安川变频器在冷弯生产线上的应用.docx

安川变频器在冷弯生产线上的应用

摘　要(Abstract)    本文介绍了安川G7系列变频器在冷弯生产线上的应用，详细阐述了系统的构成情况，并在实际工程中得到了验证。
This paper introduces the application of the Varispeed G7 in  the rollforming,detail describes the structure of the system and has been testified in the practical engineering.   
关键词(Keywords)    可编程控制器   货架冷弯生产线   
Programmable logic controller    racking rollforming    
1．变频器调速控制系统简介
1.1 VARISPEEP G7系列变频器是日本安川公司成功推出的世界上第一台采用三电平控制的通用变频器，解决了浪涌问题。是一款真正意义上的电流矢量控制通用变频器，其调速范围广（1:200无PG，1:1000带PG），控制精度达到0.02%，具备在零速启动力矩可以达到150％的特色。VARISPEEP G7系列变频器可以接受控制器如PLC等的多段速频率指令或者模拟电压、电流指令；可以通过自学习适应各种电机并获得良好的矢量控制特性；低速下平稳启动性极好；硬件可靠性与性价比极高。在冷弯产品生产线上获得了广泛应用，一般冷弯生产线的上位控制系统选用PLC来实现控制，针对控制精度或运行性能要求较高的上位控制系统，可通过DOS操作系统或WINDOWS操作平台来开发设计（即PC+控制板卡模式），下面以货架冷弯生产线上的具体应用展开讨论。
2．系统构成。
2.1货架冷弯成型工艺流程：开卷——校平——切头焊接——在线伺服送料冲孔——成型冷弯轧制——矫直——定尺切断（或伺服跟踪切断）——打包——后期喷涂处理等。VARISPEEP G7系列变频器主要应用于成型冷弯轧制过程，也可应用于开卷和校平机组的速度匹配系统。

图一：货架冷弯成型生产线简图
2.2 根据货架组件（横梁）的冷弯成型孔型设计及冷弯成型工艺要求，货架组件（横梁）冷弯机组共有12站牌楼构成，货架组件（立柱）冷弯机组一般有17站以上牌楼构成，其基本工作原理相同，只是工作负荷和选用的变频器功率大小有差异；下面主要以横梁冷弯机组的应用为例进行讨论，钢卷料由第一站牌楼前的带料导引装置将钢带穿入冷弯机组进行冷弯成型加工，该冷弯机组主动力由22KW的VARISPEEP G7电流矢量控制通用变频器和异步变频电机驱动系统构成，各牌楼间的动力传递可采用链传动或齿轮组来实现；主控系统选用MELSEC FX2N-32MR可编程控制器，闭环控制反馈信号由2000脉冲/转的旋转编码器被动测量提供信号开关量并测长，根据所选的编码器的线数以及你要走的位置量，确定好对应的计测脉冲数，然后设置PLC，使其在计测到相应的脉冲数时产生相应的动作以实现产品定长切断的精确控制，其基本长度控制精度可达±0.5 mm以上，可重复长度控制误差分布范围最大不超过1mm。
2.3 系统硬件结构的主要配置：
　　 1）、选用是FX2N-32MR，外加FX2N-232-BD通讯模块。各1只
　　 2）、触摸屏选用型号为：GP37W2-BG41-24V，或采用微机控制上位机系统。
　　 3）、KOYO旋转编码器TRD－NH1200-RZ及测量辊、24V开关电源，各1台
4）、30KW的VARISPEEP G7电流矢量控制通用变频器CIMR-G7A4030，1台
5）、三相笼型交流异步电动机：Y系列，4极，22kW ，1台。
6）、其它电气选配件，如：配置PG速度控制卡获得编码器的速度反馈信号，内置直流电抗器。通常变频器在实际应用中还需要制动单元与制动电阻在再生状态时获得足够的制动力矩。
3 电气闭环无级控制系统原理
3.1要实现货架组件（横梁）的冷弯成型机组的闭环无级控制，必须根据变频器和变频电机的特性，即：在一定载荷下变频器所存在的理想加速和减速特性曲线，或根据不同的品牌和规格的变频器的特性参考资料、冷弯机组加工件的负荷特性、电机的负荷特性等进行适时调整。本系统采用带PG v/f控制模式，基本控制原理如图1：

图1 系统闭环无级控制原理图
3.2基本控制思想为：CIMR-G7A4030变频器和变频电机构成内闭环控制系统，旋转编码器与PLC构成系统外部闭环控制系统；即1）、根据旋转编码器测量反馈的当前速度信号适时调整变频器的输出驱动频率值，从而保证变频电机能以要求的速度平稳运行；其还表现在必须根据具体冷弯产品的成型工艺要求、负荷波动规律等选择相应的速度控制模式，即初时运动加速度与加速控制时间、平稳运行速度与距离、减速运动加速度与控制时间等进行变频器的适时调整，确保主机运行及控制反馈运行过程的平稳，消除不稳定形成的系统超差故障；2）、根据旋转编码器的脉冲测量数反馈当前冷弯机组主电机的位移信号及预先设定的控制方案适时调整变频器的输出驱动频率值，使变频电机先以较高的速度运行到接近冷弯产品控制切断长度的位置后将速度平稳降到较低的速度下工作，并在切断控制处准确制动停准，必要时可采取机械抱闸系统来辅助快速定位，再通过输出控制点发出切断控制信号实现液压停剪；PLC控制系统在工作过程中实时采集运行数据，并不断地与存放在软件控制数据块里的标准位置参数进行比较和控制决策，从而达到快速准确定位、提高作业效率的目的，并与监控系统交换工作信息以实现生产管理系统的全面动态管理。
3.3在我公司进口的货架组件（立柱）冷弯生产线控制系统中，可编程控制器主要用作下位机，检测各状态点的状态，直接控制系统的启、停和其他控制单元的投切，并将各点的I/O状态通过控制板卡送给上位机——计算机，计算机综合可编程控制器和其他设设备的数据，作出相应的处理和显示。
4变频器的选型依据及容量的确定
4.1货架冷弯成型设备的电气拖动主要是驱动冷弯轧辊运动，其阻力矩取决于冷弯轧辊与钢卷料之间的摩擦力与冷弯轧辊半径r的乘积，即。在这里，冷弯轧辊的半径r是恒定不变的，摩擦力的大小与相应的冷弯产品的孔型设计工艺水平、机组的传动效率和相关材料与轧辊间的摩擦系数等有关，与转速高低关系不大。这是典型的恒转矩负载机械特性。这类负载转矩和转速的快慢无关，所以在调节转速过程中，负载的阻转矩保持不变。在选择变频调速系统时，除了按常规要求外，还根据机组运行的调速范围、阻力矩的特点、对机械特性的要求等进行选择：（1）选择较为简易的Ｖ／Ｆ控制方式的变频器应用于：开卷机、校平机、压力机等单机运行的变频调速控制与整线速度上的匹配。（2）选择有反馈的矢量变换控制方式应用于冷弯成型机组和在线液压停剪设备系统中，主要是为了实现精确的速度控制和反复运行于接近零速区的位置定位和液压停剪功能，目前可实现的位置控制精度可达到±0.1mm以上，精度越高其生产效率会明显下降，甚至产生位置定位震荡，根据货架产品的工艺特点，位置精度控制在±0.5mm左右较合适，货架冷弯机组主动力系统主要采用有反馈的矢量变换控制方式，如图1控制原理。矢量控制通过电动机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之垂直的转矩电流分量，把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制就变为直流量的控制，这样交流电动机便能等同于直流电动机，从而获得直流电动机一样的控制性能。目前，交流电力拖动已完全可以与直流电力拖动相媲美。
4.2其次对冷弯机组成型功率的计算和确定；根据文献2说明，机组驱动动力常由实际经验推定，可参考部分机组的标准规范和经验设计参数，也常用旋转承受成形反力（荷重）的辊所需要的成形扭矩来求，如：成形扭矩T=P（成形荷重）×L（辊间接触长度），且实测值常高于计算值；其中也给出了电缝管的计算经验公式等。实际上不同的厂家对机组功率设计的标准也不同，机组传动效率上也存在一定的差异（如：链传动与齿轮传动），如某公司的进口生产线，其成型宽度为：226mm，成型角为360度，卷料厚度达到3.0mm，选用卷料设计材质为SS490，机组主功率为37KW，而国产设备冷弯产品成型宽度为：336mm，最大成型角为1080度，常规产品成型角为720度，卷料厚度达到4.0mm，选用卷料设计材质为SS490，机组主功率为132KW，类比可发现其差异较大。特别是当卷料厚度误差出现超差的情况下，机组负载情况就会发生突变，冷弯成型力就会附加板料厚度上的轧制力，系统将会出现停顿过载现象，为此也必须加以考虑。由于工作在矢量控制方式下，因此它能提供足够大的启动转矩，
4.3最后为选用变频器的容量，其有很多因数决定，例如电动机容量、电动机额定电流、电动机加减速时间等，其中，最主要的是电动机额定电流。为了获得变频器理想的控制性能，一般变频器功率应当满足：变频器功率≥K×1.732×Vm×Im
　　 K为电流波形校正系数 Vm为电机额定电压 Im为电机额定电流
4.4交流变频调速是通过变频器来实现的，对于变频器的容量确定至关重要。合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验，比较简便的方法有三种：
(1)、电机实际功率确定法：首先测定电机的实际功率，以此来选用变频器的容量。
(2)、公式法：设安全系数取1.05，则变频器的容量Pb = 1.05Fm/Pm×cosθ (kW)
式中，Fm为电机负载；Pm为电机功率。计算出Pb后，按变频器产品目录可选出具体规格。
(3)、电机额定电流法：变频器容量选定过程，实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程，最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率，但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少，通常都是设备所选能力偏大，而实际需要的能力小，因此按电机的实际功率选择变频器是合理的，或根据具体选用的变频器品牌和性能进行选用。货架组件（横梁）冷弯机组的主要功耗包括：用于货架组件（横梁）弯曲变形功率、克服辊子与工件之间的摩擦阻力及辊子轴承摩擦阻力、克服机组传动阻力及功率损耗，一般采用经验测算方法与简单公式计算后放大倍数的方法共同核算，通常还根据冷弯成型的成功案例进行类比测算，并依此确定具体型号变频器的实际功率。
4.5 由于电流矢量控制通用变频器CIMR-G7A4030具有多段速度选择功能：它有正转运行/停止、逆正转运行/停止、外部故障、故障复位、多段速指令1、多段速指令2、点动频率选择、外部基极封锁指令、多段速指令3、多段速指令4、加减速时间选择、非常停止、多功能模拟量输入等端子，可以通过PLC的输出点直接控制输入端子的ON/OFF状态来实现变频器速度的上升、下降和精确停车。每档速度的大小可由变频器功能预置来设定。
4.6制动电阻的选择：一般在安川推荐的电阻功率和阻值内选择，对于电机转速较高的机组情况可以适当减小电阻得到较高的制动力矩（安川推荐的阻值一般按照120％制动力矩推荐），但是电阻阻值不能低于安川规定的最低值，如果最小值不能满足制动力矩的话，需要更换大一级功率的变频器。
　 4.7综合多种因素，我们选定了电流矢量控制通用变频器CIMR-G7A4030，特别是该系列产品的零伺服功能（对电机在停止状态被保持性能）对实现货架组件（横梁）的冷弯成型的定位控制及满足液压停剪的生产控制要求很有效，能进一步提高了货架组件的成型质量和生产效率。
5 外部接口设计
5.1三菱FX2N型PLC内置多个高速计数器。经过测量测试，选择采用两相两计数输入、应答频率为30kHz的C251计数器，将旋转编码器的A、B输出端与PLC的X0、X1输入点相连，可以稳定地捕捉货架组件（横梁）冷弯机组上加工产品所需要的闭环控制反馈信号，实现冷弯产品的加工长度、位置定位后的程序比较及控制信号的输出，实现冷弯产品的定长液压停剪动作。机组最大运行速度限制计算为：测量辊周长与应答频率为30kHz的乘积再除旋转编码器的每转脉冲数，如我司选用的测量辊直径为Φ60mm，周长为188.5mm，则每秒最大运动位移为：188.5mm×30000÷2000=2.827M，货架组件（横梁）冷弯机组的最大理论运行速度在169米/分以内的要求，一般运行速度设计在20米/分左右。PG输出脉冲检出的最高值为300KHz，主要通过以下公式来算PG的输出频率（）：

5.2上位机对电流矢量控制通用变频器CIMR-G7A4030的多段速输出控制，可以通过控制输出端的通断信号对多段速指令进行选择或通过相关控制板卡输出模拟信号0～±10V到多功能模拟量输入端A3--AC进行在线自适应正反转、高低速、运动定位停止控制等。具体见图2

图2 CIMR-G7A4030的PLC控制图
5.3加速/减速时间及运行控制曲线的设置是变频器参数设置的关键。冷弯机组遵循“加速—运行—减速—低速运行正反转调整—停止”为一个运行周期，每一周期中的间隔是冷弯产品的切断过程及系统动作复位。特别是针对上述运行周期中的“停止”概念，要理解为零伺服功能状态，即：根据这个功能及有关多功能接点输入中的一个设定为72（零伺服指令），加上外部PLC或PC等信号或模拟量指令下实现电机的停止状态并被保持。合理设置这些参数，可以调整定位运行的切断控制精度及机组的生产效率，使它适合负荷的要求，特别是随着同一机组上不同产品的更换和调整，也需要对有关参数进行适应性再调整。
5.4在试运行中如果发生乱调和振动等起因在控制性能的故障时，请对照带PG矢量控制的模式调整参数，即速度控制的比例增益和积分时间参数、对应频率切换速度控制增益、速度控制的一次延长时间、选择载波频率等。在具体运行过程中可以通过PID控制模块实现运行速度的控制与定位调整，以实现同步控制，即实现把速度指令与速度检出值的偏差接近零。
6 应用效果
CIMR-G7A4030变频器控制实现的多段速系统控制确保了货架冷弯机组的自动化控制要求，具有运行稳定可靠，定位精度高等特点。实践也证明VARISPEEP G7系列电流矢量控制通用变频器完全能满足货架冷弯机组的调速和基本定位控制要求，提高了生产效率。此种变频器控制方式也可用于其他需要速度配合及定位控制的电机变频调速系统。
根据今后货架冷弯机组的自动化发展方向，将成型速度的设定与控制理论的发展与应用、成型辊辊型设定与实时调节、具体机械设备的故障诊断的处理与显示等与具体的电流矢量控制通用变频器、PLC控制功能和发展相结合，特别是无速度传感器矢量控制变频器技术的发展与成熟，必然能促进货架冷弯机组的整体自动化发展水平。

主要参考文献：
1、 王先进，《冷弯型钢生产及应用》，冶金工业出版社，1994.8
2、 赖耿阳，《最新冷轧成形全集》，复汉出版社，1990.9
3、 VARISPEEP G7使用说明书 资料编号：TO-S616-60.1BCN