台达VFD-B-P系列变频器在石油焦输送机控制系统中应用

1、引言

       经过二十多年的不断发展和技术创新，变频技术已十分成熟和完善，其应用也已非常广泛和普及，尤其是国产变频器，在技术、性能和质量上已完全与进口产品相比美，甚至部分产品功能超过了外国进口产品，只是由于过去遗留在人们脑海中的旧观念和意识，是人们目前还对国产变频器存在着不好的想法和不忍可的关念，但随着时间的推移和国产变频器的不断地使用，人们会漫漫地重新认识国产品的和性能的，只要国内众多企业不断地努力和完善自己的产品性能，作好售后服务，就会得到国内所有企业内工程技术人员的认可和首选。在实际企业设备改造和更新中，人们一般首选自己曾经使用过的厂家产品，只要使用过国产变频器，人们就会迅速改变过去观点。

       台达变频器以其高质量、性能优越、功能多、控制精度高等特点，已得到众多企业工程技术人员认可和接受，近多年的实际应用效果充分证明  台达VFD-B-P系列变频器的质量、性能和功能的优越，其调速范围大、调速精度高、节能的优点，易于控制、维护少，工作可靠、操作方便、保护监控功能完善、控制电路简单、易实现的特点，被广泛应用。尤其是在较为复杂的控制中，只要合理地设定变频器相关参数，就能完全满足和实现其复杂控制系统和要求。

2 、生产工艺与设备现状

       在铝电解预焙炭素阳极生产、成型、焙烧和组装工艺过程中，皮带输送机被广泛应用于石油焦、沥青和残极等散装物料输送作业线上。由于设备故障、异常和生产工艺变化的随机性，实际皮带输送料量变化很大：如煅烧锻后焦皮带输送机，有时为3.5-6.5t/h之间（1台回转窑生产）；有时可达到18t/h（煅烧3台回转窑生产）以上。但普通皮带输送机均设计为1种速度拖动（如带速为0.82m/s或1m/s），其输料能力最大为12—13.5t/h。因而对于特殊状态下的（输料量超过14t/h以上）实际生产难以得到满足，经常会出现压料或落料现象（因皮带上堆料过高，皮带在运动过程中会出现部分物料滑落在输送机两侧）。清扫落料需要耗费大量人力，作业人员易被皮带挂伤，存在着安全隐患，也会造成原料损失和生产环境恶化等问题。另外，因设备大修或计划检修，有时只有1台回转窑生产，皮带机实际输送料量很小，皮带长期（每天24小时运行工作制）运行在超低负载状态；其次每2个月一二期阳极成型安排1次设备计划检修（停产10-14天）。由于两成型煅后焦原料仓单台爬坡皮带输送机最大输送能力只有13.5t/h左右。当3台回转窑同时生产时，其煅后焦只能用2条爬坡皮带同时就近输送、存贮。然后再通过车辆转运平衡物料。由于上述问题，我厂提出了应用变频调速技术对多条皮带输送机控制系统进行技术改造，实现皮带走速调节，达到提高其输送量，减少皮带跑空现象，延长皮带使用寿命等作用。

3、系统设计

       我们更好地提升我厂煅烧皮带输送机的输料能力，进一步减少其能耗，实现皮带走速调速控制要求，根据现有设备现状，并依照经济性的原则，综合考虑进行系统设计、配置和选型。

3.1 设备配置

      ①爬坡皮带输送机拖动设备为三相异步交流电动机，其主要技术参数和性能：
         a型号Y160M—4、功率11KW（3～）、23.6A、380V、50Hz、1430r/min、皮带走速0.82m/s。
         a型号Y2200M2—4、功率15KW（3～）、29.6A、380V、50Hz、1460r/min、皮带走速1.0m/s。
      ②皮带秤：
         a.型号SM14（三组托辊悬浮式结构）：由SM14型全悬浮式称重桥架、SM12C型测速传感器、SM2301-D型转换器、SM2301-D积算仪组成（我厂煅烧一二期煅后焦计量）。
         b.型号SM20—1（单托辊）：由SM20型杠杆式称重桥架、SM2012C型测速传感器、SM2001积算器组成（我厂煅烧三期使用）。

3.2 变频器选型

       通过对国内外众多厂家变频器性价综合比较，结合本系统控制要求，选择VFD-B-P系列（台达生产）的变频器较为适宜，此系列变频器具有功能齐全、调速精度高、稳定性好和应用范围广等特点；其次还具有质量高、性价比高、抗干扰能力强、适合炭素恶劣环境使用、多参数控制等功能，能较好地实现多变量、复杂的控制系统需要。因此完全能满足爬坡皮带输送机根据皮带上料量大小自动调节皮带走速控制要求。

       根据实际经验，变频器的选用首先要明确其使用的目的、应用在场合，按照生产机械的类型、调速范围、控制精度、启动转矩等实际要求，并从容量、电压、频率、保护功能、电网稳定性等诸方面进行综合考虑，其次依满足工艺和生产的基本条件为前提、既要考虑好用、又要经济、今后维修方便及备件易采购的原则，进行系统地选择其机型和生产厂家。

       据理论要求，应用环境海拔超过1000m时，变频器应降容使用，海拔每升高1000m  变频器的实际容量会降低5%。我厂地处2400m以上的海拔，故在选择变频器的容量、负载能力和散热能力时，一般应有20%以上的余量。

       由于VFD-B-P系列变频器具有功能齐全、调速精度高（调速误差为0.01Hz），过载能力大（可达到250%以上）、稳定性好和调速范围广（最大输出频率可达到400Hz）等特点；其次还具有质量高、性价比高、抗干扰能力强、适合炭素恶劣环境使用、多参数控制等功能，适合多变量、复杂的控制系统。因此完全能满足爬坡皮带输送机根据皮带上料量大小自动调节皮带走速控制要求。故选择如下容量和型号的变频器；

       a.型号VFD150B43P(拖动Y160M—4、11KW电动机)；
       b.型号VFD185B43P(拖动Y2200M2—4、15KW电动机)；

       由于输料机安装地距电磁站距离有120多米，故须增设输出电抗器，其分别为TDL-4A001-0150（适配功率15KW）和TDL-4A001-0110（适配功率11KW）。

3.3 控制原理

       我厂3个成型石油焦储料仓分别采用1条爬坡式皮带输送机，其驱动装置采用11KW（三期为15KW）普通三相交流异步电动机拖动；其爬坡皮带输料机结构和原理如图1所示。由于皮带输送线上通常设有多个加料口。如我厂煅烧1#、2#、3#回转窑（产能均为6t/h）煅后石油焦、1个物料平衡加料口和1个焙烧填充料回收投料口等原料均供给一二成型车间生产用料。虽然3台回转窑排料口2个加料口通过过桥皮带输送机与2个成型爬坡皮带连通。但由于1台爬坡皮带输送机原设计输送料量为13.5t/h。若3台窑同时给1个成型原料仓上料，则1台爬坡皮带输送机就不能及时将料输送走。在实际中，通常启动2条爬坡皮带同时向2个成型原料贮存仓输料。然后再用车辆转运。故每月要安排50余台?班次车辆平衡物料（转运成型原料仓内的石油焦）。

图1 爬坡皮带输送机结构与原理图

       针对生产中存在的上述问题，2009年我厂提出了变频改造计划，经过在1条爬坡皮带输送机控制系统改造试验，并使其工作在60Hz条件下，在不同工况环境下连续运行，其电机温度、电流等运行参数均正常；在5Hz条件下较长时间运行时，11KW异步电机温度较高（达到58℃左右），其运行参数如表1所示。

表1 皮带输送机变频控制条件下运行参数测量（环境温度19℃）

       系统控制原理：每条爬坡皮带输送机拖动机构由一台交流异步电机驱动，采用VFD150B43P变频器控制。其变频器通过外部电位器设定值与皮带电子称实时测量信号相加，作为初级给定信号，并通过滤波、PID、限幅等处理后，作为实际频率控制给定值信号，实现输送机皮带走速控制和调节，达到根据输送机皮带上实际料量大小自动调节控制目的。其次系统还设计了变频器恒速运行模式（即面板设定速度：1台窑下料时，频率设为30Hz；2台窑下料时，频率设为45Hz；3台窑下料时，频率设为60Hz），当皮带称发生故障时（影响输料工作），只需将变频器给定方式修改为面板设定方式，并设定相应的频率，即可使系统投入正常运行。其系统结构、控制原理如图2所示；变频器控制接线如图3所示。

图2 皮带输送机变频调速系统控制原理

图3 变频器主、控制线接线图

       变频器PID控制功功能，能很好地抑制皮带走料不均和皮带抖动引起的称重系统信号波动，过滤能显著降低变频器的频繁加减速调节的问题。通过大积分时间常数设定，使称重系统信号扰动加入到系统瞬间，积分不起作用（因积分调节作用是滞后的，积分时间越大，调节速度越慢），有利系统稳定，滞后性又减小波动，增加系统的抗干扰能。小的微分时间常数有利于料良突然增加后（相当于阶跃输入），能迅速提高皮带速度的控制。只要适当的选取这些参数，就能很好地实现皮带速度的准确控制效果。

       应用变频器控制皮带走速功能，实现了根据给料量大小采取不同的皮带走速控制方式，达到了自动调节皮带的输料量的目的。如3台回转窑同时生产时，1条爬坡皮带机的驱动电机运行在58  Hz左右就能满足生产要求；2台窑生产时，电机运行在46Hz左右；1台窑生产时，电机工作在31Hz左右；料量低于0.8t/h或空载时，电机运行在10Hz（此值为皮带最低工作频率）。实际运行效果证明，采用变频器控制后，爬坡皮带输送机的输送提高了36%以上能力，使皮带输送机的输料量显著得到增加，又实现了其较为经济的运行工作效果。降低设备空耗和磨损，大幅减少了生产中“大马拉小车”的现象。同时也能显著延长设备使用寿命。使一线操作人员的巡视、维护、清扫作业等日常工作强度明显地得到减少；由于输送机的皮带走速度由原来0.82m/s提高到1.27m/s，输料量由原来13.5t/h增加到18.6t/h，设备的工作能力提高了近40%；每月减少平衡物料用车36台?次（费用580元/台?次）；清料次数减少至6个班1次（改造前为每班1次）；清料量不足0.1t/次（改造前为0.3t/次左右）。1条爬坡皮带就能完全承担3台回转窑煅后焦输送任务。经过1年多的使用，其效果十分良好，于是我们先后对其它2台输送机进行了改造，起效果均十分理想。
4 、系统参数设置与调试

       变频调速系统安装完成后，根据实际生产情况进行系统调试，才能更加发挥其控制效果。本系统调试主要分为皮带秤系统参数设定与变频器控制参数设置。

4.1 皮带称调试

       SM20—1为单托辊皮带称（SM14为三组托辊悬浮式结构）、SM2001（SM2301-D）积算器具有计量、皮带瞬时走料量、带速、料量累加等运算功能，设有4—20mA信号输出接口，设定积算器的输出比例参数可得到不同走速时的信号值。

4.2 变频器控制参数设置

       由于VFD-B-P系列变频器具有用户参数（00-00┅00-10）、基本参数（01-00┅01-23）、操作方式参数（02-00┅020  -15）、辅助功能参数（03-00┅03-12）、输入功能参数（04-00┅04-25）、多段速以及自动程序运行参数（05-00┅05-34）、保护参数（06-00┅06-18）、电机参数（07-00┅07-15）、特殊参数（08-00┅08-22）、通讯参数（09-00┅09-07）、回授控制参数（10-00┅10-16）、多组电机控制参数（11-00┅11-07）等参数设置，正确设置这些参数，才能使变频器实际运行在最佳工作状态。在通常情况下，变频器停止时，方可修改其控制参数；在运行中，只能修改少数监控和查看有关工作参数（如频率、电流、电压、温度等参数）。

      (1)输入设置及其它主要参数确定

       设置AVI、AIC1为信号输入端：AVI—为主速指令给定输入；AIC1—为辅助指令（皮带秤量信号输入端）。通过主辅给定求和：即AVI与ACI1信号按照一定的比例运算、放大等处理，作为变频器的实际控制信号给定。电位器给定作为控制信号由变频器的AVI输入；皮带秤的瞬时流量信号（4－－20mA）作为控制信号由变频器的ACI输入。通过变频器的程序处理（比例、合成），作为变频器的最终控制信号。其主要设置方法如下：

       ①确定给定AVI输入信号的范围。首先断开皮带秤信号（或使ACI电流为4  mA），调整主速指令给定电位器至最小（一般不超过100Ω），启动变频器运行（带载），缓慢增加给定电位器电阻至变频器工作在60Hz；在调试过程中应多选择几个工作点，以便准确地获得系统控制曲线；实际验证时，要在不同给料量条件下进行测试。最大输料能力的确定是以实际最大负载（如皮带给料量达到18-19t/h）时，其能及时输送为原则，测取系统相关数据。其测得的部分数据如表1所示（包括变频器输出频率、皮带秤瞬时流量值）。

表1 变频调速系统相关技术参数测量记录

注：此表内数据为11KW爬坡皮带输送机的运行参数。

        ②确定皮带秤信号比例关系：首先使变频器运行在10Hz状态，将皮带称输出信号接入变频器，连续、均匀地给料（皮带秤信号从4mA开始增加，其改变量小于0.1mA，则可认为给料恒定），记录给料量、变频器输出（频率）、电机温度等参数值（见表2所示）。分析数据，则可验证其设定值的大小是否合理。可根据数据变化趋势，采取相应的对策（必要时还可修改称重系统信号输出斜率）调整其比例系数。本系统最终确定其皮带秤信号的比例系数为82%。另外若给定值修正不理想，可通过改变皮带秤的PID参数（一般是改变比例常数），也可优化匹配的参数修正值。

表2 皮带秤信号技术参数测量记录

注：此表内数据为11KW爬坡皮带输送机的运行参数；K—为皮带称输出增益系数。

       ③最高频率确定：当3台回转窑满负荷正常生产时，其1条爬坡皮带输料量必须达到18.6t/h（±0.2）以上，才能保证皮带不会出现压料现象，此时变频器输出必须超过58Hz以上。由于这一频率超出工频不多，又电机额定转速为1460r/min（4极），其工作在58Hz时电机转速不超过1740r/min，根据电机设计学，其小幅度的超频运行完全可以。经过较长时间超频（60Hz）运行，其电机各项运行参数均正常。

       ④最低频率确定：由于皮带输送机采用普通异步电动机驱动，其工作频率低于10Hz时，电机温度迅速升高（见表3所示），虽然实际中，这洪超低速运行现象较少，但对于拖动系统的安全性和可靠性要求，应尽可能地避免，为此将系统的最低频率定为10Hz。

表3 变频器驱动普通异步电动机的运行参数

注：此表内数据为11KW爬坡皮带输送机拖动电机运行参数。

       系统投入运行后，为降低系统因传感器、积算器等控制器的信号波动引起变频器频繁工作在加、减速调节现象（这会造成电机、变频器运行温度较高问题），可采用延长积算器信号采样周期和增大PI积分常数等措施，就能显著地提高变频器的稳定性。另外采取在变频器的ACI端增设高频过滤器，也可改善系统的波动现象；加速时间设定为4—7s较为适宜：加速时间过长，当皮带料量突然较大幅度地增加时皮带不能及时升速，造成压料现象；加速时间太短，由于皮带负载时惯性很大，会使皮带出现打滑现象。这种设置虽降低了系统的动态响应性，但却能提高皮带输料机的正常工作稳定性。

(2)变频器设定的工作参数

       VFD110B43P变频器在我厂一二期煅后焦爬坡皮带输送机（Y160M—4、11KW）控制系统中最终设定的工作参数内容见表1所示。其余参数默认为出厂设定值（即为变频器出厂时设定的有关数值）。

表1 VFD110B43P变频器主要参数设定

5、 系统运行效果

       石油焦皮带输送机采用VFD110B43P或VFD150B43P变频器调速控制，能使输料机皮带走速实现较大范围（0.3m/s～1.24m/s）调速。输料能力大幅增加。2009～2010年我厂先后对石油焦煅烧系统3条皮带输送机控制系统实施了变频调速改造。3年的实践证明，这种小范围内的增加电机运行频率，是完全可行的，其改造效果良好：皮带输送能力提高了38%（如爬坡皮带输料机的输料量由原来13.5t/h提高到18.6t/h）；皮带使用寿命大幅延长。由于大幅减少了皮带跑空现象，其输送机月耗电降低约26%左右；皮带寿命平均延长1倍以上，每台输送机每年减少维修直接费用（如购置皮带、棍子、润滑油等机械备件）0.8万多元以上。其次应用VFD-B-P系列变频改造，还有如下几点好处：

       ①改造实施难度低。适合企业自己施工改造，没有复杂的外部控制电路设计，调试方便，系统易实现。
       ②通过变频器的有关参数设定就能实现系统的最优控制和各项参数优化调整。
       ③改造成本低：只需购置变频器就可实现设备改造。许多原有的电器件都得到了充分利用。如电机、皮带称（包括控制仪）、操作柜、动力电缆等。
       ④变频器运行稳定、维护工作量少（根据安装地环境特点，适当安排清灰、检查即可）。
       ⑤设备运行效率高。改造3年来，设备工作平稳，皮带未发生过撕裂、拉断等现象。
       ⑤节约电能。在输送料量相同的条件下，电机电流平均降低4.2A。

6、 结语

      应用VFD-B-P系列变频器对石油焦皮带输料机控制系统改造，实现了皮带走速根据实际给料量大小自动控制目的；提高其输料能力，减少皮带跑空现象，大幅降低了物料输送中的能耗，节约电能，根据改造前后皮带输送机实际电流大小，初步计算每月单台输送机可节电1100KWh以上，每年节约电能1.3万多度。

作者简介

韩敏（1967-）男  高工，先后在电解、炭素行业从事设备技术管理和维修工作，现从事设备维修、技改和大修等工作。