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)等，且這幾種電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)對(duì)于浮法玻璃的生產(chǎn)線發(fā)揮著重要作用[2]。

2 浮法玻璃生產(chǎn)線冷端主要設(shè)備

■2.1 浮法玻璃生產(chǎn)工藝

浮法玻璃的生產(chǎn)是在錫槽中完成，錫槽中要有氮?dú)夂蜌錃獗Ｗo(hù)氣體，熔融玻璃的密度小于錫液的密度，因此從池窯中流出后，會(huì)漂浮在錫液表面上，因自身重力和液體表面張力，錫液面上會(huì)形成均勻的玻璃液層，經(jīng)平整、硬化、冷卻工序后，被引上過(guò)渡輥臺(tái)。輥臺(tái)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)玻璃離開(kāi)錫槽進(jìn)入退火窯，經(jīng)退火、切割以及精細(xì)化加工，浮法玻璃的生產(chǎn)過(guò)程就完成了。浮法玻璃的生產(chǎn)成型工藝，能夠制作出更加優(yōu)質(zhì)的平板玻璃，玻璃的厚度均勻、表面平整光滑，成型方式能夠被大規(guī)模生產(chǎn)線應(yīng)用，相對(duì)于其他生產(chǎn)方式，浮法玻璃生產(chǎn)出的玻璃產(chǎn)品能耗較低，成品利用率高，設(shè)備或技術(shù)的自動(dòng)化和機(jī)械化標(biāo)準(zhǔn)高，使用壽命長(zhǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)浮法玻璃的長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)。

■2.2 浮法玻璃生產(chǎn)線冷端主要設(shè)備

2.2.1 應(yīng)急落板

應(yīng)急落板是一種用于玻璃帶出現(xiàn)問(wèn)題或者設(shè)備出現(xiàn)故障等非正常狀況下的應(yīng)急裝置，位于連續(xù)玻璃帶由池窯進(jìn)入切裁工序的入口，應(yīng)急落板的設(shè)定也可用于更換產(chǎn)品品種時(shí)發(fā)揮作用，將原有玻璃帶全部清除。

2.2.2 傳送輥道

傳送輥道的作用是將玻璃產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)輸，是整個(gè)生產(chǎn)線的重要傳輸設(shè)備。裝置主要由伺服電機(jī)、同步帶及帶輪、齒輪電機(jī)、輥?zhàn)右约拜S承等部分組成。

2.2.3 測(cè)長(zhǎng)發(fā)訊設(shè)備

測(cè)長(zhǎng)發(fā)訊設(shè)備主要對(duì)玻璃板長(zhǎng)度和板邊擺動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，這些數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)切割系統(tǒng)的優(yōu)化與改進(jìn)。測(cè)長(zhǎng)發(fā)訊設(shè)備的組成包括測(cè)長(zhǎng)輪、測(cè)長(zhǎng)發(fā)訊橋、升降定位氣缸等部分。

2.2.4 縱切機(jī)

縱切機(jī)設(shè)備是生產(chǎn)線對(duì)玻璃進(jìn)行縱向切割的重要設(shè)備，整體結(jié)構(gòu)由主支架、可移動(dòng)刀架機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成。主支架上載有切割設(shè)備，可移動(dòng)刀架能夠自動(dòng)調(diào)整位置，系統(tǒng)確定玻璃切割位置以后，傳動(dòng)系統(tǒng)將刀架機(jī)構(gòu)移到工作位置。切割過(guò)程為：刀架升降氣缸下降，切割刀位于玻璃表面，同時(shí)壓力磁鐵會(huì)壓緊切割刀，用滾輪壓緊玻璃表面防止移動(dòng)，進(jìn)行切割[3]。

2.2.5 橫切機(jī)

橫切機(jī)的切割方向?yàn)闄M向。橫切機(jī)組成設(shè)備與縱切機(jī)相類似，除了移動(dòng)刀架機(jī)構(gòu)，其他組成基本相同。切割設(shè)備都位于主支架，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒形帶，帶動(dòng)可移動(dòng)刀架在軌道上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)玻璃進(jìn)行橫向切割，切割是在前進(jìn)過(guò)程中完成，后退時(shí)，刀架上升，快速后退，不進(jìn)行切割作業(yè)。與縱切機(jī)的切割過(guò)程類似，系統(tǒng)確定玻璃切割位置以后刀架機(jī)構(gòu)靠近目標(biāo)位置，此時(shí)刀架升降氣缸下降，滾輪壓緊玻璃，刀頭進(jìn)行切割，同時(shí)前進(jìn)。

2.2.6 自動(dòng)堆垛機(jī)

玻璃生產(chǎn)完成以后，由自動(dòng)堆垛機(jī)，將其從主線傳送帶上吸起，以固定堆放方式，放到堆垛旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上。主要組成包括堆垛機(jī)、傳送輥道以及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)等。

3 幾種常用電機(jī)控制技術(shù)

■3.1 有刷直流電機(jī)控制技術(shù)

有刷直流電機(jī)的定子上，兩極均有主磁極和電刷，轉(zhuǎn)子上安裝整流子和電樞繞組線圈。直流電通過(guò)整流子（換向器）和定子上的電刷進(jìn)入電樞繞組線圈，形成電樞電流，生成磁場(chǎng)，與主磁場(chǎng)相互作用，在轉(zhuǎn)子上形成旋轉(zhuǎn)力矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)負(fù)載。直流電機(jī)控制技術(shù)的最大特點(diǎn)是起動(dòng)、制動(dòng)以及調(diào)速性能優(yōu)異。直流調(diào)速系統(tǒng)速率可調(diào)范圍寬、機(jī)械轉(zhuǎn)距特性硬，且性價(jià)比高。隨著電力電子技術(shù)的不斷研發(fā)，直流電氣傳動(dòng)能夠采用可控硅整流器對(duì)功率控制，可控硅導(dǎo)通角的改變，能夠?qū)φ髌鬏敵鲭妷捍笮∵M(jìn)行調(diào)節(jié)，完成對(duì)直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速率的調(diào)節(jié)[4]。直流電機(jī)控制技術(shù)不斷向著更加數(shù)字化、自動(dòng)化方向發(fā)展。

■3.2 交流變頻調(diào)速控制技術(shù)

隨著通訊技術(shù)、電力電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速控制技術(shù)也更加完善，變頻器對(duì)電機(jī)的調(diào)速能夠做到恒轉(zhuǎn)距平滑調(diào)速，可用于電機(jī)起動(dòng)到運(yùn)行的整個(gè)調(diào)速過(guò)程。浮法玻璃生產(chǎn)線冷端的主輥道及分片線支輥道，都可良好采用這一特點(diǎn)。變頻器啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的瞬間，不會(huì)對(duì)電機(jī)、電纜等組件產(chǎn)生沖擊電流，有效保護(hù)了設(shè)備的正常使用，減輕了維護(hù)人員的工作量和企業(yè)的檢修支出。同時(shí)，采用變頻調(diào)速控制技術(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)比額定轉(zhuǎn)速低，有效避免了對(duì)電機(jī)軸承、冷卻風(fēng)機(jī)等部分的運(yùn)轉(zhuǎn)損耗，因此能夠保證設(shè)備的較長(zhǎng)使用壽命。

異步電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是電源輸入頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的正比關(guān)系，用公式可表示為：

式中n代表轉(zhuǎn)速，f為頻率，s代表電機(jī)轉(zhuǎn)差率，p表示電機(jī)磁極對(duì)數(shù)，通過(guò)對(duì)電機(jī)工作電源頻率的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。變頻器內(nèi)置PID調(diào)節(jié)功能模塊，能與執(zhí)行器、傳感器等構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)[5]。

■3.3 交流伺服控制技術(shù)

交流伺服控制技術(shù)主要針對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物體運(yùn)動(dòng)速度、位置、加速度等變化量的準(zhǔn)確控制。交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的主要組成有伺服驅(qū)動(dòng)器、交流伺服電機(jī)以及指令機(jī)構(gòu)，是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，由速度環(huán)、電流環(huán)以及位置環(huán)構(gòu)成，具備位置控制、速度控制以及轉(zhuǎn)距控制功能，也能實(shí)現(xiàn)這幾種控制方式的組合使用。交流伺服控制技術(shù)能夠應(yīng)用到浮法玻璃的自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)傳輸輥道的運(yùn)行作出控制，使得系統(tǒng)在獲取運(yùn)行速的同時(shí)，控制速度的精確度，促進(jìn)浮法玻璃生產(chǎn)線的自動(dòng)、高效生產(chǎn)。交流伺服控制系統(tǒng)需要借助伺服電機(jī)，因此對(duì)電機(jī)的改進(jìn)，也可提升交流伺服控制技術(shù)的特性?？筛鶕?jù)系統(tǒng)負(fù)載的不同，選擇小慣量或中慣量的伺服電機(jī)，以更好地配合系統(tǒng)慣量，從而提升整個(gè)交流伺服控制系統(tǒng)的定位精度與反應(yīng)速度。

4 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)在浮法玻璃生產(chǎn)線上的實(shí)際應(yīng)用

■4.1 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用

4.1.1 助燃風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速

變頻調(diào)速技術(shù)可應(yīng)用到助燃風(fēng)機(jī)的工作過(guò)程中，能夠根據(jù)溫度曲線，結(jié)合玻璃熔制的工藝需求，合理調(diào)節(jié)助燃風(fēng)與燃料的比例。

圖1 所示為助燃風(fēng)機(jī)送風(fēng)示意圖，煤氣作為燃料，風(fēng)機(jī)提供助燃空氣，助燃空氣經(jīng)煙道進(jìn)入小爐，空氣和煤氣在蓄熱室中預(yù)熱，在小爐中混燃，最終進(jìn)入熔窯中燃燒。風(fēng)路中的控制機(jī)構(gòu)只有風(fēng)機(jī)風(fēng)門和閘板，如依靠閘板或者風(fēng)門控制風(fēng)量，不僅不易操作，也很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，因此，通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)，對(duì)助燃風(fēng)和燃料的比例進(jìn)行自動(dòng)化控制，能夠有效促進(jìn)熔制的穩(wěn)定生產(chǎn)。

圖1 助燃風(fēng)機(jī)送風(fēng)示意圖變頻器

4.1.2 投料機(jī)和攪拌機(jī)的變頻調(diào)速

浮法玻璃生產(chǎn)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集玻璃液位儀的數(shù)據(jù)之后，變頻器會(huì)按計(jì)算機(jī)要求控制投料機(jī)的工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)投料機(jī)速度。采用變頻調(diào)速技術(shù)的投料機(jī)，相比于傳統(tǒng)方式，投料更均勻，能夠更好地滿足熔化的工藝要求。在攪拌工作中，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，提高了攪拌機(jī)的可靠性和精確度，且便于維護(hù)。

■4.2 交流伺服控制技術(shù)的應(yīng)用

伺服控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于浮法玻璃生產(chǎn)線上傳輸輥道的控制，用于控制其位移、速度以及加速度等，能夠顯著提升傳輸輥道的控制精確度。加速分離輥道的作用是將成板切割后的玻璃經(jīng)輥道裝置加速分離成單片玻璃，要頻繁、準(zhǔn)確切換退火窯低速度與冷端輸送輥道高速度這兩種速度。可將加速分離輥道分為兩個(gè)區(qū)，采用交流伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、小型PLC可編程控制器，還有測(cè)速編碼器、光電開(kāi)關(guān)以及變壓器等設(shè)備，組成一個(gè)浮法線冷端的加速輥道電氣控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制示意圖如圖2所示。

圖2 加速輥道控制系統(tǒng)

■4.3 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用

除了變頻調(diào)速技術(shù)和交流伺服控制技術(shù)以外，直線電機(jī)技術(shù)在浮法玻璃生產(chǎn)中也有著廣泛應(yīng)用。直線電機(jī)擁有一種特殊的進(jìn)給傳動(dòng)方式，具有定位精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、傳動(dòng)效率高以及運(yùn)行噪聲低等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)領(lǐng)域，可被用于生產(chǎn)輸送線、自動(dòng)儀器設(shè)備以及數(shù)控機(jī)床匯中。

玻璃液從熔窯中流入錫槽的過(guò)程，會(huì)帶入二氧化硫、三氧化硫、氧氣等氣體，錫槽不能完全密封，因此玻璃液也會(huì)接觸到空氣中的氧氣。高溫條件下，錫很容易與這些氣體發(fā)生反應(yīng)，生成氧化錫、硫化錫等成分，形成錫渣污染物，漂浮在錫液表面，從而影響到玻璃的生產(chǎn)質(zhì)量，而且錫污染物的存在，使得錫液中二價(jià)錫和四價(jià)錫增多，容易引起鋼化虹彩缺陷。直線電機(jī)的應(yīng)用，能夠有效清除浮法玻璃生產(chǎn)中錫液表面的錫污染物。錫槽中直線電機(jī)的應(yīng)用過(guò)程如圖3所示。

圖3 錫槽耳池“半十字”型直線電機(jī)應(yīng)用過(guò)程

在錫槽池壁上設(shè)計(jì)特殊的小耳池，將“半十字”型的直線電機(jī)安裝在耳池沿口上，引導(dǎo)錫液定向流經(jīng)耳池，除去漂浮的錫污染物，得到干凈的錫液，保證浮法玻璃的生產(chǎn)質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)直流電機(jī)調(diào)速、交流變頻調(diào)速以及交流伺服控制系統(tǒng)的分析，結(jié)合浮法玻璃的加工工藝以及生產(chǎn)設(shè)備，探究了電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)在浮法玻璃生產(chǎn)過(guò)程中的具體應(yīng)用，先進(jìn)的控制原理以及靈活的操控方式，提升了浮法玻璃生產(chǎn)線的控制靈活性和生產(chǎn)可靠性與精確性。