1、前言
1.1隨著物流業在國內的迅速發展，貨架作為物流設備中的一個關鍵支柱產業得到了快速增長，國內外冷彎設備制造商和貨架生產商為了提高貨架冷彎設備整機的可靠性，提高冷彎產品的質量和自動化程度，擴大貨架品種的市場適應性以及便于貨架新產品的開發研究和生產，降低生產經營成本，提高設備操作調試方便性，實現有關設備的故障自診斷功能等，貨架冷彎設備制造商不斷地采用PLC控制技術、交流變頻調速及機電一體化等新技術，以高性能的電氣控制技術更多地取代傳統的機械結構，以整線一體化技術替代分散的獨立的單機作業模式；各貨架生產廠家也紛紛投資改造老設備，其中應用較多的關鍵技術為交流變頻調速技術。且隨著科學技術的不斷進步和高精度的數字量化技術的實現，交流變頻調速技術中需要的大多數運算都可以用標準功能的軟件模塊來實現，而這些功能軟件模塊的性能指標在任何時候都無須單獨調試，只要作一些簡單的、必要的設置就可以付諸使用，也為交流變頻調速技術的廣泛應用創造了基礎。
2、交流變頻調速系統的特點及其在貨架冷彎設備中的應用特性
2.1交流變頻調速系統具有和直流調速系統相同的調速平滑特性、過載力矩和起動力矩大等優點，啟動平滑,能消除機械的沖擊力，保護機械設備。由于貨架冷彎產品的冷彎成型工藝性較復雜，其實際機組功耗大，冷彎成型材料機械性能的波動大、卷料的開卷直線度偏差大、厚度均勻性波動偏差大等特點，在貨架產品的生產制造過程中的機組成型負荷特性變化較大，存在過載運行和機組運行啟動力矩大等設備設計特性，國內部分冷彎機組制造廠家目前仍大量使用直流調速主傳動系統，實際上針對液壓停剪式冷彎機組存在主傳動系統的高低速轉化、啟動力矩大、過載能力強、停車和速度加減速平穩調速等特點，交流變頻調速系統具有更強的適應性，也是今后設備設計制造、改造的應用趨勢。
2.2 交流電機容量、速度和電壓等級等都可以做得很高，而相對制造成本較直流電動機要低。目前一般重型貨架冷彎設備生產線的主傳動功率可達到 132KW以上，要求軋制厚度在4.0mm以上、軋制寬度達600mm以上，冷彎角達1080度以上的冷彎貨架產品，其主傳動電機的成本優勢還是明顯的。
2.3 效率高，具有顯著的節電效果。在相同的情況下，交流變頻驅動比一般直流傳動方式能提高效率5％左右，比電動機一發電機組供電的直流傳動方式提高效率15％左右，比其它交流調速方式提高效率20％以上，節能效果顯著，對于貨架制造商而言具有很強的優勢。
2.4 系統的控制精度和響應速度均優于直流傳動指標和水平，可以使普通異步電動機實現無級調速，簡化機械變速機構，在上下工序的設備速度的匹配上更具有優勢。在貨架冷彎設備的傳動系統中，都是由鏈條或齒輪傳動來承擔，由于電動機啟動、運行特性的原因，在點動與啟動、運行過程中，不可避免地會出現鏈條爬鏈、斷鏈、齒輪沖擊等現象。在機械傳動輪系中，齒輪越多，造成齒輪損傷的機率就越大，應用交流變頻技術就能夠很好的解決平滑啟動，消除機械啟動時的沖擊力，簡化機械變速機構，實現機組無級調速，滿足生產工藝要求，提高成品質量，采用PC或PLC作上位機控制的交流變頻調速系統具有比直流調速高得多的動靜態調速性能指標，此點在我考察的多臺套機組的運行過程中得到了驗證：如我公司進口的貨架冷彎設備生產線，選擇合理的設備設置參數后能夠滿足貨架冷彎設備生產線控制系統響應速度快、速度精度高、魯棒性強的要求，實際應用長度位置最高控制精度在±0.1mm左右且可避免累積誤差。該控制系統可應用于高精度開口系列冷彎型鋼產品的生產中，特別是類似貨架立柱的產品，即對冷彎型鋼立、側面具有孔位高精度要求的在線預沖孔的冷彎成型生產線上。
2.5提高設備的可靠性，減輕工人的勞動強度，減少故障停機和檢修維護時間，延長易損件的使用壽命，降低原材料及備品備件的消耗。
2.6 啟動電流小，轉動慣量小，易于實現貨架冷彎設備生產線的位置定位與控制，對企業周邊設備的電流沖擊小，延長控制系統的使用壽命。
2.7體積小、重量輕、占地面積小，便于進行現有貨架冷彎設備生產線的改造調整，安裝簡單，電氣控制原理和方法已趨成熟。
2.8 對電機具有保護功能，提高了運行可靠性，降低電機的維修費用和運行成本。
3、交流變頻技術在貨架冷彎設備中的應用
3.1目前我公司現有的貨架冷彎設備整線基本運行速度為12～14 m/min。前后工序間的速度匹配、整線速度的調整以及貨架冷彎機組的位置定位等是交流變頻調速技術的主要應用。
3.2交流變頻調速在開卷機、校平機、壓力機等中的應用：主要實現前后道工序間的在線無級調速和同步跟隨性能，具有調速范圍大、維護簡便、安全可靠、功率因數高于0.9以上等優點，如：通過交流變頻調速系統進行壓力機工作頻率的調節，實現與伺服送料裝置工作節拍的協調和整線基本速度的調節；通過交流變頻調速系統進行開卷機和校平機運行速度的無級變換與工作狀態變換頻繁等，確保整線運行控制的自動化和速度上的一致性。校平機的啟停、變速是由緩沖地坑中的光電開關發訊后系統自動控制和調節的，保證在自動方式下連續運轉時有足夠的料可緩沖。交流變頻調速技術的應用極大地降低了設備速度匹配和設備調試難度，也便于今后根據生產產品發生的變化來提升設備的運行效率和產能。
3.3交流變頻調速在冷彎機組中的應用：冷彎成型機根據產品設計圖紙選擇合理的水平輥架數并完成產品的冷彎成型加工，主傳動采用交流變頻調速系統，剪切機負責將貨架組件定長切斷。交流變頻調速異步電機定位控制的研究經歷了較長階段，定位控制的傳統做法是采用機械擋塊來定位。如：濟南鑄鍛所為我公司設計制造的貨架立柱冷彎生產線為達到定尺寸定孔位切斷的精度：±0.5mm，其液壓飛剪系統的定位設計中就引入了定位插銷和電氣定位雙精度控制技術，目前，在各個行業中所用的定位方式可分為四種：機械定位，電氣定位，空氣定位，光學定位。電氣定位控制系統一般是以數字方式工作的，故可以提高精度，十分簡便，易于和PC、PLC等各種上位控制系統和控制電路相匹配。目前在舊型冷彎機組中應用變頻調速技術是針對變頻器的速度參數設定幾個固定的運行頻率（例如高速、中速、低速三種頻率），根據冷彎機組上實際產品的控制要求由PC或PLC對變頻器的三種（頻率）速度進行切換，達到調速和停準的目的。但當具體產品對冷彎機組的位置停準精度要求提高后，這種開環式的有級調速就不能滿足產品的位置精度控制要求而采用變頻無級調速閉環控制技術。對如此復雜的位置控制系統，變頻技術必須能克服以下技術問題：（1）將復雜的交流異步電機的數學模型簡單化；（2）考慮位置旋轉編碼器反饋信號的延后和超調；（3）將冷彎軋制控制過程的動態參數描述成時變函數；實際上均采取位置比較和現場調試延時來簡單化處理；（4）保證位置閉環的抗波動能力高和即時調節性好（5）考慮前后工序速度匹配反饋信號的傳遞與控制上的協調；（5）、機械加工與配合精度等。
4變頻調速閉環控制技術及原理
4.1要實現貨架冷彎成型機組的閉環無級控制，必須根據變頻器和異步電機的特性，即：在一定載荷下變頻器所存在的理想加速和減速特性曲線，或根據不同的品牌和規格的變頻器的特性參考資料、冷彎機組加工件的負荷特性、電機的負荷特性等進行適時調整。對于貨架冷彎成型機組主電機的變頻調速而言，需要對其進行PID控制，需正確選擇速度反饋方式和PID的各類參數、加減速時間0～100%的設定、變頻器的設定輸入值需具有二至多端的輸入并能進行基本運算，反饋信號需具有接收模擬信號或脈沖信號的端口等等。
4.2基本控制思想為：1）、根據旋轉編碼器測量反饋的當前速度信號適時調整變頻器的輸出驅動頻率值，從而保證變頻電機能以要求的速度平穩運行；其還表現在必須根據具體冷彎產品的成型工藝要求、負荷波動規律等選擇相應的速度控制模式，即初時運動加速度與加速控制時間、平穩運行速度與距離、減速運動加速度與控制時間等進行變頻器的適時調整，確保主機運行及控制反饋運行過程的平穩，消除不穩定形成的系統超差故障；2）、根據旋轉編碼器的脈沖測量數反饋當前冷彎機組主電機的位移信號及預先設定的控制方案適時調整變頻器的輸出驅動頻率值，使變頻電機先以較高的速度運行到接近冷彎產品控制切斷長度的位置后將速度平穩降到較低的速度下工作，并在切斷控制處準確制動停準，必要時可采取機械抱閘系統來輔助快速定位，再通過輸出控制點發出切斷控制信號實現液壓停剪；PC控制系統在工作過程中實時采集運行數據，并不斷地與存放在軟件控制數據塊里的標準位置參數進行比較和控制決策，從而達到快速準確定位、提高作業效率的目的，并與監控系統交換工作信息以實現生產管理系統的全面動態管理；PLC上位控制系統的交流變頻調速原理類似，其反饋信號同樣來自旋轉編碼器；即反映位置反饋信號，又反映速度反饋信號。通過PLC內置的PID控制模塊等實施對變頻器和異步電機的控制。
5變頻器的選型依據及容量的確定
5.1貨架冷彎成型設備的電氣拖動主要是驅動冷彎軋輥運動，其阻力矩TL取決于冷彎軋輥與鋼卷料之間的摩擦力FL與冷彎軋輥半徑r的乘積，即 TL=FL×r。在這里，冷彎軋輥的半徑r是恒定不變的，摩擦力FL的大小與相應的冷彎產品的孔型設計工藝水平、機組的傳動效率和相關材料與軋輥間的摩擦系數等有關，與轉速高低關系不大。這是典型的恒轉矩負載機械特性。這類負載轉矩和轉速的快慢無關，所以在調節轉速過程中，負載的阻轉矩保持不變。在選擇變頻調速系統時，除了按常規要求外，還根據機組運行的調速范圍、阻力矩TL的特點、對機械特性的要求等進行選擇：（1）選擇較為簡易的Ｖ／Ｆ控制方式的變頻器應用于：開卷機、校平機、壓力機等單機運行的變頻調速控制與整線速度上的匹配。（2）選擇有反饋的矢量變換控制方式應用于冷彎成型機組和在線液壓停剪設備系統中，主要是為了實現位置定位和液壓停剪功能，目前可實現的位置控制精度可達到±0.1mm以上，精度越高其生產效率會明顯下降，甚至產生位置定位震蕩，我公司根據貨架產品的工藝特點，位置精度控制在±0.5mm左右較合適，貨架冷彎機組主動力系統主要采用有反饋的矢量變換控制方式，如圖一控制原理。矢量控制通過電動機統一理論和坐標變換理論，把交流電動機的定子電流分解成磁場定向坐標的磁場電流分量和與之垂直的轉矩電流分量，把固定坐標系變換為旋轉坐標系解耦后，交流量的控制就變為直流量的控制，這樣交流電動機便能等同于直流電動機，從而獲得直流電動機一樣的控制性能。目前，交流電力拖動已完全可以與直流電力拖動相媲美。
5.2其次對冷彎機組成型功率的計算和確定；根據文獻2說明，機組驅動動力常由實際經驗推定，可參考部分機組的標準規范和經驗設計參數，也常用旋轉承受成形反力（荷重）的輥所需要的成形扭矩來求，如：成形扭矩T=P（成形荷重）×L（輥間接觸長度），且實測值常高于計算值；其中也給出了電縫管的計算經驗公式等。實際上不同的廠家對機組功率設計的標準也不同，機組傳動效率上也存在一定的差異（如：鏈傳動與齒輪傳動），如我公司的進口生產線，其成型寬度為：226mm，成型角為360度，卷料厚度達到3.0mm，選用卷料設計材質為SS490，機組主功率為37KW，而國產設備冷彎產品成型寬度為：336mm，最大成型角為1080度，常規產品成型角為720度，卷料厚度達到4.0mm，選用卷料設計材質為SS490，機組主功率為132KW，類比可發現其差異較大。
5.3最后為選用變頻器的容量，其有很多因數決定，例如電動機容量、電動機額定電流、電動機加減速時間等，其中，最主要的是電動機額定電流。
5.4交流變頻調速是通過變頻器來實現的，對于變頻器的容量確定至關重要。合理的容量選擇本身就是一種節能降耗措施。根據現有資料和經驗，比較簡便的方法有三種：
5.5（1） 電機實際功率確定法：首先測定電機的實際功率，以此來選用變頻器的容量。
5.6（2） 公式法：設安全系數取1.05，則變頻器的容量Pb = 1.05Pm/hm×cosy （kW）
式中，Pm為電機負載；hm為電機功率。計算出Pb后，按變頻器產品目錄可選出具體規格。
5.7（3） 電機額定電流法：變頻器容量選定過程，實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程，最常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機的額定功率，但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功率相差多少，通常都是設備所選能力偏大，而實際需要的能力小，因此按電機的實際功率選擇變頻器是合理的，或根據具體選用的變頻器品牌和性能進行選用。
6 存在的問題和不足
6.1在應用交流變頻調速技術的過程中也存在不足之處。主要表現在有的系統在設計方面還存在有相當不合理的地方。比如設計者沒有很好地利用變頻調速技術的優點，而是極端膚淺地實現系統的調速，貨架冷彎設備在實際的生產運行中（4極）電動機長期穩定地運行在20Hz。無論是變頻器還是電動機的能力都只用了40%左右，這是極不合理的。在后期產品的開發過程中還必須限制新冷彎軋輥的外徑設計、整線運行線速度的匹配等因素。
6.2系統設計中針對交流變頻調速系統的狀態反饋設計重視不夠，系統故障診斷設計重視不夠，系統選用品牌雜亂造成的備件、維修保養困難重視不夠等，包括用戶對系統調試參數保存與修改經驗上的不足等、對交流變頻調速系統的認識不足，相關外圍設備參數變化對系統參數的重調試等，如：編碼器測量輥的磨損與更換；均極大地影響了交流變頻調速系統在貨架冷彎生產線上的廣泛應用。