浮法玻璃生产线冷端电动机控制的运用

2019-04-01王振海

玻璃 2019年3期

王振海

（秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司秦皇岛市 066001）

0 引言

浮法玻璃生产线冷端设备主要执行退火后的玻璃带的应力检测、厚度检测、缺陷检测、优化切裁掰断、加速分离、随动掰边、随动纵掰、自动落板、自动喷粉、堆垛装箱等以及完成这些工艺过程的辊道智能输送。

随着低碳环保理念和冷端自动化程度的不断提高，对玻璃要进行各种精确的检测和优化切裁，因此需要冷端辊道运转平稳和高效节能。高效节能电机不仅能够实现辊道的精准控制，减少电动机损耗，提高运行可靠性，延长使用寿命，减少电能消耗，而且可以直接带来具大的环保效益。

1 异步电机、同步电机和伺服电机的比较

1.1 工作原理

1.1.1 异步电机

异步电机三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势并产生旋转磁场，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，电机的转速小于旋转磁场的转速，从而叫异步电机。工作特性如图1所示。

图1 异步电机工作特性

1.1.2 同步电机

同步电机是转子本身产生固定方向的磁场（永磁铁或直流电流产生），定子旋转磁场“拖着”转子磁场转动，因此，转子的转速一定等于同步转速, 工作特性如图2所示。

图2 同步电机工作特性

1.1.3 伺服电机

伺服电机分为交流伺服电机和直流伺服电机，目前常用交流伺服电机。其工作原理是定子的构造基本上与电容分相式单相异步电机相似，其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。交流伺服电机的转子通常做成鼠笼式，以达到伺服电机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，如图3所示。

图3 伺服电动机工作特性

1.2 启动方式

异步电机启动是在三角形或星形连接的三相对称定子绕组上通三相对称交流电，产生旋转磁场，磁场线切割转子绕组，使转子旋转起来，转子输出机械能量，带动机械负载旋转起来。启动方式有：直接启动、自偶降压启动、Y-D降压启动、转子串电阻启动、软启动器、变频器。

同步电机起动通常有两种方式：一是先投励，同步启动；另一种是异步启动，后顺极性投励。同步电机靠异性磁极间的磁力拖动，启动方式包括：软启动器和变频器。

交流伺服电机定子内产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电机驱动控制对象，被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性改变时，电机的转动速度和方向也跟着变化。

2 同步电机、异步电机和伺服电机的实际应用及电气控制上的优势

为了满足浮法玻璃生产线按等级和按规格分类取板的要求，冷端传统的模拟量控制方式已无法保证冷端工艺定位精确的要求。建立网络化全数字冷端控制系统，传动辊道均采用伺服控制器控制传动和变频器传动，根据各段辊道功能特点，在满足使用和工艺生产的前提下经济、合理地配置传动方案。

2.1 拉引段

拉引段的辊道速度是通过装在退火窑末辊的编码器采集，所以会跟随退火窑的速度变化而变化，玻璃从退火窑辊道输送到拉引段辊道后，玻璃压在辊道胶圈上，使胶圈产生变形，而且随着退火后玻璃的温度和板厚度的不同，胶圈产生的变形量也不同，因此辊道与玻璃的线速度会产生偏差，根据同步电机和异步电机的特点，拉引段目前大部分采用独立的传动控制方式，电机选用同步电机，控制上选用变频器传动，根据需要通过调整变频器斜坡参数来改变电动机的加/减速时间，通过变频器的软启动和软关闭，能减低启动电流，保证电机启动电流是额定电流的1.5～2倍。变频器传动单元采用现场总线方式以PROFIBUSDP网络联结，通过总线连接变频器时时监控电动机的电流、电压及转速，以实现对其速度的精确控制，避免拉引段与主传动速度不一致带来辊道线速度与玻璃带速度不匹配产生跳齿和变频器过流保护致使辊道停转等问题

2.2 加速分离

加速分离辊道是浮法玻璃生产线冷端的重要输送设备，其作用是将横向掰断的玻璃板瞬间提速输送，与下一块未掰断的玻璃板之间拉开一定距离，为了满足自动掰边、自动落板和堆垛设备等工艺设备的操作时间，横掰加速辊道曲线见图4。

图4 横掰加速辊道曲线

由于加速分离辊道的加速和协调特殊功能，因此对其配置电机提出更高的要求。根据不同的机械结构，传动装置不同，计算公式不同，除了抗过载能力强和速度匹配以外，还需负载力矩和负载惯量的匹配，拉引段采用伺服电机。

控制上采用伺服控制器，交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、数模混合式的发展后，进入了全数字的智能化时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等，还充分发挥数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，伺服驱动器采用数字信号处理器作为控制核心和使用智能控制功率模块，可以实现比较复杂的控制算法，数字化、网络化和智能化，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，可以实现报警数据的记录，通过PROFIBUS-DP总线连接可以读取电压、电流和报警等信息实时反映到上位机界面，利于工作人员对电机进行监控和及时维护。

2.3 掰边装置

掰边传动是影响浮法玻璃生产成品率和外观质量的关键设备之一，掰边传动处辊道有时由于两侧速度不同步，造成玻璃板与输送辊道之间有相对运动，使玻璃发生板偏和板移现象，直接影响玻璃的输送和堆垛机处的定位及正位，甚至造成玻璃表面擦伤。形成原因：传动系统本身、输送辊道和传动安装、传动电机的选择及电气控制的方式。因此，减少传动环节，以降低出现失步的机率，尽量采用与辊子间距及安装精度要求不高的传动机构。根据同步电机的工作原理和特性，采用同步电机。

控制上采用变频器控制，可以采用一个功率大的变频器一拖二的方式控制两侧同步电机，也可以采用两台变频器一对一控制，不过使两台电机保持同步只能在理想情况下实现，实际上无法做到两台电机的转速完全一致，即使是同一频率电源，两台电机的转速也不完全一致，另外两侧设备安装的松紧、齿轮啮合的不一致和后期设备运转磨损的不一致也导致不能同步，所以目前常采用两台变频器来分别驱动两台电机，通过外接编码器采用电机真实转速反馈，两台变频器之间相互通讯，并设置成同步运行模式。即使在后期由于设备磨损造成的转速不一致，也可以通过调整变频器内部参数和PLC程序达到速度的基本一致，满足生产的需要。

2.4 堆垛

玻璃市场对大板、厚板的需求旺盛，为了节能降耗，企业开始选购堆垛机、机械手替代人工堆垛，水平堆垛机、随动水平堆垛、机械手堆垛技术广泛应用并通过实践证明能够满足生产线的工艺要求，这样就要求电动机传动的稳定和电气控制上对玻璃的精确定位。堆垛辊道速度频繁变化，且要求精准，在满足工艺生产要求下并能提高可靠性、维护成本低、经济性能好、提高性价比的情况下，设计时堆垛机下的辊道传动选用伺服电机，机械手下的辊道传动选用变频电机。

控制上采用PLC程序与伺服控制器相配合的速度模式与位置模式的闭环控制，堆垛取片辊道速度变化曲线见图5。

图5 取片辊道速度变化曲线

伺服电机控制过程为：恒速、低速趋近定位点和升速，整个过程都是位置闭环控制，减速和低速趋近定位点这两个过程对玻璃的定位精度有很重要的影响，完善伺服控制器参数设置，伺服控制器与电机进行精准匹配，一般需要和负载连接，使用自适应匹配或者编程人员手动调节，通过精准的调节实现快速移动，最大程度地降低海绵状运动，同时可以降低过调或定位完成后的振动，并可通过人机界面，实现工艺参数调整，达到玻璃的精准定位。