1、前言

    1.1隨著物流業(yè)在國內(nèi)的迅速發(fā)展，貨架作為物流設(shè)備中的一個(gè)關(guān)鍵支柱產(chǎn)業(yè)得到了快速增長，國內(nèi)外冷彎設(shè)備制造商和貨架生產(chǎn)商為了提高貨架冷彎設(shè)備整機(jī)的可靠性，提高冷彎產(chǎn)品的質(zhì)量和自動(dòng)化程度，擴(kuò)大貨架品種的市場適應(yīng)性以及便于貨架新產(chǎn)品的開發(fā)研究和生產(chǎn)，降低生產(chǎn)經(jīng)營成本，提高設(shè)備操作調(diào)試方便性，實(shí)現(xiàn)有關(guān)設(shè)備的故障自診斷功能等，貨架冷彎設(shè)備制造商不斷地采用PLC控制技術(shù)、交流變頻調(diào)速及機(jī)電一體化等新技術(shù)，以高性能的電氣控制技術(shù)更多地取代傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以整線一體化技術(shù)替代分散的獨(dú)立的單機(jī)作業(yè)模式；各貨架生產(chǎn)廠家也紛紛投資改造老設(shè)備，其中應(yīng)用較多的關(guān)鍵技術(shù)為交流變頻調(diào)速技術(shù)。且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和高精度的數(shù)字量化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，交流變頻調(diào)速技術(shù)中需要的大多數(shù)運(yùn)算都可以用標(biāo)準(zhǔn)功能的軟件模塊來實(shí)現(xiàn)，而這些功能軟件模塊的性能指標(biāo)在任何時(shí)候都無須單獨(dú)調(diào)試，只要作一些簡單的、必要的設(shè)置就可以付諸使用，也為交流變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了基礎(chǔ)。

2、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)及其在貨架冷彎設(shè)備中的應(yīng)用特性

    2.1交流變頻調(diào)速系統(tǒng)具有和直流調(diào)速系統(tǒng)相同的調(diào)速平滑特性、過載力矩和起動(dòng)力矩大等優(yōu)點(diǎn)，啟動(dòng)平滑,能消除機(jī)械的沖擊力，保護(hù)機(jī)械設(shè)備。由于貨架冷彎產(chǎn)品的冷彎成型工藝性較復(fù)雜，其實(shí)際機(jī)組功耗大，冷彎成型材料機(jī)械性能的波動(dòng)大、卷料的開卷直線度偏差大、厚度均勻性波動(dòng)偏差大等特點(diǎn)，在貨架產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程中的機(jī)組成型負(fù)荷特性變化較大，存在過載運(yùn)行和機(jī)組運(yùn)行啟動(dòng)力矩大等設(shè)備設(shè)計(jì)特性，國內(nèi)部分冷彎機(jī)組制造廠家目前仍大量使用直流調(diào)速主傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)際上針對液壓停剪式冷彎機(jī)組存在主傳動(dòng)系統(tǒng)的高低速轉(zhuǎn)化、啟動(dòng)力矩大、過載能力強(qiáng)、停車和速度加減速平穩(wěn)調(diào)速等特點(diǎn)，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，也是今后設(shè)備設(shè)計(jì)制造、改造的應(yīng)用趨勢。

    2.2 交流電機(jī)容量、速度和電壓等級等都可以做得很高，而相對制造成本較直流電動(dòng)機(jī)要低。目前一般重型貨架冷彎設(shè)備生產(chǎn)線的主傳動(dòng)功率可達(dá)到 132KW以上，要求軋制厚度在4.0mm以上、軋制寬度達(dá)600mm以上，冷彎角達(dá)1080度以上的冷彎貨架產(chǎn)品，其主傳動(dòng)電機(jī)的成本優(yōu)勢還是明顯的。

    2.3 效率高，具有顯著的節(jié)電效果。在相同的情況下，交流變頻驅(qū)動(dòng)比一般直流傳動(dòng)方式能提高效率5％左右，比電動(dòng)機(jī)一發(fā)電機(jī)組供電的直流傳動(dòng)方式提高效率15％左右，比其它交流調(diào)速方式提高效率20％以上，節(jié)能效果顯著，對于貨架制造商而言具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。

    2.4 系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度均優(yōu)于直流傳動(dòng)指標(biāo)和水平，可以使普通異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，簡化機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，在上下工序的設(shè)備速度的匹配上更具有優(yōu)勢。在貨架冷彎設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)中，都是由鏈條或齒輪傳動(dòng)來承擔(dān)，由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行特性的原因，在點(diǎn)動(dòng)與啟動(dòng)、運(yùn)行過程中，不可避免地會出現(xiàn)鏈條爬鏈、斷鏈、齒輪沖擊等現(xiàn)象。在機(jī)械傳動(dòng)輪系中，齒輪越多，造成齒輪損傷的機(jī)率就越大，應(yīng)用交流變頻技術(shù)就能夠很好的解決平滑啟動(dòng)，消除機(jī)械啟動(dòng)時(shí)的沖擊力，簡化機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組無級調(diào)速，滿足生產(chǎn)工藝要求，提高成品質(zhì)量，采用PC或PLC作上位機(jī)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)具有比直流調(diào)速高得多的動(dòng)靜態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)，此點(diǎn)在我考察的多臺套機(jī)組的運(yùn)行過程中得到了驗(yàn)證：如我公司進(jìn)口的貨架冷彎設(shè)備生產(chǎn)線，選擇合理的設(shè)備設(shè)置參數(shù)后能夠滿足貨架冷彎設(shè)備生產(chǎn)線控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、速度精度高、魯棒性強(qiáng)的要求，實(shí)際應(yīng)用長度位置最高控制精度在±0.1mm左右且可避免累積誤差。該控制系統(tǒng)可應(yīng)用于高精度開口系列冷彎型鋼產(chǎn)品的生產(chǎn)中，特別是類似貨架立柱的產(chǎn)品，即對冷彎型鋼立、側(cè)面具有孔位高精度要求的在線預(yù)沖孔的冷彎成型生產(chǎn)線上。
    
    2.5提高設(shè)備的可靠性，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少故障停機(jī)和檢修維護(hù)時(shí)間，延長易損件的使用壽命，降低原材料及備品備件的消耗。
    
    2.6 啟動(dòng)電流小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，易于實(shí)現(xiàn)貨架冷彎設(shè)備生產(chǎn)線的位置定位與控制，對企業(yè)周邊設(shè)備的電流沖擊小，延長控制系統(tǒng)的使用壽命。
    
    2.7體積小、重量輕、占地面積小，便于進(jìn)行現(xiàn)有貨架冷彎設(shè)備生產(chǎn)線的改造調(diào)整，安裝簡單，電氣控制原理和方法已趨成熟。
    
    2.8 對電機(jī)具有保護(hù)功能，提高了運(yùn)行可靠性，降低電機(jī)的維修費(fèi)用和運(yùn)行成本。
    　 
3、交流變頻技術(shù)在貨架冷彎設(shè)備中的應(yīng)用

    3.1目前我公司現(xiàn)有的貨架冷彎設(shè)備整線基本運(yùn)行速度為12～14 m/min。前后工序間的速度匹配、整線速度的調(diào)整以及貨架冷彎機(jī)組的位置定位等是交流變頻調(diào)速技術(shù)的主要應(yīng)用。

    3.2交流變頻調(diào)速在開卷機(jī)、校平機(jī)、壓力機(jī)等中的應(yīng)用：主要實(shí)現(xiàn)前后道工序間的在線無級調(diào)速和同步跟隨性能，具有調(diào)速范圍大、維護(hù)簡便、安全可靠、功率因數(shù)高于0.9以上等優(yōu)點(diǎn)，如：通過交流變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行壓力機(jī)工作頻率的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)與伺服送料裝置工作節(jié)拍的協(xié)調(diào)和整線基本速度的調(diào)節(jié)；通過交流變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行開卷機(jī)和校平機(jī)運(yùn)行速度的無級變換與工作狀態(tài)變換頻繁等，確保整線運(yùn)行控制的自動(dòng)化和速度上的一致性。校平機(jī)的啟停、變速是由緩沖地坑中的光電開關(guān)發(fā)訊后系統(tǒng)自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)的，保證在自動(dòng)方式下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有足夠的料可緩沖。交流變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用極大地降低了設(shè)備速度匹配和設(shè)備調(diào)試難度，也便于今后根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品發(fā)生的變化來提升設(shè)備的運(yùn)行效率和產(chǎn)能。
    
    3.3交流變頻調(diào)速在冷彎機(jī)組中的應(yīng)用：冷彎成型機(jī)根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙選擇合理的水平輥架數(shù)并完成產(chǎn)品的冷彎成型加工，主傳動(dòng)采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，剪切機(jī)負(fù)責(zé)將貨架組件定長切斷。交流變頻調(diào)速異步電機(jī)定位控制的研究經(jīng)歷了較長階段，定位控制的傳統(tǒng)做法是采用機(jī)械擋塊來定位。如：濟(jì)南鑄鍛所為我公司設(shè)計(jì)制造的貨架立柱冷彎生產(chǎn)線為達(dá)到定尺寸定孔位切斷的精度：±0.5mm，其液壓飛剪系統(tǒng)的定位設(shè)計(jì)中就引入了定位插銷和電氣定位雙精度控制技術(shù)，目前，在各個(gè)行業(yè)中所用的定位方式可分為四種：機(jī)械定位，電氣定位，空氣定位，光學(xué)定位。電氣定位控制系統(tǒng)一般是以數(shù)字方式工作的，故可以提高精度，十分簡便，易于和PC、PLC等各種上位控制系統(tǒng)和控制電路相匹配。目前在舊型冷彎機(jī)組中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)是針對變頻器的速度參數(shù)設(shè)定幾個(gè)固定的運(yùn)行頻率（例如高速、中速、低速三種頻率），根據(jù)冷彎機(jī)組上實(shí)際產(chǎn)品的控制要求由PC或PLC對變頻器的三種（頻率）速度進(jìn)行切換，達(dá)到調(diào)速和停準(zhǔn)的目的。但當(dāng)具體產(chǎn)品對冷彎機(jī)組的位置停準(zhǔn)精度要求提高后，這種開環(huán)式的有級調(diào)速就不能滿足產(chǎn)品的位置精度控制要求而采用變頻無級調(diào)速閉環(huán)控制技術(shù)。對如此復(fù)雜的位置控制系統(tǒng)，變頻技術(shù)必須能克服以下技術(shù)問題：（1）將復(fù)雜的交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡單化；（2）考慮位置旋轉(zhuǎn)編碼器反饋信號的延后和超調(diào)；（3）將冷彎軋制控制過程的動(dòng)態(tài)參數(shù)描述成時(shí)變函數(shù)；實(shí)際上均采取位置比較和現(xiàn)場調(diào)試延時(shí)來簡單化處理；（4）保證位置閉環(huán)的抗波動(dòng)能力高和即時(shí)調(diào)節(jié)性好（5）考慮前后工序速度匹配反饋信號的傳遞與控制上的協(xié)調(diào)；（5）、機(jī)械加工與配合精度等。 
    
4變頻調(diào)速閉環(huán)控制技術(shù)及原理

    4.1要實(shí)現(xiàn)貨架冷彎成型機(jī)組的閉環(huán)無級控制，必須根據(jù)變頻器和異步電機(jī)的特性，即：在一定載荷下變頻器所存在的理想加速和減速特性曲線，或根據(jù)不同的品牌和規(guī)格的變頻器的特性參考資料、冷彎機(jī)組加工件的負(fù)荷特性、電機(jī)的負(fù)荷特性等進(jìn)行適時(shí)調(diào)整。對于貨架冷彎成型機(jī)組主電機(jī)的變頻調(diào)速而言，需要對其進(jìn)行PID控制，需正確選擇速度反饋方式和PID的各類參數(shù)、加減速時(shí)間0～100%的設(shè)定、變頻器的設(shè)定輸入值需具有二至多端的輸入并能進(jìn)行基本運(yùn)算，反饋信號需具有接收模擬信號或脈沖信號的端口等等。

    4.2基本控制思想為：1）、根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器測量反饋的當(dāng)前速度信號適時(shí)調(diào)整變頻器的輸出驅(qū)動(dòng)頻率值，從而保證變頻電機(jī)能以要求的速度平穩(wěn)運(yùn)行；其還表現(xiàn)在必須根據(jù)具體冷彎產(chǎn)品的成型工藝要求、負(fù)荷波動(dòng)規(guī)律等選擇相應(yīng)的速度控制模式，即初時(shí)運(yùn)動(dòng)加速度與加速控制時(shí)間、平穩(wěn)運(yùn)行速度與距離、減速運(yùn)動(dòng)加速度與控制時(shí)間等進(jìn)行變頻器的適時(shí)調(diào)整，確保主機(jī)運(yùn)行及控制反饋運(yùn)行過程的平穩(wěn)，消除不穩(wěn)定形成的系統(tǒng)超差故障；2）、根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖測量數(shù)反饋當(dāng)前冷彎機(jī)組主電機(jī)的位移信號及預(yù)先設(shè)定的控制方案適時(shí)調(diào)整變頻器的輸出驅(qū)動(dòng)頻率值，使變頻電機(jī)先以較高的速度運(yùn)行到接近冷彎產(chǎn)品控制切斷長度的位置后將速度平穩(wěn)降到較低的速度下工作，并在切斷控制處準(zhǔn)確制動(dòng)停準(zhǔn)，必要時(shí)可采取機(jī)械抱閘系統(tǒng)來輔助快速定位，再通過輸出控制點(diǎn)發(fā)出切斷控制信號實(shí)現(xiàn)液壓停剪；PC控制系統(tǒng)在工作過程中實(shí)時(shí)采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，并不斷地與存放在軟件控制數(shù)據(jù)塊里的標(biāo)準(zhǔn)位置參數(shù)進(jìn)行比較和控制決策，從而達(dá)到快速準(zhǔn)確定位、提高作業(yè)效率的目的，并與監(jiān)控系統(tǒng)交換工作信息以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理系統(tǒng)的全面動(dòng)態(tài)管理；PLC上位控制系統(tǒng)的交流變頻調(diào)速原理類似，其反饋信號同樣來自旋轉(zhuǎn)編碼器；即反映位置反饋信號，又反映速度反饋信號。通過PLC內(nèi)置的PID控制模塊等實(shí)施對變頻器和異步電機(jī)的控制。

5變頻器的選型依據(jù)及容量的確定

    5.1貨架冷彎成型設(shè)備的電氣拖動(dòng)主要是驅(qū)動(dòng)冷彎軋輥運(yùn)動(dòng)，其阻力矩TL取決于冷彎軋輥與鋼卷料之間的摩擦力FL與冷彎軋輥半徑r的乘積，即 TL=FL×r。在這里，冷彎軋輥的半徑r是恒定不變的，摩擦力FL的大小與相應(yīng)的冷彎產(chǎn)品的孔型設(shè)計(jì)工藝水平、機(jī)組的傳動(dòng)效率和相關(guān)材料與軋輥間的摩擦系數(shù)等有關(guān)，與轉(zhuǎn)速高低關(guān)系不大。這是典型的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性。這類負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的快慢無關(guān)，所以在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速過程中，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩保持不變。在選擇變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，除了按常規(guī)要求外，還根據(jù)機(jī)組運(yùn)行的調(diào)速范圍、阻力矩TL的特點(diǎn)、對機(jī)械特性的要求等進(jìn)行選擇：（1）選擇較為簡易的Ｖ／Ｆ控制方式的變頻器應(yīng)用于：開卷機(jī)、校平機(jī)、壓力機(jī)等單機(jī)運(yùn)行的變頻調(diào)速控制與整線速度上的匹配。（2）選擇有反饋的矢量變換控制方式應(yīng)用于冷彎成型機(jī)組和在線液壓停剪設(shè)備系統(tǒng)中，主要是為了實(shí)現(xiàn)位置定位和液壓停剪功能，目前可實(shí)現(xiàn)的位置控制精度可達(dá)到±0.1mm以上，精度越高其生產(chǎn)效率會明顯下降，甚至產(chǎn)生位置定位震蕩，我公司根據(jù)貨架產(chǎn)品的工藝特點(diǎn)，位置精度控制在±0.5mm左右較合適，貨架冷彎機(jī)組主動(dòng)力系統(tǒng)主要采用有反饋的矢量變換控制方式，如圖一控制原理。矢量控制通過電動(dòng)機(jī)統(tǒng)一理論和坐標(biāo)變換理論，把交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成磁場定向坐標(biāo)的磁場電流分量和與之垂直的轉(zhuǎn)矩電流分量，把固定坐標(biāo)系變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系解耦后，交流量的控制就變?yōu)橹绷髁康目刂?，這樣交流電動(dòng)機(jī)便能等同于直流電動(dòng)機(jī)，從而獲得直流電動(dòng)機(jī)一樣的控制性能。目前，交流電力拖動(dòng)已完全可以與直流電力拖動(dòng)相媲美。
    
    5.2其次對冷彎機(jī)組成型功率的計(jì)算和確定；根據(jù)文獻(xiàn)2說明，機(jī)組驅(qū)動(dòng)動(dòng)力常由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)推定，可參考部分機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)，也常用旋轉(zhuǎn)承受成形反力（荷重）的輥所需要的成形扭矩來求，如：成形扭矩T=P（成形荷重）×L（輥間接觸長度），且實(shí)測值常高于計(jì)算值；其中也給出了電縫管的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式等。實(shí)際上不同的廠家對機(jī)組功率設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)也不同，機(jī)組傳動(dòng)效率上也存在一定的差異（如：鏈傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)），如我公司的進(jìn)口生產(chǎn)線，其成型寬度為：226mm，成型角為360度，卷料厚度達(dá)到3.0mm，選用卷料設(shè)計(jì)材質(zhì)為SS490，機(jī)組主功率為37KW，而國產(chǎn)設(shè)備冷彎產(chǎn)品成型寬度為：336mm，最大成型角為1080度，常規(guī)產(chǎn)品成型角為720度，卷料厚度達(dá)到4.0mm，選用卷料設(shè)計(jì)材質(zhì)為SS490，機(jī)組主功率為132KW，類比可發(fā)現(xiàn)其差異較大。
    
    5.3最后為選用變頻器的容量，其有很多因數(shù)決定，例如電動(dòng)機(jī)容量、電動(dòng)機(jī)額定電流、電動(dòng)機(jī)加減速時(shí)間等，其中，最主要的是電動(dòng)機(jī)額定電流。
    
    5.4交流變頻調(diào)速是通過變頻器來實(shí)現(xiàn)的，對于變頻器的容量確定至關(guān)重要。合理的容量選擇本身就是一種節(jié)能降耗措施。根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗(yàn)，比較簡便的方法有三種： 
    
    5.5（1） 電機(jī)實(shí)際功率確定法：首先測定電機(jī)的實(shí)際功率，以此來選用變頻器的容量。 
    
    5.6（2） 公式法：設(shè)安全系數(shù)取1.05，則變頻器的容量Pb = 1.05Pm/hm×cosy （kW） 
    式中，Pm為電機(jī)負(fù)載；hm為電機(jī)功率。計(jì)算出Pb后，按變頻器產(chǎn)品目錄可選出具體規(guī)格。 
    
    5.7（3） 電機(jī)額定電流法：變頻器容量選定過程，實(shí)際上是一個(gè)變頻器與電機(jī)的最佳匹配過程，最常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機(jī)的額定功率，但實(shí)際匹配中要考慮電機(jī)的實(shí)際功率與額定功率相差多少，通常都是設(shè)備所選能力偏大，而實(shí)際需要的能力小，因此按電機(jī)的實(shí)際功率選擇變頻器是合理的，或根據(jù)具體選用的變頻器品牌和性能進(jìn)行選用。 
    
6 存在的問題和不足 

    6.1在應(yīng)用交流變頻調(diào)速技術(shù)的過程中也存在不足之處。主要表現(xiàn)在有的系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方面還存在有相當(dāng)不合理的地方。比如設(shè)計(jì)者沒有很好地利用變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，而是極端膚淺地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速，貨架冷彎設(shè)備在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行中（4極）電動(dòng)機(jī)長期穩(wěn)定地運(yùn)行在20Hz。無論是變頻器還是電動(dòng)機(jī)的能力都只用了40%左右，這是極不合理的。在后期產(chǎn)品的開發(fā)過程中還必須限制新冷彎軋輥的外徑設(shè)計(jì)、整線運(yùn)行線速度的匹配等因素。

    6.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)中針對交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的狀態(tài)反饋設(shè)計(jì)重視不夠，系統(tǒng)故障診斷設(shè)計(jì)重視不夠，系統(tǒng)選用品牌雜亂造成的備件、維修保養(yǎng)困難重視不夠等，包括用戶對系統(tǒng)調(diào)試參數(shù)保存與修改經(jīng)驗(yàn)上的不足等、對交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的認(rèn)識不足，相關(guān)外圍設(shè)備參數(shù)變化對系統(tǒng)參數(shù)的重調(diào)試等，如：編碼器測量輥的磨損與更換；均極大地影響了交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在貨架冷彎生產(chǎn)線上的廣泛應(yīng)用。