小料称量系统的电气分析与故障诊断

2023-12-12苏州工业职业技术学院王熙雏张淑红

内江科技 2023年11期

◇苏州工业职业技术学院王熙雏张淑红

本文论述了一种混料机的小料称量系统的称量原理，并给出其控制结构框图，阐述了其控制过程。同时着重对系统电气部分进行分析，并归纳了电气部分出现的一些常见故障，为维保人员能够准确分析和判定故障提供参考。

PVC型材生产中，称量配料一般分为小料称量和主料称量，相对来讲，小料所占配比小，对称量精度要求较高，且主料称量的工作原理与小料称量相似，故本文主要介绍小料称量系统，小料称量系统是一个闭环控制系统，由电气部分和机械部分组成。本文将对小料称量系统的工作原理、控制系统结构框图进行定性分析，并着重研究系统中的电气部分，总结出有关故障诊断信息，供现场维保参考。

1 小料称量系统

1.1 称量原理

小料称量装置主要由电动机、小料仓、计量螺杆、传感元件、秤体等组成，如图1所示，称量具体流程是：当打开盖子后，开始倒料，光电开关感应到信号并反馈给PLC；同时启动振动电动机，防止过滤筛架料，料斗也很重要，主要起过渡作用，防止架料和挂壁，促使小料顺畅流动；抽板阀正常时打开，故障维修时手动关闭；开始称量时，上面的下料阀打开，调速电机由变频器控制速度，并通过减速箱驱动计量螺杆输料到秤体；秤体上面和下料阀下面都使用布袋软连接，这是为了防止外部因素的影响，减小冲击，提高称量精度。

图1 小料称量系统原理图

小料称量过程中，秤体中有振动器，高速称量时，振动器工作，防止小料挂壁粘连和架桥，低速称量时，小料份量极少，振动器不工作，防止影响秤体。另外，PLC控制整个称量过程，当任一环节出错，系统停止工作并且报警。

1.2 称量系统结构框图

小料称量系统是一个闭环控制系统，对小料称量系统的控制过程进行分析，得出其结构框图，如图2所示。PC机和PLC预先输入给定信号，如配方、速度等，启动系统后将产生相应输出，PLC比较各种信号后驱动变频器，将电流信号变换成频率（电压）信号，从而驱动执行单元工作，下料到秤体，秤体输出小料质量G再通过测量单元反馈到输入端，若有偏差，系统就会自动纠正，因而提高系统控制精度。

图2 小料称量系统结构框图

2 电气分析与故障诊断

由结构框图可知称量系统分为机械部分和电气部分，系统运行的质量由电气部分控制，故障诊断信息也由电气部分提供，可见电气部分在自动化称量过程中起到核心作用。小料称量系统的电气部分由PLC、变频器、电机、传感器、A/D转换器等组成。现对小料称量系统的电气部分进行分析并归纳出故障诊断信息。

2.1 调速部分

PLC将人为设定好的频率参数，转化为4-20mA的电流信号，从而驱动变频器输出相应的电源来控制电机的运转，电机带动螺杆按照想要的速度动作，完成下料。由此可见，PLC、变频器、调速电机实现了变频调速的功能，构成了称量系统的调速部分。

（1）调速控制构成。考虑到经济性和紧凑性，通常是由一个变频器根据程序设定先后驱动5-6个电机。在异步电动机确定后，系统通常会根据电动机的额定电流来选择变频器或者根据电动机实际运行中的最大电流值来选择变频器。本系统采用的是丹佛斯5001/2805变频器，此变频器控制精度高、使用方便、反应迅速，既满足系统需要又经济合理。

由于系统要求的动态性能不高，系统调速控制采用的是比较简单的开环u/f控制，u/f控制使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，通常使u/f保持常数，这样可以使电动机磁通保持一定，从而电动机的转矩、效率、功率因素在较宽的调速范围内保持不降。图3给出的是u/f控制的构成简图。

图3 u/f控制的构成

图3所示的为采用PWM变频器的控制情况，除电压模式发生部分外，还有加减速时间给定时的倾斜信号发生部分和防止过电流、过电压的加减速抑制部分。

（2）调速部分故障诊断。丹佛斯5001/2805变频器有信息显示屏，当与变频器相关部分发生电气故障时，可通过分析显示屏上出现的信息来排除故障。根据相关技术资料与现场使用经验，现对常见故障报警信息和维修对策进行分析，如表1所示。

2.2 测量部分

如图2所示，测量部分是实现反馈的通道，它由传感器和A/D转换器组成，传感器把输出量G转换成电压U，再通过A/D转换，将模拟量U变换成数字量反馈给PLC，因此选择好合适的测量部分尤为重要，它的性能好坏将影响整个称量系统的精度与稳定性。

（1）传感器。传感器是用来测量的，它以一定的精度把被测量变换成易于处理，与之有确定关系的另外一种物理量，一般来说，传感器的输出多是易于处理的电量，如电压、电流等。在小料称量系统中，传感器是秤体的心脏，它的选用非常关键，本系统的重量检测是通过三个重力传感器并联组成，其工作原理如图4所示，电阻应变片充当着敏感元件和传感元件的作用，其将重量增量△G转换成电参量△R，桥式转换电路将这一变化量转换成易于处理的电路△U。

图4 传感器原理框图

传感器的主要技术参数如表2所示，三个传感器的并联接线图如图5所示，它是一种高精度、高可靠的传感器。

表2 传感器主要技术参数

图5 传感器并联接线图

由图5可知，此传感器提供的是7线连接技术，使用时可使用7线或5线（去除SENS线），使用5线连接技术时，SENS线要与电源电压线短接，为了保证称量系统的精度，传感器安装时要严格按照说明书的细则来进行操作：①安装时要清理、整洁其安装面，不得有油污、凹凸不平状，使其水平且光滑；②安装传感器时防止碰撞、跌落，要轻拿轻放，否则会损坏其测量性能；③连接电缆采用屏蔽电缆，不能短接；④为了避免电磁干扰，连接电缆需放在导线管和独立的桥架内，不可与控制电缆并排放，与其他电缆距离至少要保持30毫米以上；⑤为了起到屏蔽作用，要用金属接线盒，接线盒里的电缆并联连接；⑥安装和处理传感器时，要小于其额定载荷，不能过载；⑦传感器要用平盖保护，防止外部机械干扰；⑧为了防止闪电流过传感器，秤体和支架需通过铜电缆接地；⑨横向力、侧向力、偏心负荷、附加弯矩扭矩的产生都会引起测量误差，要尽量避免这些不利因素。

（2）A/D转换器。A/D转换就是将模拟量转换成数字量，以便计算机处理。本系统采用的是RWA-A/D转换器，它可以将传感器输出的电压信号转换成数字信号，并且显示出来，我们可以从它自带的LCD单元上读出被称小料的实际重量，另外如果出现故障，其显示单元上会显示错误信息，起到报警作用。A/D转换器的主要技术参数如表3所示。

表3 A/D转换器主要技术参数

（3）测量部分故障诊断。测量部分在使用过程中会出现一些常见故障，影响称量精度，现根据现场工作经验以及参考有关技术资料对常见故障及维修对策归纳如下：

a、传感器将被测量G转换成电压U,在此传递信号过程中，若受到干扰，信号会失真，无法还原，所以我们在安装布线时要选择质量好、低电容值的屏蔽电缆，连接电缆要和其它电缆保持距离，不可混放。

b、当测量值出现粗大误差时，还要检测布线，看是否出现连接错误，三个传感器在并联时，相同信号线间是否未连接好，导致接触电阻过大；接地线、A/D转换器入口接线是否符合安装接线要求；所用电缆质量是否符合要求。

c、同时，当出现一些故障时，A/D转换器自带的LCD单元也会出现报警提示信息，这给故障维修工作提供了许多方便，具体信息如下：①秤体在工作时受到外部的振动和冲击时，会显示秤体不稳定；②零点误差过高时，会提示零点纠正；③A/D转换器的监控器出现错误，也有提示；④当测量值超过传感器额定负载的150%或低于额定负载的0.25%，或超过设定称量范围的110%都会有不同的错误提示；⑤传感器接线不正确时，如断线、接触不良等都会有提示；⑥当转换器配备的BCD接口外部供应电压中断时，将每分钟循环地产生错误信息。