西门子模块6ES7321-1CH20-0AA0型号介绍

西门子模块6ES7321-1CH20-0AA0型号介绍

二、凹印机张力控制的类型、检测方式及应用

1.张力控制的主要类型和特点

张力控制是指能够持久地控制料带在设备上输送时的张力的能力。这种控制对机器的任何运行速度都必须保持有效，包括机器的加速、减速和匀速。即使在紧急停车情况下，它也有能力保证料带不产生丝毫破损。凹印机张力控制基本手动张力控制，开环式半自动张力控制和闭环式全自动张力控制三大类。手动张力控制就是在收卷或放卷过程中，当卷径变化到某一阶段，由操作者调节手动电源装置，从而达到控制张力的目的。不过现代凹印机手动张力控制系统已基本被淘汰，而仅仅作为闭环式全自动张力控制系统中的一种操作模式存在。开环式半自动张力控制又称卷径检测式张力控制，它是用安装在卷轴处的接近开关、出卷轴的转速，并通过所设定的卷轴直径初始值和材料厚度，累积计算求得收卷或放卷筒当前的直径，相应卷径的变化输出控制信号，以控制收卷转矩或放卷制动转矩，从而调整料带的张力。因为卷轴每转一圈，卷径会发生2倍于料带厚度的变化。此种张力控制不受外界剌激的影响，能实行稳定的张力控制。但是，由于受传动装置的转矩变化、线性变化和机械损耗等因素影响，这种张力控制的**精度较差。闭环式全自动张力控制是由张力传感器直接测定料带的实际张力值，然后把张力数据转换成张力信号反馈回张力控制器，通过此信号与控制器预先设定的张力值对比，计算出控制信号，自动控制执行单元则使实际张力值与预设张力值相等，以达到张力稳定目的。它是目前较为先进的张力控制方法。另外，在我国制造和销售的中、高档印刷机张力控制系统中，由于更高的印刷速度及生产工艺对张力控制提出了更高的要求，使得磁粉离合器已不能胜任该类系统的执行单元。因此在现代凹印机、高速分切机、高速涂布复合机中已被交、直流伺服电机执行单元所取代，实现了更加先进的张力伺服控制。

如果你的机器需要非常精确的张力控制，你必须采用闭环式全自动张力控制。其中一个很重要的环节就是如何合理地选择张力检测方式。目前，张力检测方式基本三种：   

①张力传感器(load cell)测方式：它是对张力直接进行检测，与机械紧密地结合在一起，没有移动部件的检测方式。通常两个传感器配对使用，将它们装在检测导辊两侧的端轴上(如图1所示(详见杂志))。料带通过检测导辊施加负载，使张力传感器敏感元件产生位移或变形，从而出实际张力值，并将此张力数据转换成张力信号反馈给张力控制器。较终实现张力闭环控制。市场上弹力传感器的类型较多，经常采用的有板簧式微位移张力传感器(如日本三菱LX-TD型)，应变电阻片张力传感器(如美国蒙特福T系列)和压磁式张力传感器(如中国ABB枕式系列)等等。其优点是范围宽，响应速度快，线性好。缺点是不能吸收张力的峰值，机械的加减速难以处理，不实现高速切换卷等。因此，当处于平衡状态的张力控制系统受到较强的干扰时，系统瞬间来不及作出反应，料带上张力变化的幅度值会较大，对张力控制尽快重新进入平衡状态不利。

： PLC作为传统继电器的替代产品，可以用软件来变控制过程，同时又具有体积小、功能强、速度快、可靠性高，以及很大的灵活性和可扩展性，现以广泛应用于机械制造、冶金、化工、电子、纺织、印刷等工业控制的各个领域。

2.数值信号的输入

变频器中也存在一些数值型(如频率、电压等)指令信号的输入，可分为模拟输入和模拟输出两种。模拟输入则通过接线端子由外部给定，通常通过0~10V/5V的电压信号或0/4~20mA的电流信号输入。由于接口电路因输入信号而异，因此必须根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。

当变频器和PLC的电压信号范围不同时，如变频器的输入信号为0~10V，而PLC的输出电压信号范围为0~5V时;或PLC的一侧的输出信号电压范围为0~10V而变频器的输入电压信号范围为0~5V时，由于变频器和晶体管的允许电压、电流等因素的限制，需要用并、串联的方式接入电阻，以次来限制电流或分去部分电压，以保证进行开闭时不**过PLC和变频器相应的容量。

此外，在连线时还应注意将控制电路和主电路分开，控制电路较好采用屏蔽线，保证主电路一侧的噪音不传到控制电路。

变频器通过接线端子向外部输出相应的监测模拟信号，如输出电压、转速等。信号的范围为0~10V的直流电压信号。根据用户的需要可以连接电压表或转速表，来显示变频器在运行时输出的电压或转速，但无论哪种情况，都应注意：PLC一侧的输入阻抗的大小要保证电路中电压和电流不**过电路的允许值，以保系统的可靠性和减少误差。

另外，在使用PLC进行顺序控制时，由于进行数据处理需要时间，以及程序编写时排列的顺序不同和指令的使用不同等都会导致系统在运行时存在一定的时间延迟，故在较精确的控制时应予以考虑以上因素。

2) 监控和操作
    采用高压变频调速系统对除尘风机进行高压变频改造的具体实现过程如下:变频器操作可以在本机控制，也可以远程操作。变频器包括一台内置的PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号(如RS-485)的协调，并且可以根据用户的需要扩展控制开关量，增强了系统的灵活性。变频器也可由控制室的上位机或操作台进行操作，出铁时，变频器高速运行，不出铁时，变频器低速运行(甚至不运行)。可以根据工况需要自由设定，完全可以满足工艺要求。
(3) 可以通过上位机进行远程监控，一方面便于用户随时了解设备运行情况，另一方面，也有利于设备的远程诊断和维护，故障问题可以及时得到解决。
(4) 变频器技术指标
输入电压     三相交流有效值6.0kV±10％
输入频率     50±5Hz
输出电压     三相正弦波电压0~6kV
输出频率     0~50Hz
频率分辨率   0.01Hz
加速时间     可按工艺要求设定
减速时间    可按工艺要求设定
频率设定方式       高低两级速度,可在0~50Hz范围内调整
故障诊断及检测 自动检测，自动定位
网侧功率因数       0.95(高速时)
过载保护     120％lmin(每10min),150％立即保护
防护等级     IP20
环境温度     0~40℃
环境湿度 ,无凝结
海拔高度    1000m以下

3  高压变频调速系统原理
    HARSVERT系列高压变频调速系统采用直接“高-高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，总体谐波畸变THD小于4%，可满足IEEE519-1992的谐波抑制标准;输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置;输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，其工作原理如下:
(1) 电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直交PWM电压源型逆变结构，相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。高压变频调速系统每相由7个功率单元串联而成，输出相电压较高可达3500V，线电压达6kV左右，每个功率单元承受全部的电机电流，但只提供1/7相电压和1/21的输出功率。
(2) 每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。给功率单元供电的二次绕组每3个一组，分为7个不同的相位组。输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真小于1%，输入的综合功率因数可达0.95以上。
(3) 逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定的电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波，每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt很小，功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，提率，由于采用移相式PWM，电机电压的等效开关频率大大提高，且输出电平数增加。以6kV输出电压等级的高压变频调速系统为例，输出相电压均为11电平，线电压均为21电平，输出等效开关频率为6kHz，电平数和等效开关频率的增加有利于改善输出波形，降低输出谐波，由谐波引起的电机发热、噪音和转矩脉动都大大降低，因此对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机

同原来老高炉除尘风机比较，引进北京利德华福电气技术有限公司生产的高压变频器有以下优点:
(1) 运行稳定，。2003年11月正式投产以来至今，连续无故障运行一年多，为750高炉生产提供了强有力的**。HARSVERT-A变频器具有免维护的特点，只需定期更换柜门上的通风滤网，不用停机，保证了生产的连续性。
(2) 节能效果显著，大大降低了电耗。
(3) 电动机实现了真正的软启动、软停运，变频器提供给电机的无谐波干扰的正弦波电流，降低了电机的故障次数。同时，变频器设置共振点跳转频率，避免了风机长期在共振点运行，使风机工作平稳，风机轴承磨损减少，延长了电机、风机的使用寿命和维修周期，提高了风机的利用率。
(4) 变频器自身保护功能完善，同原来继电保护比较，保护功能更多，更灵敏，大大加强了对电机的保护。
(5) 变频器同现场信号的无缝接口，满足生产的需要。变频器内置PLC，现场信号接入灵活。变频器自带转速和电流测定，可以为现场直接提供电机转速及电流指示。
(6) 适应电网电压波动能力强，有时电网电压高达6.6kV，变频器仍能正常运行。

5  节能分析

5.1 节能原理
当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变风机的性能曲线，使风机的额定参数满足工艺要求，根据风机的相似定律，变速前后风量、压力、功率与转速之间关系为:
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=(n1/n2)2
P1/P2=(n1/n2)3
Q1、H1、P1—风机在n1转速时的风量、压力、功率;
Q2、H2、P2—风机在n2转速时相似工况条件下的风量、压力、功率。
    如转速降低一半，即:n2/n1=1/2，则P2/P1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。
    当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为0.96，工作电流比电机额定电流值要低许多，电流降为52A。由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电网节约容量20%左右。
(3) 节能计算
    根据变频器的运行记录，统计风机在一天中高低速度段的运行时间(风机高速运行时间占40%)，全年工作时制按8600h计算,得到如下运行数据:
P高速=1.732×6×52×0.96×8600×40%=178.4
P原来=1.732×6×82.9×0.8×8600=592.7
年节电率:(P原来-P高速)÷P原来=69.8%

6  应用高压变频调速系统产生的其他效果

(1) 改善了工艺
    投入变频器运行后除尘风机可以非常平滑稳定的调整风量，运行人员可以自如的调控，除尘风机运行参数得到了改善，提高了效率。
(2) 延长电机和风机的使用寿命
    一般除尘风机均为离心式风机，启动时间长，启动电流大(约6～8倍额定电流)，对电机和风机的机械冲击力很大，严重影响其使用寿命。而采用变频调速后，可以实现软起动和软停车，对电机几乎不产生冲击，可大大延长机械的使用寿命。
(3) 减少磨损
    减少阀门机械和风机叶轮的磨损。减少了风机振动和轴承磨损。延长风机的大修周期，节省检修费用和时间。
(4) 减少了维护费用和检修工作量
    原除尘风机在运行过程中，经常造成风机和电机的损坏，维护工作量大，检修费用高。自改变频调节后保证了风机在正常范围内运行。
(5) 便于实现除尘控制系统自动化。
    除尘系统的风量经常需要根据工艺的要求变化，在过去用挡板调节时，存在执行机构的开度与流量的关系曲线的线性问题。往往由于执行机构的磨损量过大，阀门特性发生变化，出现非线性问题，致使调节过程失误，自动控制系统无法正常工作。而变频调速始终保持在0.1～0.01Hz的高精度范围内工作，为实现除尘系统的自动化创造优越条件。

7  结束语

HARSVERT-A系列高压变频器在重钢炼铁厂750高炉除尘风机的调速改造中应用是相当成功的。该系列变频器的先进性、可靠性已得到许多工业应用的证实。在各行各业，对于许多高压大功率的辅机设备推广和采用高压变频调速技术，不仅可以取得相当显著的节能效果，而且也得到国家产业政策的支持。

一、系统现状

1 系统概述

    一汽集团车身厂油漆线是一条承担汽车车身表面的磷化处理、电泳浸漆及面漆喷涂等工艺的生产线。油漆线推杆悬链输送系统在整个生产工艺当中完成各工艺间工件的传递输送任务。它共包括四条链、四条快速链、九台升降机及一条地面链，其中1#、2#、3#、7#链为工艺链，此外滑差电机进行调速，四条工艺链要求同步运行，即保证各工艺链之间主副推爪的空间相对位置保持一致，以确保各工艺链间工件顺利传递。 
    此系统是一个典型的位置随动系统，其中2#链是主链，1#、3#、7#链是从链，从链跟随主链运行，由速度反馈及位置反馈构成一个速度内环位置外环的双闭环控制系统。
 
2 存在问题

    本系统85年从英国HADEN公司引进，安装调试后投入运行，十多年来虽然出现几次故障，但是从系统总的运行情况来看还比较稳定。从97年末开始，由于产品换型，工件体积变大，重量增加，加上与之相配套的吊具的改造，使悬链的整体负荷比原来增大一倍还多，为此对悬链及驱动站进行了改造，提高了滑差电机的功率，滑差电机与减速器之间的传动也由原来的齿形皮带改成无声链条来增加传输力矩，但是因此也给滑差电机调速系统带来了致命的、无法的问题。滑差电机的传动齿轮与无声链条在高速旋转的情况下进行啮合，大量的铁屑被磨损下来，并被吸入磁性很强的电枢与磁较之间，由于电枢是靠涡生磁场，它本身又是一个发热体，因此被吸入的铁屑与空气中的灰尘油污在高温的作用下很快就粘结在电枢与磁较上，把电枢与磁较粘死而不能调速，主从链的同步缩写状态被破坏，发生工件传递故障，使系统不能正常工作。

二、改造方案

1 整体改造方案的确定 

    针对上述问题，对其产生的原因进行全面认真的分析，曾采用各种方法来解决，例如用洗油浸润，再用压缩空气吹洗，虽然使用问题得到一定缓解，但始终没有从根本上解决问题，最后经研究决定对这套系统进行彻底的改造，放弃传统的滑差电机调速方式，改用变频器调速，与自整角机及测速发电机一起构成双闭环位置随动系统。
 
2 系统构成

    改造后的位置随动系统由交流电动机、变频器、自整角机、相敏放大器、测速发电机及PI调节器构成。

（图中只画出了1#、2#链，3#、7#链省略）。
3 控制信号参数的选定
(1) 位置反馈信号 
    位置反馈信号由自整角机输出，自整角机给出的位置偏差信号是正比于偏差角正弦的交流电压，相敏放大器把正比于偏差角的正弦交流电压转换成能反映位置偏差极性（正反相位）的正负直流电压，电压变化范围为-10V ~ 0 ~ +10V。 
(2) 速度反馈信号 
    速度反馈采用交流测速发电机经整流、滤波取得，其输出值调整为0 ~ 10V。
 
(3) 变频器频率控制信号 
    变频器输出频率的设定一般分为盘面按键设定及控制端子外部模拟量设定，模拟量设定又分为0 ~ 5V、0 ~ 10V、4 ~ 20mA几种方式，我们选用的是日本富士FRN7.5G9S-4CE变频器，这里采用模拟量0 ~ 10V进行设定。
 
4 PI调节器

    根据生产工艺对系统运行时稳态精度及跟随能力的要求，系统调节器由给定积分、位置调节及速度调节器构成一个二阶系统，其中位置调节器为比例调节器，速度调节器为比例积分调节器。
 
5 变频器多级频率的设定

    本系统运行方式分为自动运行及手动运行，两种方式的速度要求不同，**频频率定为自动运行频率，采用模拟量控制，*二频率为手动运行频率，由盘面按键设定。 

6 变频器**加减速及*二加减速时间的设定

    系统在启动及停止时要求平稳无冲击，即设备起车及停车时加减速有一段斜坡时间，原控制系统专门设计一个斜坡发生器，来实现这一功能。而采用变频器调速后其速度变化本身就有加减速时间，完全可以满足系统加减速时的要求。
 
    另外，考虑到主链及从链对系统的稳定性以及跟随能力的要求不同，即对于主链来说要求抗扰能力强、稳定性好，而对于从链则要求其跟随能力强、快速性好。所以在系统启动后正常运行时，其频率变化加减速时间的设定与系统启、停时加减速时间不同。本系统将设备启、停时的加减速时间定为**加减速时间，正常运行时速度变化的加减速时间定为*二加减速时间。
 
三、系统调试

1 系统调节的快速性

    悬链系统在运行时，由于扰动的作用，每条悬链的速度随时都在发生变化，虽然有速度反馈环节来稳定速度的变化，但当突加扰动量较大时，可能造成主从链相对位置偏差变大，而系统要求主从链出现位置偏差时控制系统能够进行快速调节，使偏差尽快趋于零。在直流调速系统中，从理论上讲可以采取增大放大器线性工作区来提高系统的快速性，但是实际上做起来有很多困难，而采用变频器调速却很做到这一点。在调试过程中，可根据系统运行情况，适当提高从链变频器[较高频率]设定范围，当受控模拟量信号有较小变化时，变频器输出频率就有较大响应，从而提高了系统调节的快速性。

2 高次谐波干扰问题

    富士FRN7.5G9S-4CE变频器采用PWM脉宽调制 方式进行调频，其载波频率约在2kHz ~ 10kHz左右，如此高的开关频率产生的高次谐波将严重干扰其他电子设备的正常运行，其干扰对设备影响较大的是感应干扰和辐射干扰。在设备安装中我们单独采用铁管对变频器与电机间的配线进行屏蔽，了高次谐波对PLC主控制系统的干扰。但是在运行中我们还是发现主控室里来自现场八个摄像头传送来的监控画面不同程度地受到影响，针对这种情况，我们对变频器载波频率的控制选项进行调整，降低了载波频率，使监控画面完全了干扰。

四、改造效果

    从87年开始，我们就陆续采用变频器对厂内的设备进行变频调速的改造工作，但是将变频器用于位置跟随系统还是**此，实践明这项改造是成功的，主要表现在以下几个方面。 

1 系统的稳定性

    采用变频器改造后，使系统完全了因滑差电机电枢与磁较间粘结而引起链速忽快忽慢的现象，系统的稳定性大大提高。
 
2 系统的动态听诊能力及同步调整精度

    改造后系统的动态调整能力及同步调正精度与原系统相比也大大提高，原系统在主从链空间位置相差半个节距时调节时间需30 ~ 40秒，改造后调节时间小于10秒。其同步调整精度在正常情况下可保证主从链之间相对同步偏差不大于3度，折算成长度偏差不大于30mm，非正常传递故障完全杜绝。
 
3 直接经济效益

    改造后取消了滑差电机及调速控制板等国外备件，仅滑差电机每年就需订购3 ~ 4台备件（98年更换4台），一台滑差电机8万多元，这样每年可直接节省维修费用30多万元。
 
    随着变频器性能的不断发展和完善，变频器的应用也越来越广泛，我厂工艺链变频调速系统的改造是诸多成功应用实例中的一例，希望我们的工作能够对国内**有一些启示和帮助，为推广变频器的应用起到一定的促进作用。