剥锌机应用系统中的制动电阻和制动单元(上)

      一、引言
      随着有色金属行业的重新规划布局，作为中国铅锌冶炼著名企业的中金岭南有色金属有限公司在广东韶关新建丹霞冶炼厂，向成为中国有色金属中坚企业迈进。随着社会发展，机械化、自动化要求的提高，丹霞冶炼厂引进卢森堡pw公司的多功能自动行车两台、全自动剥锌机组和刷洗机两台、阳极板清洗拍平机一套，并把带有制动电阻和制动单元的变频系统全部机组整合到一个工业以太网内，各个部分之间正常通讯实现各部分的协调和整个系统完全自动化。 　　
 
      电解车间由铝板作为阴极吸附溶液中的锌离子成为金属锌，铅板作为阳极吸附溶液中的二氧化锰等添加剂成为阳极泥。因此每隔一定周期需要将阴极板上的金属锌片剥离下来再经过刷洗干净后放入电解槽中，需要将阳极板上吸附的阳极泥清除干净并进行拍平。剥锌系统由链条传送带、剥锌单元、制动单元、锌片传送单元、堆垛单元和堆垛传送单元等部分组成。多功能自动行车将一吊阴极板放置在链条传送带上，链条由两个同步电机控制，每行走一步都将一块阴极板传送到剥锌单元提升装置处，然后电机带动提升装置上升将阴极板提升到一定高度后用剥刀将锌片剥离，锌片剥离后掉入制动单元中，制动单元将剥离下的锌片减速传递到锌片传送单元，锌片传送单元将锌片传送到堆垛单元，堆垛到指定块数后由堆垛传送单元运送至指定地点由叉车运走。
 
      二、制动电阻的选用    
      制动电阻是用于将电机的再生能量以热能方式消耗的载体，它包括电阻阻值和功率容量两个重要的参数。通常在工程上选用较多的是波纹电阻和铝合金电阻两种：前者采用表面立式波纹有利于散热减低寄生电感量，并选用高阻燃无机涂层，有效保护电阻丝不被老化，延长使用寿命；后者电阻器耐气候性、耐震动性，优于传统瓷骨架电阻器，广泛应用于高要求恶劣工控环境使用，易紧密安装、易附加散热器，外型美观。

      1、制动过程      
      能耗制动的过程如下：  
      A、当电机在外力作用下减速、反转时（包括被拖动），电机即以发电状态运行，能量反馈回直流回路，使母线电压升高；
 
      B、当直流电压到达制动单元开的状态时，制动单元的功率管导通，电流流过制动电阻；
 
      C、制动电阻消耗电能为热能，电机的转速降低，母线电压也降低；  
 
      D、母线电压降至制动单元要关断的值，制动单元的功率管截止，制动电阻无电流流过；
 
      E、采样母线电压值，制动单元重复ON/OFF过程，平衡母线电压，使系统正常运行。

      2、安装要求      
      制动单元与变频器之间，以及制动单元与制动电阻电阻之间的配线距离要尽可能短（线长在2m以下），导线要足够粗；     
    
      制动单元在工作时，制动电阻将大量发热，应此要充分注意散热，并使用耐热导线，导线请勿触及制动电阻；     
   
      制动电阻应使用绝缘挡片固定牢固，安装位置要确保良好散热，建议制动电阻安装在电控柜顶部。

      三、控制系统的构成及完成的功能
      1、控制系统的构成 　　
      自动剥锌机采用西门子公司推出的驱动控制器sinamics s120，集v/f控制、矢量控制、伺服控制为一体的多轴驱动系统，具有模块化的设计。各模块间通过高速驱动通讯接口drive-cliq相互连接。 　　
   
      剥锌机硬件组态图如图1所示。plc采用cpu 319-3 pn/dp，其具有三个接口，mpi/dp接口用于连接分布式i/o，dp(drive)接口用于连接驱动器系统，pn-io接口用于连接工业以太网。运动控制系统采用sinamics s120配置方案，使用profibus dp作为通讯网络连接各部分。图1中组态有5套sinamics s120分成三组，包括两台剥锌机，一台刷洗机、l1_p1和l1_p2驱动1号剥锌机9个轴、l2_p2和l2_p2驱动2号剥锌机9个轴、l3_s1驱动刷洗机3个轴。l1_p1驱动4个矢量轴，分别控制剥锌提升电机，堆垛电机、锌片传送单元电机和堆垛传送电机。l1_p2驱动5个v/f轴，分别控制链条传送电机，2个制动单元、1号皮带传送电机和2号皮带传送电机。l2_p1和l2_p2功能和l1_p1，l1_p2一样。l3_s1驱动两个矢量轴控制两个提升电机，1个v/f轴控制链条传送电机。

                                                                     图1 剥锌机硬件组态图
   
      2、控制系统完成的功能 　　
      本节主要介绍plc与sinamics s120的通讯和控制系统完成的功能，如提升电机带一个位置编码器的速度控制、剥锌机和刷洗机链条的位置控制和制动轮胎与传送皮带之间的速度同步控制。    
    
      （1）采用带一个位置编码器的速度控制 　　
      剥锌机、刷洗机提升电机其提升过程主要分为两步：从低位提升到中间位，停止后闭合剥刀，之后再从中间位提升到高位，锌片剥离后先从高位下降到中间位，再回到低位，因此需要对速度进行控制。本项目采用带一个位置编码器的速度控制，具体实现过程如下。 　　
 
      位置编码器安装在提升电机低速端，通过smc30连接到s120中，再将编码器实际位置值通过状态字gn_xact1传送到用户程序。通过以下方式达到控制输出速度的目的。　　构建位置及速度运算功能块fb30及其背景数据块db118。背景数据块中主要变量描述如下： 　　　      measure_position：由编码器传送到用户程序的当前位置值；
      set_position：设定位置值，即此次运动的目标位置值； 　　　　
      error_position：当前位置值和设定位置值之间的差数； 　　　　
      gain：此次定位运动的加速度或减速度值； 　　　　
      inertia_stopping：不同电机有不同机械特性，因此停止时由于惯性可能导致位置误差； 　　　　
      output_speed：输出设定速度； 　　　　
      error_validation_inertia：误差允许值和惯性数值之和。 　　
      以剥锌机提升电机为例，当设定从低位运动到中间位时，将中间位具体数值传送给设定位置值。设总误差值： 　
      error_validation_inertia= | set_ position－measure_ position|，则输出速度output_ speed= 。每 个区间、手动、半自动和自动均设定最大速度值output_max_ speed和最小速度值output_ min_speed。gain类似于加（减）速度，其具体数值根据各区间最大速度值及其它因素而定，gain越大，加（减）速度越大。输出设定速度output_speed运算结束后传递给db116.dbd24，再写入对应驱动的速度设定字中。 　　

      用户程序通过报文获得编码器的状态字gn_zsw及编码器实际位置值gn_xact1，同时用户程序向编码器发送一个字长的控制字gn_stw。本项目编码器回零方式为直接设定参考点：提升装置设定有低位检测开关，此低位检测开关同时也是编码器的零位标志。

      当出现初始位置不好，或者提升装置撞到低位或高位安全限位需要重新使编码器回零时，同时按住控制面板“启动”和“停止”按钮10s后进入编码器回零顺序步。以初始位置不好为例，进入回零顺序步后首先以低速向上运动5s，如果低位检测开关没有激活，则向下运动直到低位检测开关被激活为止。当低位检测开关被激活后，将发送给驱动的编码器控制字gn_stw相应位置1，编码器值变成0，从而达到编码器回零的目的。