文 / 江蘇鼎豪再生資源設(shè)備有限公司 楊曉敏 盧圣祥 王向陽

廢鋼破碎生產(chǎn)線是當(dāng)今最新進的廢鋼加工設(shè)備。經(jīng)過廢鋼破碎生產(chǎn)線加工處理的廢鋼是潔凈的優(yōu)質(zhì)鋼，其自然堆積密度為1.2～2.2t/m3，是理想的煉鋼爐料[1]。江蘇某再生資源設(shè)備有限公司2010年開始自主研發(fā)廢鋼破碎線，并于2012年成功開發(fā)出2000馬力的大型破碎線。并且此條破碎線在多個細節(jié)部分采用了技術(shù)領(lǐng)先的電氣控制方式，尤其是對喂料滾筒的喂料控制。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的破碎線喂料控制系統(tǒng)有兩個不足之處，一是喂料速度不易控制，喂料速度過快，破碎機主機經(jīng)常處于超載狀態(tài)，容易損傷破碎機錘頭，甚至使電機堵轉(zhuǎn)。喂料速度過慢，破碎機主機經(jīng)常處于負載不足，“吃不飽”的狀態(tài)，無法實現(xiàn)較好的產(chǎn)能。二是喂料滾筒運行穩(wěn)定性不足，由于進料不均勻，喂料滾筒負載不平衡，導(dǎo)致軸承兩端所受軸向力和徑向力不均衡，長期運行易導(dǎo)致滾筒軸承咬死和損傷的問題。

江蘇某再生資源設(shè)備有限公司生產(chǎn)的2000馬力的廢鋼破碎線對喂料滾筒的控制采用施耐德ATV71系列變頻器。利用 S7-300系列PLC與變頻器進行通訊，在操作室便可以實現(xiàn)對現(xiàn)場喂料滾筒進行監(jiān)視和控制，并且針對現(xiàn)場進料情況更改喂料滾筒的速度和進行力矩跟隨控制，實現(xiàn)了對喂料滾筒的平穩(wěn)、可靠、高效率的控制。

一、變頻器的優(yōu)點

1. 變頻調(diào)速的節(jié)能

由于采用變頻調(diào)速后，風(fēng)機、泵類負載的節(jié)能效果最明顯，節(jié)電率可達到20%～60%。對于一些在低速運行的恒轉(zhuǎn)矩負載，如傳送帶等，變頻調(diào)速也有節(jié)能效果。除此之外，原有調(diào)速方式耗能較大者（如繞線轉(zhuǎn)子電動機等），原有調(diào)速方式比較龐雜，效率較低者（如龍門刨床等），采用了變頻調(diào)速后，節(jié)能效果也很明顯。

2. 變頻調(diào)速在電動機運行方面的優(yōu)勢

變頻調(diào)速很容易實現(xiàn)電動機的正、反轉(zhuǎn)。變頻調(diào)速系統(tǒng)啟動大都是從低速開始，頻率較低。加、減速時間可以任意設(shè)定，故加、減速時間比較平緩，起動電流較小，可以進行較高頻率的起停。變頻調(diào)速系統(tǒng)制動時，變頻器可以利用自己的制動回路，將機械負載的能量消耗在制動電阻上，也可回饋給供電電網(wǎng)。除此之外，變頻器還具有直流制動功能，需要制動時，變頻器給電動機加上一個直流電壓，進行制動，則無需另加制動控制電路。

3. 以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量為目的的應(yīng)用

變頻調(diào)速除了在風(fēng)機、泵類負載上的應(yīng)用以外，還可以廣泛應(yīng)用于傳送、卷繞、起重、擠壓、機床等各種機械設(shè)備控制領(lǐng)域。它可以提高產(chǎn)成品率，延長設(shè)備的正常工作周期和使用壽命，使操作和控制系統(tǒng)得以簡化，有的甚至可以改變原有的工藝規(guī)范，從而提高了整個設(shè)備控制水平[2]。

二、廢鋼破碎線滾筒喂料控制系統(tǒng)

1. 破碎生產(chǎn)線滾筒喂料部件的簡介

破碎生產(chǎn)線的工作原理是破碎機在高速、大扭矩的高壓電機驅(qū)動下，主機轉(zhuǎn)子上的錘頭擊打進入容腔內(nèi)的廢鋼，通過襯板與錘頭間形成的空隙，將待破碎物撕裂成合乎要求的破碎物，再在分選設(shè)備的作用下，得到純度較高的優(yōu)質(zhì)破碎鋼。廢鋼破碎線包括上料輸送機、喂料機、破碎機、除塵系統(tǒng)、分選系統(tǒng)、輸送帶等，如圖1所示。

喂料機由臂架、溜槽、喂料滾筒、軸、電機、減速箱、鏈輪等組成，如圖2所示。喂料滾筒是雙滾筒，分為上滾筒和下滾筒。運行時，上下滾筒相對逆向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對物料的碾壓和向前輸送功能。同時上滾筒還可以上升下降，防止大物料卡阻在喂料口。

喂料滾筒上滾筒的驅(qū)動是由兩臺22KW減速機提供，下滾筒驅(qū)動是由一臺22KW減速機提供，這三臺減速機電機都是由變頻器控制。

2. 喂料滾筒控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

廢鋼破碎線的控制系統(tǒng)根據(jù)集中管理分散控制的思想，將整個控制結(jié)構(gòu)分為中央控制室和其他的現(xiàn)場控制站。并且控制室和控制站之間以PROFIBUS總線連成一個有線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。喂料滾筒變頻器也是作為現(xiàn)場控制站來實現(xiàn)喂料滾筒電機的啟動、停止、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速等功能。

中央控制站采用西門子S7300 PLC，CPU采用中檔的315-2DP，具有運算速度快，資源豐富等優(yōu)點。計算機監(jiān)控軟件采用西門子W I NC C，它具有畫面顯示、趨勢曲線、報警處理、報表處理、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)上瀏覽等功能。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如上圖3所示。

1.感受個人幸福，實現(xiàn)人生規(guī)劃。社會轉(zhuǎn)型和深化改革的時代背景凸顯了正確的價值信念對于人生幸福的重要作用，感知幸福的能力是生活幸福的前提。高校馬克思主義理論教育有助于大學(xué)生更好地感受個人幸福、實現(xiàn)自己的人生規(guī)劃。幸福生活和人生規(guī)劃不是個人漫無目的的空想，而是與社會、時代的要求緊密結(jié)合在一起的。幸福、快樂、成功的生活，需要從馬克思主義批判舊世界發(fā)現(xiàn)新世界的哲學(xué)思維方式中汲取力量，在自我否定中獲得發(fā)展，在自我超越中實現(xiàn)生命的躍遷，在理想和現(xiàn)實的張力中發(fā)揮自己的優(yōu)勢和特長，在自我價值和社會價值的統(tǒng)一中實現(xiàn)人生幸福。

圖1 廢鋼破碎線組成示意圖

圖2 喂料滾筒組成示意圖

圖3 喂料滾筒控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

3. 喂料滾筒變頻控制方案的實現(xiàn)

（1）喂料滾筒對控制的要求

由于喂料上滾筒的結(jié)構(gòu)特點是用兩臺相同功率的交流電機分別驅(qū)動左右鏈輪傳動機構(gòu)，而左右鏈輪傳動機構(gòu)之間有一剛性相連的連接軸，這樣就使得上滾筒在傳動結(jié)構(gòu)上和負載的性質(zhì)上變成了兩臺電機同時驅(qū)動一個負載的形式。

同時，兩臺變頻器驅(qū)動兩臺電機負載有以下兩點要求：一是兩臺變頻器運行時必須保持嚴格的同步關(guān)系；二是兩臺變頻器之間實現(xiàn)負載的動態(tài)和靜態(tài)自動平衡分配。

（2）變頻器的選擇

采用一般的通用變頻器給異步電動機供電時，可以實現(xiàn)電機的無極平滑調(diào)速。但是，調(diào)速時有靜差，精度不高。而矢量控制變頻器有像直流調(diào)速系統(tǒng)那樣優(yōu)異的調(diào)速精度和動態(tài)響應(yīng)精度，因此本文作者采用施耐德的ATV71系列變頻器作為滾筒電機的控制器。該系列變頻器不但具有矢量控制功能，而且具有極大的瞬時過轉(zhuǎn)矩以及其它的高動態(tài)性能。

（3）變頻控制方案

為了描述方便，上滾筒兩個變頻器定義為UF1和UF2，下滾筒變頻器定義為UF3。由于上下滾筒需要保持一致，所以上滾筒和下滾筒變頻器的速度給定值需要一致，上滾筒兩個變頻器實行主從控制。針對現(xiàn)場的控制效果，筆者準(zhǔn)備了兩種不同的控制方案。

將其中一個控制上滾筒電機的變頻器UF1作為主動裝置，另一臺UF2作為從動裝置。遠程給定的速度值通過PROFIBUS分別送至主動裝置和下滾筒變頻器UF3。主動裝置的轉(zhuǎn)矩輸出信號經(jīng)主動裝置的模擬量輸出口AO1送至從動裝置的模擬量輸出口。而AI1模擬量輸入口作為從動裝置的轉(zhuǎn)矩給定信號，并將主動裝置設(shè)置成編碼器反饋的速度閉環(huán)控制模式，而從動裝置設(shè)置成帶編碼器反饋的直接轉(zhuǎn)矩控制模式。這樣從動裝置輸出的轉(zhuǎn)矩就會緊跟主動裝置的轉(zhuǎn)矩值，確保主從裝置的同步運行以及負載的動態(tài)和靜態(tài)自動平衡。

二是從動裝置采用部分轉(zhuǎn)矩更隨的控制方案，見圖5。

同樣將其中一個控制上滾筒電機的變頻器UF1作為主動裝置，另一臺UF2作為從動裝置。再將遠程給定的速度值通過PROFIBUS分別送至主從裝置和下滾筒變頻器UF3。主動裝置的轉(zhuǎn)矩輸出信號經(jīng)主動裝置的模擬量輸出口AO1送至從動裝置的模擬量輸出口。而AI1模擬量輸入口作為從動裝置的部分轉(zhuǎn)矩更隨信號。運行時，當(dāng)無負載時從動裝置的轉(zhuǎn)矩理論上是與主動裝置相等的，但是當(dāng)兩邊負載不一致時（根據(jù)電流反饋判斷），則使用轉(zhuǎn)矩更隨的功能，使得從動裝置的轉(zhuǎn)矩與主動裝置的功能保持一致，從而實現(xiàn)主從裝置實現(xiàn)負載的動態(tài)和靜態(tài)自動平衡分配。

4. 喂料滾筒變頻給定控制程序

圖4 直接轉(zhuǎn)矩給定控制方案圖

圖5 部分轉(zhuǎn)矩更隨給定控制方案圖

圖6 滾筒喂料自動控制框圖

破碎機喂料滾筒自動控制程序是江蘇某再生資源設(shè)備有限公司開發(fā)的廢鋼破碎線控制系統(tǒng)中的創(chuàng)新部分之一，填補了國內(nèi)破碎機的空白。

喂料滾筒自動控制程序主要目的是為了得到一個合理的速度設(shè)置值，從而輸出給變頻器，作為變頻器的速度給定值。由于用戶料場加工的破碎料品種形式不一，而且喂料的均勻度也不一樣。用一定的喂料速度無法保證破碎機主機較高的生產(chǎn)效率，甚至喂料過猛還會導(dǎo)致主機過負荷堵轉(zhuǎn)停機。因此喂料滾筒的速度控制尤為關(guān)鍵。

由于滾筒喂料的負載變化比較特殊，常規(guī)的控制方法難以給定合適的速度輸出值。通過采集現(xiàn)場大量的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場操作經(jīng)驗的積累。開發(fā)了模糊控制器對喂料滾筒進行控制。

模糊控制器[3]對輸入的起始速度、滾筒電機電流以及主電機電流等參數(shù)進行匯總，計算得出合理的速度輸出值，通過數(shù)據(jù)總線送到執(zhí)行器即變頻器，由變頻器來控制喂料滾筒電機驅(qū)動喂料滾筒的運轉(zhuǎn)。由于大多數(shù)參數(shù)反饋得來的，對一些異常的情況判斷有時候出現(xiàn)滯后，因此在控制器前段加入前饋控制，在現(xiàn)場的應(yīng)用是通過操作員操縱手柄來實現(xiàn)。前饋控制對有效的減少了異常情況的發(fā)生，使喂料滾筒的運行更加可靠。見圖6，喂料滾筒變頻控制的框圖。

模糊控制的程序是通過S7-300PLC實現(xiàn)的，編程軟件STEP7里的功能塊FB支持STL語言，其強大的編程功能和簡易的可讀性也使得自動程序更易實現(xiàn)。

三、喂料滾筒控制系統(tǒng)在實際中的應(yīng)用

江蘇某破碎線的喂料滾筒變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計主要通過變頻器實現(xiàn)，遠程速度給定值通過PLC程序給定，并且主要參數(shù)在WINCC監(jiān)控系統(tǒng)中都能夠保存為趨勢曲線。

目前，此套控制系統(tǒng)在中國再生資源有限公司江蘇分公司的某一企業(yè)已經(jīng)投入使用，該企業(yè)主要是以加工摩托車機架、摩托車機濾以及彩鋼瓦為主?，F(xiàn)場采用的是從動裝置采用直接轉(zhuǎn)矩給定控制方案，另一套方案經(jīng)過試驗驗證可行，作為備選方案。雖然現(xiàn)場物料比較復(fù)雜，環(huán)境也比較惡劣，但是喂料系統(tǒng)一直運行可靠，很好的實現(xiàn)了控制要求。本文介紹的大型廢鋼破碎線，針對喂料滾筒的結(jié)構(gòu)特點，利用變頻器進行精密控制，通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)總線，可以對現(xiàn)場喂料滾筒實時有效控制，很好地實現(xiàn)了破碎生產(chǎn)線喂料系統(tǒng)的高效率、高可靠性和方便性的控制要求。同時，創(chuàng)新地利用變頻器轉(zhuǎn)矩跟隨，以及自動喂料控制程序，克服了現(xiàn)有國產(chǎn)破碎機喂料系統(tǒng)的弊端，大大地提高了廢鋼的破碎效率。

[1].林加沖. 我國大型廢鋼加工設(shè)備生產(chǎn)使用概括[J]. 資源再生,2010(12): 28～33

[2].吳忠智. 吳加林. 變頻器原理及應(yīng)用指南[J].中國電力出版社.2007-9-1

[3].劉湘崇,梁彥,等. T-S模糊模型建模方法研究[J].信息與控制.2010,35(1)28～32.