剝鋅機應用系統中的制動電阻和制動單元(上)

      一、引言
      隨著有色金屬行業的重新規劃布局，作為中國鉛鋅冶煉著名企業的中金嶺南有色金屬有限公司在廣東韶關新建丹霞冶煉廠，向成為中國有色金屬中堅企業邁進。隨著社會發展，機械化、自動化要求的提高，丹霞冶煉廠引進盧森堡pw公司的多功能自動行車兩臺、全自動剝鋅機組和刷洗機兩臺、陽極板清洗拍平機一套，并把帶有制動電阻和制動單元的變頻系統全部機組整合到一個工業以太網內，各個部分之間正常通訊實現各部分的協調和整個系統完全自動化。 　　
 
      電解車間由鋁板作為陰極吸附溶液中的鋅離子成為金屬鋅，鉛板作為陽極吸附溶液中的二氧化錳等添加劑成為陽極泥。因此每隔一定周期需要將陰極板上的金屬鋅片剝離下來再經過刷洗干凈后放入電解槽中，需要將陽極板上吸附的陽極泥清除干凈并進行拍平。剝鋅系統由鏈條傳送帶、剝鋅單元、制動單元、鋅片傳送單元、堆垛單元和堆垛傳送單元等部分組成。多功能自動行車將一吊陰極板放置在鏈條傳送帶上，鏈條由兩個同步電機控制，每行走一步都將一塊陰極板傳送到剝鋅單元提升裝置處，然后電機帶動提升裝置上升將陰極板提升到一定高度后用剝刀將鋅片剝離，鋅片剝離后掉入制動單元中，制動單元將剝離下的鋅片減速傳遞到鋅片傳送單元，鋅片傳送單元將鋅片傳送到堆垛單元，堆垛到指定塊數后由堆垛傳送單元運送至指定地點由叉車運走。
 
      二、制動電阻的選用    
      制動電阻是用于將電機的再生能量以熱能方式消耗的載體，它包括電阻阻值和功率容量兩個重要的參數。通常在工程上選用較多的是波紋電阻和鋁合金電阻兩種：前者采用表面立式波紋有利于散熱減低寄生電感量，并選用高阻燃無機涂層，有效保護電阻絲不被老化，延長使用壽命；后者電阻器耐氣候性、耐震動性，優于傳統瓷骨架電阻器，廣泛應用于高要求惡劣工控環境使用，易緊密安裝、易附加散熱器，外型美觀。

      1、制動過程      
      能耗制動的過程如下：  
      A、當電機在外力作用下減速、反轉時（包括被拖動），電機即以發電狀態運行，能量反饋回直流回路，使母線電壓升高；
 
      B、當直流電壓到達制動單元開的狀態時，制動單元的功率管導通，電流流過制動電阻；
 
      C、制動電阻消耗電能為熱能，電機的轉速降低，母線電壓也降低；  
 
      D、母線電壓降至制動單元要關斷的值，制動單元的功率管截止，制動電阻無電流流過；
 
      E、采樣母線電壓值，制動單元重復ON/OFF過程，平衡母線電壓，使系統正常運行。

      2、安裝要求      
      制動單元與變頻器之間，以及制動單元與制動電阻電阻之間的配線距離要盡可能短（線長在2m以下），導線要足夠粗；     
    
      制動單元在工作時，制動電阻將大量發熱，應此要充分注意散熱，并使用耐熱導線，導線請勿觸及制動電阻；     
   
      制動電阻應使用絕緣擋片固定牢固，安裝位置要確保良好散熱，建議制動電阻安裝在電控柜頂部。

      三、控制系統的構成及完成的功能
      1、控制系統的構成 　　
      自動剝鋅機采用西門子公司推出的驅動控制器sinamics s120，集v/f控制、矢量控制、伺服控制為一體的多軸驅動系統，具有模塊化的設計。各模塊間通過高速驅動通訊接口drive-cliq相互連接。 　　
   
      剝鋅機硬件組態圖如圖1所示。plc采用cpu 319-3 pn/dp，其具有三個接口，mpi/dp接口用于連接分布式i/o，dp(drive)接口用于連接驅動器系統，pn-io接口用于連接工業以太網。運動控制系統采用sinamics s120配置方案，使用profibus dp作為通訊網絡連接各部分。圖1中組態有5套sinamics s120分成三組，包括兩臺剝鋅機，一臺刷洗機、l1_p1和l1_p2驅動1號剝鋅機9個軸、l2_p2和l2_p2驅動2號剝鋅機9個軸、l3_s1驅動刷洗機3個軸。l1_p1驅動4個矢量軸，分別控制剝鋅提升電機，堆垛電機、鋅片傳送單元電機和堆垛傳送電機。l1_p2驅動5個v/f軸，分別控制鏈條傳送電機，2個制動單元、1號皮帶傳送電機和2號皮帶傳送電機。l2_p1和l2_p2功能和l1_p1，l1_p2一樣。l3_s1驅動兩個矢量軸控制兩個提升電機，1個v/f軸控制鏈條傳送電機。

                                                                     圖1 剝鋅機硬件組態圖
   
      2、控制系統完成的功能 　　
      本節主要介紹plc與sinamics s120的通訊和控制系統完成的功能，如提升電機帶一個位置編碼器的速度控制、剝鋅機和刷洗機鏈條的位置控制和制動輪胎與傳送皮帶之間的速度同步控制。    
    
      （1）采用帶一個位置編碼器的速度控制 　　
      剝鋅機、刷洗機提升電機其提升過程主要分為兩步：從低位提升到中間位，停止后閉合剝刀，之后再從中間位提升到高位，鋅片剝離后先從高位下降到中間位，再回到低位，因此需要對速度進行控制。本項目采用帶一個位置編碼器的速度控制，具體實現過程如下。 　　
 
      位置編碼器安裝在提升電機低速端，通過smc30連接到s120中，再將編碼器實際位置值通過狀態字gn_xact1傳送到用戶程序。通過以下方式達到控制輸出速度的目的。　　構建位置及速度運算功能塊fb30及其背景數據塊db118。背景數據塊中主要變量描述如下： 　　　      measure_position：由編碼器傳送到用戶程序的當前位置值；
      set_position：設定位置值，即此次運動的目標位置值； 　　　　
      error_position：當前位置值和設定位置值之間的差數； 　　　　
      gain：此次定位運動的加速度或減速度值； 　　　　
      inertia_stopping：不同電機有不同機械特性，因此停止時由于慣性可能導致位置誤差； 　　　　
      output_speed：輸出設定速度； 　　　　
      error_validation_inertia：誤差允許值和慣性數值之和。 　　
      以剝鋅機提升電機為例，當設定從低位運動到中間位時，將中間位具體數值傳送給設定位置值。設總誤差值： 　
      error_validation_inertia= | set_ position－measure_ position|，則輸出速度output_ speed= 。每 個區間、手動、半自動和自動均設定最大速度值output_max_ speed和最小速度值output_ min_speed。gain類似于加（減）速度，其具體數值根據各區間最大速度值及其它因素而定，gain越大，加（減）速度越大。輸出設定速度output_speed運算結束后傳遞給db116.dbd24，再寫入對應驅動的速度設定字中。 　　

      用戶程序通過報文獲得編碼器的狀態字gn_zsw及編碼器實際位置值gn_xact1，同時用戶程序向編碼器發送一個字長的控制字gn_stw。本項目編碼器回零方式為直接設定參考點：提升裝置設定有低位檢測開關，此低位檢測開關同時也是編碼器的零位標志。

      當出現初始位置不好，或者提升裝置撞到低位或高位安全限位需要重新使編碼器回零時，同時按住控制面板“啟動”和“停止”按鈕10s后進入編碼器回零順序步。以初始位置不好為例，進入回零順序步后首先以低速向上運動5s，如果低位檢測開關沒有激活，則向下運動直到低位檢測開關被激活為止。當低位檢測開關被激活后，將發送給驅動的編碼器控制字gn_stw相應位置1，編碼器值變成0，從而達到編碼器回零的目的。