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产品描述
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一、引言
在企业已经化的同时，各行各业的竞争也越来越激烈，各种机械的效能评比标准也逐渐地大幅提高。客户在评估一台加工机械的效能时，不但要检验产出成品的度是否合格；同时要计算每台机械每分钟的生产效率是否比竞争者快高。因此，探讨机械动作设计的合理化显得尤为重要。高频无缝焊管后段的飞锯的控制系统过去一直依赖进口产品，价格贵，货期长，且服务不及时，随着现代控制技术特别是电力电子产品技术突飞猛进的发展，使飞锯控制系统的解决方案变得“简单易行”，基本上了过去长期整机依赖进口的局面。本文阐述广州博玮伺服科技有限公司生产的BWS-BBF追剪型在飞锯行业的应用。
二、钢管飞锯现状
中国的钢管飞锯行业普遍采用以下三种方式完成高频无缝焊管后段的飞锯：
1、 运动控制器+直流驱动器+直流电机
2、 运动控制器+变频器+三相异步电机
3、 运动控制器+伺服驱动器+伺服电机
4、 型伺服驱动（内置运动控制器）+伺服电机（或异步电机）
种方式历时久，优势在于取代了走停式静太裁切，提高了锯切速度和精度；缺陷在于直流电机维护多、维护成本高。
二种方式用交流系统取代了直流系统，不仅具备直流系统的优势，同中降低了成本，减少了维护费用；但在精度和速度上逊色于三种方式。
三种方式前两种方式，一方面保证了锯切精度，另一方面提高了锯切速度，后期使用的维护费用也低，但整体造。
四种方案中的型伺服驱动器是将原来的运动控制器写成软件集成在伺服驱动器内，使“运动控制器”部分的故障率降为零，不仅具备三种方式的全势，还具有造价低、供货快、服务及时等优势。
三、工作原理
(1) 机械基本架构
在生产钢管的生产线上，成品是连续不断的生产出来的，成品且是硬性的材质，将连续送来的材料，立刻裁切成一段段固定长度的成品。这时，便需要应用“往复式同步动态裁切”的技术，或者称之为“往复式飞剪(Reciprocal Fly Shear)”。因为在裁切的过程中(大约0.1~1秒)，如果硬质材料与之间有相互的位置变动，将会对造成伤害;同时也势必影响成品的质量。
采用如图1所示的“往复式飞剪”机械结构，便是解决这种问题的方案。本机械结构的裁切并不是安置于固，而是安装于可以移动的“切台”上。透过导螺杆，“切台”的位置由伺服马达带动;因此，在整个裁切的过程中，控制器可以随时控制切台的移动速度与位置，让与材料的相对位置永远维持固定。运用这种方式才能确保每一个成品的定长精度及切口平整度，同时还能延长的使用寿命。
上下起伏的实线，清楚的表示出整个裁切循环过程中，切台运行的速度曲线;而平直的虚线则代表稳定的进料速度。整个循环分成五个不同的状态，分析如下:
a) 待机状态(Standby)
在一个循环开始时，若送料总长度尚未达到裁切长度，即属于待机状态。BWS-BBF随时检测输入材料的长度及当时送料速度。采取前置量法，若长度到达前置量，则立刻指挥伺服马达，进入加速状态。
b) 加速状态(FrampUp)
送料持续进行，BWS-BBF在检测输入材料的长度及当时送料速度的同时，并指挥伺服马达依照S曲线加速至与进料速度同步;务求在进入同步速度的瞬间，裁与材料的动态相对位置已经整定完成。接着便进入同步状态。
c) 同步状态(SyncZone)
一旦进入同步状态，BWS-BBF立刻送出同步信号(SYNC)给裁控制机构，要求执行切断动作。同时，BWS-BBF 依然持续侦测进料长度及进料速度，随时保持切与材料之间的动态相对位置永远不变;如此才能确保裁切断面的平整。当裁切完成之后，切自动退出，并发出裁切完成信号(CUT-END)。VEC-VBF接收到本信号，则不再继续维持同步，立刻进入减速状态。
d) 减速状态(FrampDown)
BWS-BBF指挥马达依照S曲线减速直到停止。同时，仍然持续侦测并累计进料长度。一旦马达停止，BWS-BBF立刻将切台现在的位置记录为本次裁切的远行程。接着立刻进入回车状态。
e) 回车状态(ReturnHome)
回车状态其实可以看成是“NC走停式定长送料”的标准动作程序。回车过程中，BWS-BBF仍持续侦测并累计进料长度。回车完成之后系统自动进入待机状态，等待下一循环的开始。
四、系统主器件选型注意事项
BEC-BBF追剪系统基本架构中所需的主要组件是（请参考图1系应用之基本图）：
1. 同步伺服或感应伺服电机。
依据系统扭力的需要，包括伺服电机、机械系统自身的惯量、效率、摩擦损耗等因素来选定适当的形式及功率。
一般选择电机时需注意：
1） 低惯量
惯量愈低愈好，否则会损耗许多扭力去克服自身的惯量。
2）适当的额定转速及减速比
选定电机规格时应配合减速机构一并考虑，的匹配是当电机运行于转速时，即是机台切的合理运转速度（考虑机械的承受力，及实际应用上的要求）。尤其是当选用的是感应式异步电机加装编码器的方式搭配时，是要考虑适当的减速比及电机的转速配置；因为一般的异步电机的扭力输出效率大的区间是在额定转速区附近，在较低的转速区扭力输出效率相对较差；故若选择1500rpm的电机，实际上仅运转于约500~600rpm的速度区间，那么就改变减速比，使得电机运转于1100~1400rpm，或改用750rpm的电机来使用，如此才能发挥电机应有的扭力输出效率。
3）若能采用标准伺服电机，则将比使用一般感应式异步电机有好的表现。
2. BWS-BBF驱动器。
依据系统可能的大扭力需要选定的伺服电机的大电流额定来选定。驱动器有回升放电功能，可以外接放电电阻（内含放电回路的机型）或外加煞车制动器再接放电电阻（无放电回路的机型）；详细内容请咨询本公司技术服务咨询人员。
3. 主线速度测量编码器。
依据精度要求及机械参数来选定。
编码器的选定规格需注意：
1）工作电压5V
2）输出部是线驱动（Line Drive），差动式信号，增量型。
3）有A，/A，B，/B的信号。
4）配合测量轮的外径及减速比，测量精度需能合乎裁切精度的要求。若采用1024ppr的编码器，配合圆周为400mm的测量轮，增速比是1的话，其测量精度是(400/1024)*2=0.78mm，可应用于±1mm精度要求的测量，但不适用于±0.8mm以下精度要求的测量。要提高测量精度，则提高编码器精度，或增加增速比，以提高单位长度中的脉波输出量。
4. 人机界面。
可规划适合的操作画面，以便于资料输入，动作切换，系统监视。上述基本组件即可达成BEC-BBF追剪系统直接、经济的操控需求
五、结束语
BWS-BBF系列追剪型伺服配异步电机精度可达2MM以内，速度可达90M/MIN；BWS-BBF系列追剪型伺服配同步永磁电机精度可达1MM以内，速度可达120M/MIN。型伺服在钢管定尺飞锯行业的成功应用具有深远意义，同时具有广阔的发展前景。
1 概述
在工业企业中，电机是应用面广和数量多的电气设备之一。目前，大量交流电机均工作在固定的转速运行，这已愈来愈不能适应生产工艺对于自动化的要求。同时，其运行在低功率因数和低效率的工况下，对电能是大浪费。
由于石化行业的日益激烈的市场竞争,对我厂石油化工产品的型号、质量、数量等提出了新的要求。为了满足这些工艺上要求, 在原驱动电机上，增加变频器系统。这样既可平滑改变物料的输送量,满足了生产工艺的要求，又达到了节能的效果。
在我厂常、常二中采用的变频器系统，既是动力源又是改变工艺参数的执行机构，它取代了原有的执行机构--调节阀，使得介质传输工艺过程控制发生了变革。
2 变频器调速运行时的节能原理
在实际的生产过程中，各类泵的负荷选择都大于生产实际需要的流量，而在实际运行中，所需的流量往往比设计的流量小很多，如果所用的电机不能调速，通常只能通过调节阀门来控制流量，其结果在阀门上会造成很大的能量损耗。如果不用阀门调节，而是让电机调速运行，那么，当需要的流量减小时，电机的转速降低，消耗的能量会明显减小。图1为典型的泵类负载在不同转速时的特性曲线。
图中H(n1),H(n2)表示调速时的Q=f(H)曲线，R1、 R2表示阀门调节时的管路阻力曲线。阀门控制时，由于要减少流量，关小阀门，使阀门的摩擦阻力变大，Q2 →Q1， A→B，HA→HB阀门控制时功率消耗P1由0HBBQ1表示。当调速控制时，Q2→Q1，A→C，HA→HC调速控制时功率消耗P2由0HCCQ1表示，若P1>P2则表示调速时功率消耗小于阀门节流时的功率消耗。
P=rQH 泵的轴功率
Q 流量 H 扬程 r 液体重度
在B点和C点运行时 PB-PC=Q1(HB-HC)r 这部分就是所节约的电能。
对于泵负载，有如下表达式:
Q1/Q2 = n1/n2
H1/H2 = (n1/n2)2
P1/p2 = (n1/n2)3
由上式可知，当转速下降1/2时，流量下降1/2，压力下降1/4，功率下降1/8， 即功率与转速成3 次方的关系下降。如果不用关小阀门的方法，而是把电机的转速降下来，那么随着泵的输出压力的降低，在输送同样流量的情况下，原来消耗在阀门上的功率就可避免。在不装变频器时，泵的出口流量靠出口阀控制调节。流量小时，靠关小阀门调节，增加了泵管压差，使部分能量白白消耗在出口阀门上。使用变频器后，可以降低泵的转速，泵扬程也相应降低，电动机输出功率也降低了，从而了原来消耗在泵出口阀上的管压差。
3 变频器系统的控制方案
我厂的常泵B109和常二中泵B114的电动机功率分别为75kW和55kW，转速2982转/分，额定电压380V，额定电流分别为132A和103A，额定出口流量分别为28.520M3/h和20M3/h。如图2所示。
由图可以看出，在正常工作负荷情况下，电机工作在额定转速2982rpm，转速不可调。为保持流量稳定，采用控制出口阀门的方法进行控制，即差压变送器检测流量信号送至PID调节器, 再由PID调节器输出4-20mA控制信号，控制出口调节阀的开度，从而控制出口流量，保持流量稳定。原系统实际运行中，存在以下问题:
(1) 节流量较大，泵出口阀的节流量已接近泵额定流量的一半，浪费大量的电能。
(2) 控制精度低，出口流量波动较大(约3％)。
(3) 电机工作在额定转速，出力不变消耗电能。
(4) 电机噪音较大，泵和管线阀门压力较大，易造成泄漏。
根据系统的上述工艺要求，我们对变频器系统进行设计时，遵循了以下原则:
a、 保持出口流量稳定;b、 出口流量的控制精度0.5% ;c、电动机的转速范围应在 0～2982转/分;d、根据泵的工作特性，系统设计应按恒转距原则进行;e、节能降耗;f、系统设计采用工频和变频双切换，保证的生产的连续性和性，可以互为备用; g、采用两路DCS输出接点，一路控制原调节阀，一路控制变频器，在变频器故障状态时，DCS能自动识别变频故障信号，然后切换到调节阀调节流量。而当变频器处于正常运行状态时，调节阀处于全开位置;
遵照上述原则，经过调研、比较，我们选择了日本A5P变频器。该变频器具有技术、功能齐全、结构紧凑、性高等特点，专为泵和风机类负载设计。其结构图如图3所示。
FRH:频率设定;ACC/DEC:加/减速控制电路;A/D:模数变换;V/F:压频变换;BD:基驱动电路;CPU:微处理器;LED:显示电路。
变频器的主电路为典型的“交—直—交”SPWM电压型主电路。
变频器的控制电路:频率给定FRH(即速度给定)经过ACC和DED加减速控制电路，变成频率和电压基准信号，分别经过A/D转换电路和V/F函数发生器电路，再进入CPU内，形成SPWM脉冲，成为IGBT的控制信号，驱动IGBT，从而使电压恒定、频率恒定的交流电，经过变频器后，变成了电压和频率可调的交流电。A5P变频器结构图如图3所示。整个控制系统采用微机进行采样、计算、实时控制、事故报警和显示。
4 变频器系统的运行情况
1997年7月，我厂在常泵和常二中泵电机上安装A5P变频器后，运行情况与工频比较，如下所示:
(1) 电机运行参数和节能情况的比较
节电功率=((39.16×0.82×380)-(16.3×0.9×168))×1.73=16846(W)
节电率=((39.16×0.82×380)-(16.3×0.9×158))/(39.16×0.82×380)=79%
节电功率=((44.6×0.8×380)-(20×0.9×121))×1.73=19688 (W)
节电率=((44.6×0.8×380)-(20×0.9×121))/(44.6×0.8×380)=83%
从比较表可以看出,使用变频器后既可满足生产需要,又可大量节能。
(2) 控制精度的比较
在相同的工艺条件下，采用工频和变频运行时，泵的出口流量波动曲线分别如上图4所示。所以泵采用变频调速后，流量控制精度非常高，记录仪记录的曲线为一条非常平稳的记录线。
5 应用效果及经济效益分析
变频器投入运行以来，运行，自动化程度高，节能效果显著，了良好的经济效益。
(1) 工艺控制平稳:由于变频器的调节，调节信号有高速传递性，减少了以前仪表控制带来的滞后现象，从而使系统控制精度提高，压力稳定，产品质量得到了提高。
(2) 节能效果显著:按年8000小时计算，泵114/1年节约电量:节电率×电动机工频功率×工作时间＝79%×21.11千瓦×8000小时＝133415千瓦时 泵109/2年节约电量:节电率×电动机工频功率×工作时间＝83%×23.45千瓦×8000小时 ＝155708千瓦时泵114/1和泵109/2共节约电费:节电量×电价=289123×0.50＝14456 变频器改造费用为15万元，所以只需1年左右，就可收回投资。
(3) 维护量减少:由于出口阀全开，电动机降速运行，使得管网压力下降，减少了工艺设备的泄漏，降低了机泵磨损，降低了电机的温升，设备维护周期延长。由于变频器代替了调节阀，解决了由于调节阀故障高给生产带来的影响，使仪表的维护量减少。
(4) 系统实现了软起动:由于变频器具有软起动功能，减小了对电网的冲击。
6 变频器应用时应注意的问题
(1) 用变频器时一定要满足工艺的要求，在某种特定环境下，老装置的机泵因扬程、流量所限制，变频器不一定适用，且非变工况运行的机泵也不宜采用。不能千篇一律照搬，而应从工艺条件、机泵本身的参数出发而定。
(2) 变频器调速时，需要电气、仪表、工艺、设备各人员密切配合，以保证变频器运行。工程技术人员在安装投用前要对有关人员进行培训。
(3) 大多数生产装置的仪表控制阀大多采用风关阀。采用变频器后，风关改为风开调节，需要注意，以免造成事故。
电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否地工作。由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，功耗小，转化，且体积和重量只有线性电源的20%—30%，故目前它已成为稳压电源的主品。电子设备电气故障的检修，本着从易到难的原则，基本上都是先从电源入手，在确定其电源正常后，再进行其他部位的检修，且电源故障占电子设备电气故障的大多数。故了解开头电源基本工作原理，熟悉其维修技巧和常见故障，有利于缩短电子设备故障维修时间，提高个人设备维护技能。
二．开关电源的组成
开关电源大至由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成，见图1。
1． 主电路
冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。
输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。
整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。
逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的部分。
输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定的直流电源。
2． 控制电路
一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。
3． 检测电路
提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。
4． 辅助电源
实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。
三．开关电源的工作原理
开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关元件以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关无件接通时输入电源Vi通过开关S和滤波电路向负载RL提供能量，当开关S断开时，电路中的储能装置（L1、C2、二管D组成的电路）向负载RL释放在开关接通时所储存的能量，使负载得到连续而稳定的能量。
VO=TON/T*Vi
VO 为负载两端的电压平均值
TON 为开关每次接通的时间
T 为开关通断的工作周期
由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，VO间电压平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便使输出电压VO维持不变。改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”（TimeRationControl,缩写为TRC）。
按TRC控制原理，有三种方式：
1． 脉冲宽度调制（Pul*ithModulation,缩写为PWM）
开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。
2． 脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation,缩写为PFM）
导冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。
3． 混合调制
导冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。
四．开关电源的维修技巧和常见故障
1．维修技巧
开关电源的维修可分为两步进行：
断电情况下，“看、闻、问、量”
看：打开电源的外壳，保险丝是否熔断，再观察电源的内部情况，如果发现电源的PCB板上有烧焦处或元件破裂，则应检查此处元件及相关电路元件。资产管理
闻：闻一下电源内部是否有糊味，是否有烧焦的元器件。
问：问一下电源损坏的经过，是否对电源进行违规操作。
量：没通电前，用万用表量一下高压电容两端的电压先。如果是开关电源不起振或开关管开路引起的故障，则大多数情况下，高压滤波电容两端的电压未泄放悼，此电压有300多伏，需小心。用万用表测量AC电源线两端的正反向电阻及电容器充电情况，电阻值不应过低，否则电源内部可能存在短路。电容器应能充放电。脱开负载，分别测量各组输出端的对地电阻，正常时，表针应有电容器充放电摆动，后指示的应为该路的泄放电阻的阻值。
加电检测
通电后观察电源是否有烧保险及个别元件冒烟等现象，若有要及时切断供电进行检修。
测量高压滤波电容两端有无300伏输出，若无应查整流二管、滤波电容等。
测量高频变压器次级线圈有无输出，若无应查开关管是否损坏，是否起振，保护电路是否动作等，若有则应检查各输出侧的整流二管、滤波电容、三通稳压管等。
如果电源启动一下就停止，则该电源处于保护状态下，可直接测量PWM芯片保护输入脚的电压，如果电压出规定值，则说明电源处于保护状态下，应检查产生保护的原因。
2．常见故障
保险丝熔断
一般情况下，保险丝熔断说明电源的内部线路有问题。由于电源工作在高电压、大电流的状态下，电网电压的波动、浪涌都会引起电源内电流瞬间增大而使保险丝熔断。应检查电源输入端的整流二管，高压滤波电解电容，逆变功率开关管等，检查一下这此元器件有无击穿、开路、损坏等。如果确实是保险丝熔断，应该查看电路板上的各个元件，看这些元件的外表有没有被烧糊，有没有电解液溢出，如果没有发现上述情况，则用万用表测量开关管有无击穿短路。需要特别注意的是：切不可在查出某元件损坏时，换后直接开机，这样很有可能由于其它高压元件仍有故障又将换的元件损坏，一定要对上述电路的所有高压元件进行检查测量后，才能排除保险丝熔断的故障。
无直流电压输出或电压输出不稳定
如果保险丝是完好的，在有负载情况下，各级直流电压无输出。这种情况主要是以下原因造成的：电源中出现开路、短路现象，过压、过流保护电路出现故障，辅助电源故障，振荡电路没有工作，电源负载过重，高频整流滤波电路中整流二管被击穿，滤波电容漏电等。在用万用表测量次级元件，排除了高频整流二管击穿、负载短路的情况后，如果这时输出为零，则可以肯定是电源的控制电路出了故障。若有部分电压输出说明前级电路工作正常，故障出在高频整流滤波电路中。高频滤波电路主要由整流二管及低压滤波电容组成直流电压输出，其中整流二管击穿会使该电路无电压输出，滤波电容漏电会造成输出电压不稳等故障。用万用表静态测量对应元件即可检查出其损坏的元件。例：某一24伏直流电机供电电源通电后无直流24伏输出 ，拆开电源外壳，观察保险丝未烧断且电路板无明显的烧焦处或破裂元件，在未通电情况下量AC输入端阻值和DC输出端阻值正常，量开关管、整流桥、整流管等重要元件正常，故判断不存在内部严重短路的可能，估计保护电路动作。经检查此开关电源采用U3842 PWM控制芯片，经查找相关的资料得知，当U3842芯片的3端电压1伏时，内部电流敏感比较器输出高电平，将PWM锁存器复位使输出关闭。通电测量U3842的3端1伏，6端无输出，经检查相关电路，发现稳压管D2击穿，如图3，故PC1导通，致使U3842的3端为高电平，故6端无输出，开关管不工作，直流侧无直流输出。换同型号稳压管D2，故障解除。
电源负载能力差
电源负载能力差是一个常见的故障，一般都是出现在老式或工作时间长的电源中，主要原因是各元器件老化，开关管的工作不稳定，没有及时进行散热等。应检查稳压二管是否发热漏电，整流二管损坏、高压滤波电容损坏等。例：我厂近红处激光光谱仪（VECTOR 22），开机后无法完成自检并报警且主板指示灯不断闪烁。经检查，供光谱仪主板的直流5V电源仅剩2.3伏左右，脱开5V直流电源的负载，通电再次测量5V直流电源，这时则有5V，初步判断此5V直流电源带载能力差，拆开电源外壳进行检修，由于没有带负载时，通电有直流5V输出，故检查次级线圈侧的输出整流电路，给5伏电源接上负载通电进行测量发现三通稳压7805的1、2脚之间电压为5.2伏，2、3脚之间却剩2.3伏，如图4，故判断三通稳压管7805性能变坏，换三通稳压管7805故障解决。
五．结束语
目前，开关电源以小型、轻量和率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。作为设备维护人员，有必要了解开关电源的基本工作原理，掌握其维修技能，熟悉其常见故障，这样才有利于减少电子设备的维修费用，缩短其故障维修时间，提高自身技能水平。
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