MM440变频器在锦纶生产线上的应用设计

王永辉 王晓伟

(1.三门峡职业技术学院， 河南 三门峡 472000；2.河南中原黄金冶炼厂有限责任公司， 河南 三门峡 472100)

0 前言

锦纶用途较为广泛，是合成纤维的主要品种之一，锦纶纤维一般采用熔体法纺丝。随着纺丝工艺技术和机器制造技术水平日益提高，纺丝设备的技术性能也在不断发展，纺丝设备除向高速发展外，还在向高度自动化和工序连续化方向发展，因此，对于锦纶生产线的电气控制提出了更高的要求。

本文主要是对某公司锦纶生产线电气控制部分进行设计,既要满足稳定自动生产要求，还要生产速度可调节以满足不同类型的成品生产要求。从安全和自动化程度方面来考虑，电气控制系统通过西门子公司的S7- 200系列PLC来实现，调速系统选用西门子MM440变频器。

1 锦纶生产工艺流程

锦纶生产的工艺流程如图1所示，其中有电机驱动的三部分是螺杆挤压机、计量泵和上油装置中的油剂泵。

2 锦纶生产线的电气控制设计

2.1 主电路的设计

本次设计的锦纶生产线主电路如图2所示，共有3台变频器来驱动电机，均选用西门子MM440变频器，这3台变频器由西门子S7- 200PLC进行集中控制。电动机1为螺杆挤压机电机(功率为132 kW)，由变频器1来实现变频调速；电动机2-17为油剂泵电机，这16台电机的额定功率都是0.37 kW，由变频器2进行变频调速；电动机18-33为计量泵电机，这16台电机的额定功率都是1.5 kW，由变频器3进行变频调速。电机参数见表1。

1)每个计量泵对应一个油剂泵，油剂泵电机和计量泵电机在运行过程中要实现单方向的锁定，油剂泵电机必须先于计量泵电机运行，并且在停车时计量泵电机先于油剂泵电机停下来，在计量泵电机没有停下来之前油剂泵电机是不能停下来的。

2)利用PLC对变频器和每台电机分别进行控制，其中任何一台计量泵电机或油剂泵电机出现故障对其他的计量泵电机或油剂泵电机的工作都不会造成影响，这样又实现了分步的控制。

3)同时也设计了自动运行部分和手动部分。设计的电路利用高级操作面板(AOP)，通过RS485接口进行通信，显示速度、频率、电动机方向和电流值等，实现变频器运行参数的采集。

图1 锦纶的生产工艺流程

图2 锦纶生产线主电路图

表1 锦纶生产线上的电机参数

2.2 PLC的应用

本次设计选用西门子S7- 200PLC系列，由于设计了自动和手动控制，则共需要的输入、输出点数为73个，其中37个输入点，36个输出点。这里选用CPU 226 PLC再对其进行扩展，扩展模块用到了3个EM221和3个EM222，EM221是8点DC输入，EM222是8点AC输出。

2.2.1 控制电路

PLC控制系统电路如图3所示。

1)Q1为螺杆挤压机的光电传感器。由于螺杆挤压机不允许在空载状态下运行，当没有原料时，光电传感器就会动作使设备停止运行，SB1为自动运行开按钮，SB2为自动运行的停止按钮。

2)Q2为螺杆挤压机的自动检测传感器。当检测到螺杆挤压机部分有故障时，就会自动进入故障处理，在排除故障后就自动恢复工作。

3)Q3-Q18分别为16台计量泵部分和油剂泵部分的自动检测传感器。工作原理与Q2相同，这样可以保证1台计量泵部分和油剂泵部分出现故障不会对整个生产造成影响。其中手动部分只用来调试时使用。

4)⊗表示控制电路中的指示灯。指示灯的亮、灭表示该部分的工作状态。在控制电路中16台油剂泵的控制部分都相同，所以中间剩去了一部分没有显出来；16台计量泵也是一样。

图3 PLC控制系统电路图

2.2.2 PLC的端子接线

对于PLC的端子接线，本文只列出了PLC的扩展模块的端子接线(图4)，226模块的接线图和PLC的程序限于篇幅原因不再列出。

图4 PLC扩展模块的端子接线图

2.3 通用变频器的应用

由于锦纶生产设备运行实现的是恒转矩，因此选择了MM4系列通用变频器中的MM440变频器。MM440矢量控制型通用变频器是MM4系列通用变频器中的高性能机型，适应多种应用场合。

2.3.1 变频器的接线方式

MM440通用变频器的接线方式如图5所示。

2.3.2 变频器的选择

变频器的选择包括变频器的型式选择和容量选择，选择原则是：功能特性能保证可靠地实现工艺要求和有较好的性能价格比[1-3]。当1台变频器驱动多台电机且多电动机并联运行时，电机加速时间在1 min以内，此时变频器容量和额定电流需要满足以下条件[4]：

(1)

(2)

式中：PCN——变频器容量，kW;

ICN——变频器的额定电流，A；

PCN1——连续容量,kW;

PM——负载要求的电机的轴输出功率，kW;

k——电流波形的修正系数，取1；

η——电机效率，通常约为0.85；

cosφ——电机功率因数，通常约为0.75；

nT——并联的电机台数；

nS——同时起动的电机台数；

KS——电机起动电流/额定电流，A；

IM——电机额定电流，A。

图5 电动机、电源及变频器的典型电气接线方式

结合16台计量泵电动机和16台油剂泵电动机的参数(表1)，根据式(1)和式(2)进行计算，计量泵变频器的容量≥91.7 kW、额定电流≥142.2 A，油剂泵变频器的容量≥10.6 kW、额定电流≥21.0 A。式中IM是按电动机实际运行中的最大电流计算，变频器的容量可以适当缩小，计量泵和油剂泵的变频器的选择见表2。

表2 计量泵和油剂泵的变频器的型号参数

3 经济效益

锦纶生产线的电气控制设计中硬件的设计主要考虑安全性和价格成本，根据输入/输出断口多少来选择用什么扩展模块，并且剩余几个输入和输出端口以便今后的技术改造。PLC的程序设计控制变频器的数字输入端采用了顺序控制指令，这样使出现的问题更易查找、设计，并且程序的通用性比较好，对于多项相类似控制设计有利。系统在运行以来，经济效果显著，一年可节电60万度，以每度电0.6元计算，可节约电费36万元，达到了设计效果。

4 结束语

锦纶生产线系统最重要的就是要保证生产线各单元的传动同步稳定运行，以保证转矩恒定不能将锦纶丝拉的过细甚至拉断，所以对调速系统也要求很高。本文采用PLC和变频器组成的控制系统，使锦纶生产线的运行更可靠稳定，且易于操作和改造，可以实现大范围内的高效连续调速控制，实现速度的精确控制[5-6]，实现电动机的正反转切换，可以进行高精度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动[7-8]。同时，电机在带动较大负载在启动时，采用变频器可以实现软启动，减小冲击电流，解决了大负载的启动问题。