变频器在漆包线自动称重系统中的应用

2017-06-28

  1 漆包线自动称重系统的总体设计
  1.1 系统的总体结构
  LY-ZDB型漆包线自动称重系统由操作站、电子称、包装机、打印机、液压工作站、PLC控制等部分组成,如所图1示[12]。
  2 漆包线自动称重系统的硬件设计与实现
  2.1 漆包线自动称重系统硬件的总体设计
  漆包线自动称重系统硬件大致分为生产系统计算机、称和仪表、打印机、工控机、PLC、扫描枪、传感和执行机构几部分,详见图2。其中,漆包线自动称重系统的硬件设计所涉及的基本知识有变频器及异步电机、模数转换知识、IGBT模块栅极驱动的基本知识、PLC知识、485通讯电路、秤的基本知识和工业控制计算机基本知识[2,13]。
  软件部分也是本文的重要组成部分,其中本文的软件主要分四个模块,即对PLC执行机构下达控制命令模块;对称体仪表的通讯(RS485)模块;读取仪表数值,对称重数据进行数据存储、打印模块;对条形码的读取、识别模块。而对于处理所得的大量数据,本软件系统中采用MS SQL SERVER 2000的大型关系型数据库来存储[7,16]。
  2.2 变频器
  2.2.1 变频器对外部控制的实现
  变频器外部接口的主要作用是用户能够根据系统的不同需要进行各种功能组态与操作,并与其他电路一起构成自动控制系统[3,14],如图3所示。
  变频器的外部接口电路通常包括:逻辑控制指令电路、频率指令输入输出电路、过程参数监测信号电路、通信接口电路和数字信号输入输出电路等。变频器内部结构及外部接线基本,其中包括主动源、电动机、制动单元等。而变频器对外部的控制也是通过这些外部接口来实现的,其对外部的控制主要包括自动起停控制和速度调节。自动起停控制,即要实现自动称重就要实现物料传输的自动运行和速度自动调节。自动运行指的是电机自动启动并运行和自动停止,FR端子输出信号(高电平1、低电平0)来触动外部中间继电器从而控制主回路运行。速度调节,它是通过变频器的+V、VRF、COM三个端口来自动调节电机对物料的传输速度,即通过A/D转换控制运算电路,从而控制逆变电路,实现输出频率的变换。
  整流器是将交流变为直流,平滑波电路则将直流电平滑,逆变器将直流电逆变为频率可调的交流电。其中,为了电动机的调速传动,所需的操作量有电压、电流、频率[8~11]。
  2.2.2 变频器的外围设备及选件
  变频器的外围设备主要是用来构成更好的调速系统或节能系统,选用外围设备通常也是为了提高系统的安全性和可靠性,提高变频器的某种性能,增加对变频器和电机的保护,减少变频器对其他设备的影响。
  其中,变频器的外围设备主要有:输入变压器、空气断路器、交流接触器、交流电抗器、滤波器、直流电抗器、制动电阻等。在本系统中,除了低压断路器、交流接触器选件外,还增加了中间控制继电器、电位器(用于改变输入模拟量),另外还有PLC开关量模块。
  在实际的自动称重系统中,变频器和外围设备要能实现电机缓慢增长和缓慢停止,避免启动电流对电机的冲击,以避免货物的不稳定和不安全[4]。
  2.3 变频器与异步电机
  2.3.1 变频调速
  变频调速系统控制电路主要包括控制运算电路、信号检测电路、门极(基极)驱动隔离电路、外部接口电路、保护电路和数字输入电路等。在变频器中,控制电路是其核心部分。控制电路的优势决定了调整系统性能的优势。而控制电路的主要作用是将检测得到的各种信号送至运算电路,使运算电路能够根据要求为主电路提供必要的门极(基极)驱动信号,并同时对异步电机提供必要的保护。此外,控制电路还通过A/D、D/A等外部接口来接收/发送多种形式的外部信号并给出系统内部工作状态,以便调整系统能使之够和外部设备配合实现各种高性能的控制。变频器的控制电路还包括电流、电压、电机速度检测电路、为变频器提供保护的保护电路、对外接口电路和数字操作盒的控制电路等[5]。在采用变频器进行调速控制时,当时,改变频率就可改变同步转速n。而对于异步电机的变频器传动,为了避免电机的磁饱和,同时抑制起动电流,产生一定的转矩实现安全运转,在改变其频率时必须控制变频器的输出电压[15]。另外,异步电机传动变频器也称被为VVVF变频器,即调压调频变频器的略称。
  变频调速具有许多优异的性能,它调速范围较大,平滑性较高,且变频时U按不同规律变化可实现恒转矩或恒功率调速,以适应不同负载的要求。其中低速特性的转差率较高,是异步电机调速最有发展前途的一种方法,其缺点是必须有专用的变频电源;而且在恒转矩调速时,低速段电机的过载倍数大为降低,甚至不能带动负载。
  2.3.2 变频器对异步电动机的控制方式
  变频器对电机的控制,是根据电机的特性参数及运转要求,进而对电机提供电压、电流、频率达到控制负载的要求。因此,变频器的主电路、逆变器、单片机的位数都相同,只是控制方式不一样,控制效果也不一样,所以控制方式很重要,它代表变频器的水平。目前,变频器对电机的控制方式大体可分为恒定控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、速度控制、非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制和智能控制。其中前五种已获得成功应用,有成型的产品,现就第一种控制方式展开讨论。    恒定控制的定义。
  该控制是在改变电机电源频率的同时也改变电机电源的电压,使电机的磁通保持一定,在较宽的调整范围内,电机的功率、功率因数不下降。因为是控制电压与频率的比,故称为控制。此种控制方式比较简单,多用于节能型变频器,如风机、泵类机械的节能运转及生产流水线的工作台传动等。另外,空调等家用电器也采用此控制方式的变频器。
  电压型变频器异步电机的比恒定控制的构成。
  实现电压型变频器异步电动机系统的恒定控制的方式很多,如果采用正弦PWM进行电压和频率的控制系统控制部分需要提供频率可变、幅值随频率变化的正弦设定信号。使用模拟电子技术产生正弦信号并不困难,但若需要信号的幅值正比于频率的变化,或按某种规律变化,则采用数字电路较易实现。
  在恒定控制的PWM变频器中,PWM控制部分原理图如图4所示。图中LA为加、减速控制环节,它将阶跃的速度设定信号变为缓慢变化的设定信号,以减小起动和制动时的电流冲击。μ-COM为微型计算机处理单元,它包括存有正弦波形数据的只读存储器EPROM和产生EPROM地址的计数器。VFC为压频变换器,它将速度设定的电压信号变为频率信号(脉冲),再将速度(电压)设定的脉冲送入μ-COM中的计数器,以计数器的数据作为EPROM的地址,而改变计数频率,即可改变EPROM的地址扫描频率的变化。EPROM的数据送至数/模块换器(DAC)后,由于DAC有乘法功能,它的电压参考端直接接至速度(电压)设定端(VFC的输入),使DAC输出电压波形的幅值正比于速度设定值,从而实现恒定控制[1]。
  恒定控制的PWM变频器的电路通常为交-直-交电压型变频器,其输入接至三相电源,输出接三相异步电机。中小容量变频器常采用可关断电力电子器件如大功率晶体管(GTB)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为开关器件,构成三相桥式逆变电路;而大容量变频器则采用可关断晶闸管(GTO晶闸管)或晶闸管(SCR)作为开关器件。当采用晶闸管(SCR)作为开关器件时,由于晶闸管不能控制关断,需要采用辅助换相电路。在主电路中还必须包括整流环节,通常使用普通电力二极管构成三相不可控整流桥,它将三相交流电整流成直流,再经滤波电容器滤成平稳的直流。滤波电容器和整流桥之间接有充电限流电阻,当变频器接通电源时,由于直流滤波电容器的电压不能突变,如果没有充电限流电阻,整流二极管和电容器将会流进很大的充电电流,而充电限流电阻的作用就是要限制充电电流。一旦充电结束,电容器的电压达到正常工作电压时,充电限流电阻则被断电器短接。滤波后的直流电作为逆变器的输入,经逆变桥逆变成三相交流电提供给三相异步电机。变频。器的控制电路除了上述PWM生成部分之外,还包括电力电子器件的驱动电路,它将PWM控制信号(通常为逻辑电平)经隔离、放大,变成可控的电力电子器件导通、关断的电压或电流信号。不同类型的电力电子器件需要不同的驱动电路,其基本要求是提供足够的开通电压或电流,以及可靠的关断电压或电流。对于保护部分,应做到保证变频器不发生永久性破坏。它分为硬件保护和软件保护,它们均需要对保护对象进行快速检测,并根据预先设置的保护动作设定值,分别进行处理并给出相应的故障信息[4~6]。
  3 漆包线自动称重系统软件设计
  在本漆包线自动称重系统中,由其软件流程见图5可知,其软件的设计包括数据库的设计、PLC控制设计、电机控制电路的设计、仪表通讯的设计(图6)、条形码读取设计和人机界面设计。
  4 工作总结与展望
  4.1 工作总结
  本人在做课题期间,查阅大量与课题相关的书籍和资料,在对现有自动称重系统进行分析比较后,针对课题的具体应用背景,提出了漆包线自动称重系统的设计方案,具体总结如下:
  (1)优势:它可以提高生产效率,实现产、销、存一体化管理,该体系还可以融入企业资源规划,实现企业资源的优化。
  (2)自动称重包装系统,在国内属空白,目前仍深受欢迎。它把PLC、工控机、数据库、变频技术等进行有机组合,达到先进的自动称重功能。比人工劳动生产率提高10倍以上;精度±5 g,传统称法是±100 g,人为读取因素误差更大,甚至出现数据错误,造成两种结果,误差超过客户要求,造成大量退货,太大的误差造成企业原材料的损失。按照年产值2亿计算,造成的损失可达到上百万。这套系统就彻底解决上述问题。
  (3)变频技术,PLC控制技术、数据库、自动控制计算机、智能仪表、电机控制、弱电控制强电的基础知识、通讯接口协议的基本工作原理等综合运用于现代控制领域。数据库共享给销售部门提供产和存精确数据,数据库系统让我们准确掌握每个产品的来龙去脉,比如:生产时间,生产机台号,当班工人,销售时间,客户信息等。
  (4)发展方向:实现完全自动控制,“贴标、上下料”完全自动化仍在进一步研究中。
  4.2 工作展望
  目前系统已处应用阶段,在今后的调试和现场运行期间还会有许多未曾考虑的问题有待解决。初步测试表明,该系统可进行基本的通信,数据处理功能。目前,本系统实现了对称重信号的智能采集,实现了静态称重,望今后能实现动态称重以及在称重精度方面有待进一步提高。在变频控制方面做了有益的探索,使之在自动称重中发挥更重要的作用;进一步使用智能仪表,使整个系统更完善;对输送线结构的优化,尽量降低由于输送线自身重量造成称重的误差。