罗克韦尔变频器在宣伟涂料工厂中的应用

　　
  　　一．引言
  
　　随着经济的快速发展，电能的短缺问题越来越突出，节能也越来越受到人们的关注。由于变频器具有显着的节能效果和优良的调速性能等优点，因此在现代化的生产企业中用变频器来驱动电动机应用越来越广泛。在宣伟涂料一期工程中，就大量使用了罗克韦尔公司A-B品牌的PowerFlex700的变频器。
  　　宣伟（Sherwin－Williams）涂料有限公司于1866年成立，具有一百多年的历史，是美国最大的涂料生产商和供应商，是世界500强企业之一。目前在中国设有两家分厂，广东东莞和上海嘉定。
  　　上海慧桥电气自动化有限公司是RockwellAutomation在华东地区全系列产品代理商。公司专业从事工业自动化产品的分销和自动化系统工程集成。公司拥有一支高素质、高效率的销售和工程技术队伍，为用户提供先进、可靠、实用的世界级的自动化产品和系统的解决方案。
  　　二．工程系统概述
　　宣伟涂料FBCS控制系统PLC采用Rockwell公司SLC500 系列PLC，共有一个机架和五个Remot I/O机架；主机架与从机架采用Remote I/O通讯方式，用Remote I/O电缆连接，共两路；共有五个防爆控制柜和一个控制柜，防爆控制柜上均有一触摸屏，每个触摸屏均可运行RSView ME Station Runtime对现场设备进行就地控制操作，每个触摸屏与PLC CPU采用Ethernet TCP/IP通讯方式，光缆连接；网络机柜一个，在涂料办公室内，柜内共有3COM16口Switch Hub一个、光电转换器六个，均为机架式装配。 　　
  　　宣伟涂料FBCS系统分罐区和涂料车间两部分组成。灌区由Header7(溶剂进料区)和Header8(树脂进料区)组成。涂料车间由Header1（铁器中间混料罐）、Header2（铁器混料罐）、Header3（铁器高速分散罐）、Header4（铁器树脂小加量）、Header9（小批量生产区）、去离子水系统、自来水系统、冷热水系统、真空泵系统以及氮气系统等组成。
       在涂料的生产过程中，需要把一些化工原料按比例的混合在一起，然后根据生产工艺进行搅拌和混合，使之发生物理和化学的反应。在宣伟涂料一期工程中，是一个反应釜式的应用，功率从15HP到150HP不等，共有20台变频器，使用的是PowerFlex700变频器。
  　　A-B品牌的PowerFlex700变频器具有优良的调速性能和显着的节能效果。控制方式有无速度矢量传感器控制、转矩直接控制和传统的电压/频率控制。其中矢量控制采用了A-B获专利的磁场定向控制方法，具有分开独立控制电动机的磁场和转矩，使得变频器在零速时仍能产生满转矩。其性能可与直流调速相媲美。灵活的控制方法和强大的网络通讯能力使得PF700应用在各种不同的领域和满足苛刻的控制要求。
  　　下图是搅拌机调速系统的组成图：
  
　　变频器控制接线图：
  　　变频器网络系统组成图
  
　　根据生产需要和要求，变频器既可以在设备旁由操作工进行现场控制，同时也可以通过网络在远端监控变频器。如果采用ControlNet网，在PowerFlex700上加一块ControlNet网卡就可以进行实时的监测和控制了。这样的话，只要在办公室就可以通过电脑查看到每一个变频器的运行状态。
  
　　三. 系统功能及应用
　　1．变频器的安装
  
　　PF700 变频器采用柜内安装，安装十分简单，除了通常的三根电源线输入，三根输出以外，变频器的接地也十分重要。由于电动机距离变频器有一百多米，输入和输出侧都安装了电抗器用来滤波和抑制反射波电压。
  　　2．系统的调试
　　根据现场的实际要求，该工程中用了以下几个功能：
  　　(1). 自动整定
　　调试的第一步就是把电动机的铭牌数据准确无误的输入到变频器中，然后变频器的微处理器就根据所输入的电动机数据建立一个数学模型，为了使这个数学模型和实际的电动机的特性一一匹配，要进行参数的整定。
       异步电动机的矢量控制系统是基于转子磁通保持不变的、用磁场定向方式以达到瞬时转矩可控的高精度驱动系统。矢量控制的质量依存于电动机参数的正确程度。通常，电动机参数是根据电动机空载、堵转试验的结果再用公式进行计算求出。若把它们用于一般传动的稳态特性计算，可以认为符合精度要求。但若用于矢量控制的高精度系统，尚须再运行中对参数进行修正。实现矢量控制的前提是正确设定电动机等效电路的参数，亦即逆变器与电动机参数必须匹配成为一对一的整体。由于在运行中电动机温升变化引起转子电阻和时间常数变化，将影响磁场定向。因此，需要在运行中对系统的某几个参数（如定子电阻、转子电阻、放大系数等）进行自动侦测和调整。自动整定分为动态整定和静态整定，区别是动态整定电动机是要旋转的，而静态整定是不旋转的。
  　　(2). 网络通讯与监控
　　PF700变频器具有强大的网络通讯能力，可以应用在各种不同的网络上，如：ControlNet,DeviceNet,EtherNet/IP,RS485,Remote I/O等。变频器有各种网络的适配卡，只要把网络适配卡安装在变频器上，就可以轻松进行网络通讯和网络控制，以及和PLC、上位机联网通讯。上位机使用的是A-B的触摸屏PanelView，使用ControlNet网络来和PLC、上位机通讯。通过网络，厂长就可以在办公室轻松查看全厂设备的运行状况。通过ContralNet网络，工程师可以在办公室实现对全厂变频器的参数的监测和控制，可以根据生产工艺的变化而方便调整变频器的各项参数的设定。
  　　(3). 飞速启动功能设置
　　在混合的化工原料中，有的是呈浆糊状的，有的是呈液体状的。如果是液体状的，在高速旋转的电动机由于某种原因停止了，发现后会很快的又再次启动，这时电动机还没有完全停止旋转，往往会发生过流故障而使变频器无法启动，为了避免这种情况的发生，我们使能了飞速启动功能。
  　　飞速启动功能适用于将已经旋转的电动机尽可能快地与变频器连接，并继续平稳地工作，对负载或速度带来尽可能小的影响。当变频器执行一个常规的起动时，通常会从0Hz的初始启动频率按斜坡上升到一个指定的频率。如果此时电动机有一定的旋转速度，就会产生很大的电流，如果限流装置的反应不够及时，将导致过流跳闸。变频器启动时，在旋转的电动机上有残磁存在的话，过流跳闸的可能性就更大。即使限流装置反应足够及时，能避免过流跳闸，结果也是将电动机减速到一个极慢的速度，再重新加速到设定的频率。这样的话在设备上会产生一个极大的机械冲击力，潜在地增加停工和维修费用的可能。
  　　用飞速启动模式，变频器接到启动命令，开始识别电动机的转速，使变频器的初始输出与旋转的电机在频率、幅度和相位上保持同步，然后在当时的转速下与电动机进行电气连接，然后平滑地加速到设定的频率。这样就避免了过流跳闸的可能，并极大地缩短了电动机到达设定频率地时间。由于电动机是在自身的旋转速度下与变频器进行平滑连接，然后按斜坡加速到指定的速度，在整个过程中几乎没有或很少产生机械冲击。
  　　（4）.过载保护
　　过载能力的高低直接影响到生产的连续性。一般来说，过载保护能力是衡量变频器可靠性的一个重要指标。过载能力的强弱与允许过载的时间和允许过载的百分比有关，呈反时限特征。PF700变频器的间歇过载时间是：110％过载可持续1分钟；150％过载可持续3秒。如果是重载应用的话是150％的过载可持续1分钟。电流限制的极限值可从20％～160％编程设定。由于有的化工原料混在一起后就成了呈浆糊状，特别粘稠，在搅拌的过程中，阻力特别大，很容易过流，这时就要电流限制，否则就很容易烧马达。
  　　（5）. 跳跃频率
　　旋转的机械设备自身具有机械谐振点，因此在调速的过程中必须要避开这些谐振频率点，防止损害设备。PF700变频器具有跳跃频率或临界避免频率的功能，可以保证电动机不会持续运行在一个或多个具有损害性的谐振频率。谐振频率被编入跳跃频率参数中，在这些频率附近编一个带宽，创建一个跳跃带以避开引起共振的区域。变频器提供了3个跳跃频率来对付不同的谐振点。
  　　正常的加速和减速是不会受这些跳跃频率的影响的，因为驱动器的输出将按斜线连续地穿越整个频带。当要求地变频器连续运行在建立的频带范围内时，变频器会改变输出频率，保持在频带之外，直到给定新的速度命令。
  　　（6）. S曲线
　　宣伟涂料搅拌机是通过电动机带动传送带来使搅拌片旋转起来的。为了防止启动时的突加转矩作用于传送带上，会导致皮带飞脱和断裂，使用S曲线功能来避免这种现象的发生。
  　　当负载从稳速变为加速或减速时，这种过渡通常是瞬时的，反之亦然。这种现象如同在换档的车上踩离合器。这种突然的动作会在机械上产生相当大的冲击力。在传动带驱动系统中，会造成传动带飞脱或断裂。变频器可以使用这个功能有效的控制这种突然变化和加速度的速率。
  　　四．结束语
　　变频器使用半年多来，工作稳定，加上其完善的功能，高可靠性和卓越的控制性能，至今未出现任何问题，应用十分成功，收到了良好的效果，客户十分满意。
  
文章来源：上海慧桥电气自动化有限公司 梁银虎