变频器在码垛机改造中的应用

潘洁， 陈海波， 霍俊礼

（中石化长城润滑油分公司北京分公司，北京100085）

1 引言

变频技术是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的技术，变频器就是利用变频技术将电压和频率固定不变的50Hz工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置，广泛地应用于交流电动机的速度控制。变频器不仅调速平滑、范围大、效率高、启动电流小、运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛地应用于包装、冶金、纺织等生产线。

码垛机是包装工业中用于将包装好的成品按照预先设定的程序进行堆叠放置，以方便运输的机器。常见的箱式码垛机由托盘仓、输送机、堆码机、编组机、转位机和控制系统。堆码机是码垛机的主机，它自动将包件或纸箱按照一定的编排顺序一层一层整齐地码放在托盘上。控制系统主要由PLC和各种检测、执行、控制元件和导线组成，是码垛机的大脑和神经系统，监控和指挥设备的每一个状态和动作，感知设备内、外部的变化，使设备按照预定程序应对这些变化。

2 项目概况

为了适应不断发展的生产形势的要求，公司于2010年引进了一条国内先进的灌装生产线，4L产品灌装的最高速度可以达每小时5000桶以上。但与之配套的码垛机是1993年生产的，经过十几年的运行，速度慢，其控制系统及外部传感器、机械系统老化，很多设计结构已经无法满足如今高速运行的要求。为此，公司决定利用现有的设备进行提速改造，以适应新生产线的要求。

码垛机的提速改造涉及电器、机械、结构等多方面，难度非常大。为了达到高速稳定运行的目的，改造过程中我们对控制系统进行了更新，并对关键动作部分进行了变频改造，其中平台升降部分的变频改造成为此次改造的一个关键点和难点。

提速后码垛机平台每个班次上下升降运行将达560次以上，平台控制的准确性和稳定性，不但影响码垛机提速的整体效果，而且还关系到整个设备及相关操作人员的安全，因此平台升降部分的提速和变频改造是全部工作的重中之重。

3 控制系统改造

3.1 变频控制系统设备配置

整个码垛机提速的控制以西门子S7-200 PLC系统为核心，通过西门子S7-200可编程控制器对输入传感器状态的监控，根据控制程序运算后输出控制变频器和其他执行机构，来实现码垛机动作的顺序运行。操作部分由触摸屏来实现。

PLC的输入主要包括码垛机位置控制传感器，各个位置的保护、限位传感器，安全门等安全防护传感器，变频器控制相关反馈和报警信号以及急停和开、停机按钮等。输出主要包括电机、气动等执行机构的控制、变频器的控制、相关机械抱闸的控制、报警输出等。在输入输出中，大多数都与变频器的控制有关，因此控制系统的核心任务就是完成变频器的控制。

根据平台升降部分提速改造对控制准确性、稳定性、安全性等方面的要求，为了适应码垛机不带配重的机械提升结构，并节约改造投资费用，改造时采用ABB公司全新的大功率矢量控制型变频器，并提出了采用通用矢量变频器和可编程控制器（PLC）与带机械抱闸制动电机相配合，运用PLC软件编程，来实现平台升降控制的思路。这样替代了提升专用变频器，大大降低了控制系统的复杂程度和设备改造的硬件费用。整体的系统结构如图1。

图1 码垛机改造控制系统结构框图

3.2 变频器调速系统回路设计

（1）变频器电源主回路设计

系统采用三相AC380V变频器，变频器主回路的设计、安装应特别考虑以下几点：①变频器的输入电源必须接到R、S、T上，变频器的输出U、V、W及接地端分别接电机和电动机的地线，否则会损坏变频器；②为防止触电、火灾等灾害和降低噪声，必须将电源和电动机等部分的接地端子连接良好，应符合国家标准；③主电源为了保护变频器、方便安装调试和以后的维修，应在输入回路上安装空气断路器；④变频器的运行应由控制回路来完成，不能通过主电路的通断来进行变频器的启停等控制操作；⑤为实现电动机平稳、快速制动，提高运行速度，制动电阻回路的连接是必不可少的。

以码垛平台升降变频器为例，主回路的接线图如图2，码垛平台升降电动机抱闸电源结构图如图3。

图2 码垛平台升降变频器主回路的接线图

图3 码垛平台升降电动机抱闸电源回路结构图

（2）变频器控制回路设计

通过对码垛机动作步骤对调速系统要求的分析，认为平台移动、三角链控制、成品出垛控制等均为变频器常规调速的应用，而平台控制为变频器的升降控制应用，在高速运行的情况下，如果一旦出现问题则影响到人员的操作安全及机械设备的运行安全，因此平台升降控制方面的电器设计是此次改造的一个重点。

为了达到稳定、安全、高速运行的目的，主要进行了以下三个方面工作：①为了实现升降调速运行的目的，我们采用了简单的由PLC输出数字开关量控制变频器的外部控制模式，这种方式电器结构简单，方便进行编程，控制灵活。②为了保证平台在升降过程中，杜绝因为变频器在调速过程中输出扭矩不足造成平台滑落的危险，采用了一种简单的变频器半闭环控制方法，即利用变频器扭矩监控和预励磁的功能，通过变频器启动前先进行预励磁，达到足够平台升降控制的扭矩后，由变频器输出开关量控制信号给PLC，再由PLC运算后输出控制机械抱闸系统的打开，继续由变频器控制电动机运行。③为了保证各种异常情况下平台控制的可靠性，例如急停、突然断电、设备故障等情况，在机械抱闸方面特意采取了急停断抱闸电源和电动机断电抱闸的控制方式。不论何种异常情况，只要升降电机的制动系统断电，机械抱闸就会将电机锁死，抱闸平台立即停止运行，确保了人身及设备的安全。

提升变频器、抱闸及PLC控制结构图如图4，码垛平台升降电动机抱闸控制回路结构图如图5。

图4 变频器控制系统接线图

图5 码垛平台升降电动机抱闸控制回路结构图

3.3 变频器用户参数设置

ABB变频器ACS350有一系列的参数，通过这些参数的设置和调整，用户可以改变系统的性能和功能。根据讨论确定的控制方案，调试前应首先设置的参数有：

（1）参数10组：1003-定义外部控制用于启动、停止和转向命令的连接和信号源，选择DI1F，2R；即通过数字输入 DI1、DI2 发出启动、停止和转向命令，“1、0”时为正转启动，“0、1”时为启动反转，“0、0”或“1、1”时为停止。1003-方向，选择“3”，设置为允许双向运行。

（2）参数12组：1201-激活恒定速度选项，选择DI3，4。变频器输出恒定速度由DI3、DI4两个数字量输入来决定。由本系统硬件设计决定，DI3、DI4 只能有“1、0”和“1、1”两种输入，即选择恒速1和恒速3，分别为平台升降的两个运行速度。1202-恒速1（运行高速）设定为50Hz；1204-恒速3（运行低速）设定为15Hz。

（3）参数1401：选择继电器1显示的传动状态，继电器在满足设定条件时处于通电状态。选择“SUPRV1 OVER”（高于监控值1），监控值由参数3203来设定。

（4）参数21组：2101-选择电机的启动方式为AUTO（自动）。在电机控制模式为矢量控制时，变频器在启动前对该电机进行直流预励磁。2102-停机方式，选择斜坡停车。2103-直流预励磁时间，经过调试设定为0.6s。

（5）参数2202、2203变频器加、减速时间，经过调试，分别设定为0.3s和0.2s。

（6）参数3203：监控器1高限，如果参数高于此限制，监控器会被唤醒，继电器输出给PLC，控制机械抱闸的动作。

（7）参数99组：9902限制AAB标准宏；9904电机控制模式选择矢量转速控制；9905-9909为电机参数，必须按照电机铭牌上的值输入，因为这些数值关系到电机辨识运行结果，影响变频器对电机的控制；9910为电机辨识运行，变频器会辨识电机的特征以用于优化电机控制，可以保证最大的控制精度。这是保证升降控制精确、稳定、安全的基础，是不可忽视的重要一步。

4 改造效果

码垛机提速改造项目完成后，经过实际运行，整个码垛机控制系统运行平衡，安全可靠，经测算，每小时码垛平均达到了5076桶，并且码垛质量大大提高，完全达到了设计目标。

［1］ 李华德.现代交流电机变频调速系统［M］.北京：石油工业出版社，2003.

［2］ 张燕宾.变频调速应用实践［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［3］ 韩安荣.通用变频器及其应用（第2版）［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［4］ 吴忠知，黄立培，吴加林.调速用变频器及配套设备选用指南［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［5］ 中国石油化工集团公司人事部，中国石油天然气集团公司人事服务中心.罐装制桶操作工［M］.北京：中国石化出版社，2009.