MM440變頻器在錦綸生產線上的應用設計

王永輝 王曉偉

(1.三門峽職業技術學院， 河南 三門峽 472000；2.河南中原黃金冶煉廠有限責任公司， 河南 三門峽 472100)

0 前言

錦綸用途較為廣泛，是合成纖維的主要品種之一，錦綸纖維一般采用熔體法紡絲。隨著紡絲工藝技術和機器制造技術水平日益提高，紡絲設備的技術性能也在不斷發展，紡絲設備除向高速發展外，還在向高度自動化和工序連續化方向發展，因此，對于錦綸生產線的電氣控制提出了更高的要求。

本文主要是對某公司錦綸生產線電氣控制部分進行設計,既要滿足穩定自動生產要求，還要生產速度可調節以滿足不同類型的成品生產要求。從安全和自動化程度方面來考慮，電氣控制系統通過西門子公司的S7- 200系列PLC來實現，調速系統選用西門子MM440變頻器。

1 錦綸生產工藝流程

錦綸生產的工藝流程如圖1所示，其中有電機驅動的三部分是螺桿擠壓機、計量泵和上油裝置中的油劑泵。

2 錦綸生產線的電氣控制設計

2.1 主電路的設計

本次設計的錦綸生產線主電路如圖2所示，共有3臺變頻器來驅動電機，均選用西門子MM440變頻器，這3臺變頻器由西門子S7- 200PLC進行集中控制。電動機1為螺桿擠壓機電機(功率為132 kW)，由變頻器1來實現變頻調速；電動機2-17為油劑泵電機，這16臺電機的額定功率都是0.37 kW，由變頻器2進行變頻調速；電動機18-33為計量泵電機，這16臺電機的額定功率都是1.5 kW，由變頻器3進行變頻調速。電機參數見表1。

1)每個計量泵對應一個油劑泵，油劑泵電機和計量泵電機在運行過程中要實現單方向的鎖定，油劑泵電機必須先于計量泵電機運行，并且在停車時計量泵電機先于油劑泵電機停下來，在計量泵電機沒有停下來之前油劑泵電機是不能停下來的。

2)利用PLC對變頻器和每臺電機分別進行控制，其中任何一臺計量泵電機或油劑泵電機出現故障對其他的計量泵電機或油劑泵電機的工作都不會造成影響，這樣又實現了分步的控制。

3)同時也設計了自動運行部分和手動部分。設計的電路利用高級操作面板(AOP)，通過RS485接口進行通信，顯示速度、頻率、電動機方向和電流值等，實現變頻器運行參數的采集。

圖1 錦綸的生產工藝流程

圖2 錦綸生產線主電路圖

表1 錦綸生產線上的電機參數

2.2 PLC的應用

本次設計選用西門子S7- 200PLC系列，由于設計了自動和手動控制，則共需要的輸入、輸出點數為73個，其中37個輸入點，36個輸出點。這里選用CPU 226 PLC再對其進行擴展，擴展模塊用到了3個EM221和3個EM222，EM221是8點DC輸入，EM222是8點AC輸出。

2.2.1 控制電路

PLC控制系統電路如圖3所示。

1)Q1為螺桿擠壓機的光電傳感器。由于螺桿擠壓機不允許在空載狀態下運行，當沒有原料時，光電傳感器就會動作使設備停止運行，SB1為自動運行開按鈕，SB2為自動運行的停止按鈕。

2)Q2為螺桿擠壓機的自動檢測傳感器。當檢測到螺桿擠壓機部分有故障時，就會自動進入故障處理，在排除故障后就自動恢復工作。

3)Q3-Q18分別為16臺計量泵部分和油劑泵部分的自動檢測傳感器。工作原理與Q2相同，這樣可以保證1臺計量泵部分和油劑泵部分出現故障不會對整個生產造成影響。其中手動部分只用來調試時使用。

4)?表示控制電路中的指示燈。指示燈的亮、滅表示該部分的工作狀態。在控制電路中16臺油劑泵的控制部分都相同，所以中間剩去了一部分沒有顯出來；16臺計量泵也是一樣。

圖3 PLC控制系統電路圖

2.2.2 PLC的端子接線

對于PLC的端子接線，本文只列出了PLC的擴展模塊的端子接線(圖4)，226模塊的接線圖和PLC的程序限于篇幅原因不再列出。

圖4 PLC擴展模塊的端子接線圖

2.3 通用變頻器的應用

由于錦綸生產設備運行實現的是恒轉矩，因此選擇了MM4系列通用變頻器中的MM440變頻器。MM440矢量控制型通用變頻器是MM4系列通用變頻器中的高性能機型，適應多種應用場合。

2.3.1 變頻器的接線方式

MM440通用變頻器的接線方式如圖5所示。

2.3.2 變頻器的選擇

變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇和容量選擇，選擇原則是：功能特性能保證可靠地實現工藝要求和有較好的性能價格比[1-3]。當1臺變頻器驅動多臺電機且多電動機并聯運行時，電機加速時間在1 min以內，此時變頻器容量和額定電流需要滿足以下條件[4]：

(1)

(2)

式中：PCN——變頻器容量，kW;

ICN——變頻器的額定電流，A；

PCN1——連續容量,kW;

PM——負載要求的電機的軸輸出功率，kW;

k——電流波形的修正系數，取1；

η——電機效率，通常約為0.85；

cosφ——電機功率因數，通常約為0.75；

nT——并聯的電機臺數；

nS——同時起動的電機臺數；

KS——電機起動電流/額定電流，A；

IM——電機額定電流，A。

圖5 電動機、電源及變頻器的典型電氣接線方式

結合16臺計量泵電動機和16臺油劑泵電動機的參數(表1)，根據式(1)和式(2)進行計算，計量泵變頻器的容量≥91.7 kW、額定電流≥142.2 A，油劑泵變頻器的容量≥10.6 kW、額定電流≥21.0 A。式中IM是按電動機實際運行中的最大電流計算，變頻器的容量可以適當縮小，計量泵和油劑泵的變頻器的選擇見表2。

表2 計量泵和油劑泵的變頻器的型號參數

3 經濟效益

錦綸生產線的電氣控制設計中硬件的設計主要考慮安全性和價格成本，根據輸入/輸出斷口多少來選擇用什么擴展模塊，并且剩余幾個輸入和輸出端口以便今后的技術改造。PLC的程序設計控制變頻器的數字輸入端采用了順序控制指令，這樣使出現的問題更易查找、設計，并且程序的通用性比較好，對于多項相類似控制設計有利。系統在運行以來，經濟效果顯著，一年可節電60萬度，以每度電0.6元計算，可節約電費36萬元，達到了設計效果。

4 結束語

錦綸生產線系統最重要的就是要保證生產線各單元的傳動同步穩定運行，以保證轉矩恒定不能將錦綸絲拉的過細甚至拉斷，所以對調速系統也要求很高。本文采用PLC和變頻器組成的控制系統，使錦綸生產線的運行更可靠穩定，且易于操作和改造，可以實現大范圍內的高效連續調速控制，實現速度的精確控制[5-6]，實現電動機的正反轉切換，可以進行高精度的起停運轉，可以進行電氣制動，可以對電動機進行高速驅動[7-8]。同時，電機在帶動較大負載在啟動時，采用變頻器可以實現軟啟動，減小沖擊電流，解決了大負載的啟動問題。