1、前言
1.1随着物流业在国内的迅速发展，货架作为物流设备中的一个关键支柱产业得到了快速增长，国内外冷弯设备制造商和货架生产商为了提高货架冷弯设备整机的可靠性，提高冷弯产品的质量和自动化程度，扩大货架品种的市场适应性以及便于货架新产品的开发研究和生产，降低生产经营成本，提高设备操作调试方便性，实现有关设备的故障自诊断功能等，货架冷弯设备制造商不断地采用PLC控制技术、交流变频调速及机电一体化等新技术，以高性能的电气控制技术更多地取代传统的机械结构，以整线一体化技术替代分散的独立的单机作业模式；各货架生产厂家也纷纷投资改造老设备，其中应用较多的关键技术为交流变频调速技术。且随着科学技术的不断进步和高精度的数字量化技术的实现，交流变频调速技术中需要的大多数运算都可以用标准功能的软件模块来实现，而这些功能软件模块的性能指标在任何时候都无须单独调试，只要作一些简单的、必要的设置就可以付诸使用，也为交流变频调速技术的广泛应用创造了基础。
2、交流变频调速系统的特点及其在货架冷弯设备中的应用特性
2.1交流变频调速系统具有和直流调速系统相同的调速平滑特性、过载力矩和起动力矩大等优点，启动平滑,能消除机械的冲击力，保护机械设备。由于货架冷弯产品的冷弯成型工艺性较复杂，其实际机组功耗大，冷弯成型材料机械性能的波动大、卷料的开卷直线度偏差大、厚度均匀性波动偏差大等特点，在货架产品的生产制造过程中的机组成型负荷特性变化较大，存在过载运行和机组运行启动力矩大等设备设计特性，国内部分冷弯机组制造厂家目前仍大量使用直流调速主传动系统，实际上针对液压停剪式冷弯机组存在主传动系统的高低速转化、启动力矩大、过载能力强、停车和速度加减速平稳调速等特点，交流变频调速系统具有更强的适应性，也是今后设备设计制造、改造的应用趋势。
2.2 交流电机容量、速度和电压等级等都可以做得很高，而相对制造成本较直流电动机要低。目前一般重型货架冷弯设备生产线的主传动功率可达到 132KW以上，要求轧制厚度在4.0mm以上、轧制宽度达600mm以上，冷弯角达1080度以上的冷弯货架产品，其主传动电机的成本优势还是明显的。
2.3 效率高，具有显著的节电效果。在相同的情况下，交流变频驱动比一般直流传动方式能提高效率5％左右，比电动机一发电机组供电的直流传动方式提高效率15％左右，比其它交流调速方式提高效率20％以上，节能效果显著，对于货架制造商而言具有很强的优势。
2.4 系统的控制精度和响应速度均优于直流传动指标和水平，可以使普通异步电动机实现无级调速，简化机械变速机构，在上下工序的设备速度的匹配上更具有优势。在货架冷弯设备的传动系统中，都是由链条或齿轮传动来承担，由于电动机启动、运行特性的原因，在点动与启动、运行过程中，不可避免地会出现链条爬链、断链、齿轮冲击等现象。在机械传动轮系中，齿轮越多，造成齿轮损伤的机率就越大，应用交流变频技术就能够很好的解决平滑启动，消除机械启动时的冲击力，简化机械变速机构，实现机组无级调速，满足生产工艺要求，提高成品质量，采用PC或PLC作上位机控制的交流变频调速系统具有比直流调速高得多的动静态调速性能指标，此点在我考察的多台套机组的运行过程中得到了验证：如我公司进口的货架冷弯设备生产线，选择合理的设备设置参数后能够满足货架冷弯设备生产线控制系统响应速度快、速度精度高、鲁棒性强的要求，实际应用长度位置最高控制精度在±0.1mm左右且可避免累积误差。该控制系统可应用于高精度开口系列冷弯型钢产品的生产中，特别是类似货架立柱的产品，即对冷弯型钢立、侧面具有孔位高精度要求的在线预冲孔的冷弯成型生产线上。
2.5提高设备的可靠性，减轻工人的劳动强度，减少故障停机和检修维护时间，延长易损件的使用寿命，降低原材料及备品备件的消耗。
2.6 启动电流小，转动惯量小，易于实现货架冷弯设备生产线的位置定位与控制，对企业周边设备的电流冲击小，延长控制系统的使用寿命。
2.7体积小、重量轻、占地面积小，便于进行现有货架冷弯设备生产线的改造调整，安装简单，电气控制原理和方法已趋成熟。
2.8 对电机具有保护功能，提高了运行可靠性，降低电机的维修费用和运行成本。
3、交流变频技术在货架冷弯设备中的应用
3.1目前我公司现有的货架冷弯设备整线基本运行速度为12～14 m/min。前后工序间的速度匹配、整线速度的调整以及货架冷弯机组的位置定位等是交流变频调速技术的主要应用。
3.2交流变频调速在开卷机、校平机、压力机等中的应用：主要实现前后道工序间的在线无级调速和同步跟随性能，具有调速范围大、维护简便、安全可靠、功率因数高于0.9以上等优点，如：通过交流变频调速系统进行压力机工作频率的调节，实现与伺服送料装置工作节拍的协调和整线基本速度的调节；通过交流变频调速系统进行开卷机和校平机运行速度的无级变换与工作状态变换频繁等，确保整线运行控制的自动化和速度上的一致性。校平机的启停、变速是由缓冲地坑中的光电开关发讯后系统自动控制和调节的，保证在自动方式下连续运转时有足够的料可缓冲。交流变频调速技术的应用极大地降低了设备速度匹配和设备调试难度，也便于今后根据生产产品发生的变化来提升设备的运行效率和产能。
3.3交流变频调速在冷弯机组中的应用：冷弯成型机根据产品设计图纸选择合理的水平辊架数并完成产品的冷弯成型加工，主传动采用交流变频调速系统，剪切机负责将货架组件定长切断。交流变频调速异步电机定位控制的研究经历了较长阶段，定位控制的传统做法是采用机械挡块来定位。如：济南铸锻所为我公司设计制造的货架立柱冷弯生产线为达到定尺寸定孔位切断的精度：±0.5mm，其液压飞剪系统的定位设计中就引入了定位插销和电气定位双精度控制技术，目前，在各个行业中所用的定位方式可分为四种：机械定位，电气定位，空气定位，光学定位。电气定位控制系统一般是以数字方式工作的，故可以提高精度，十分简便，易于和PC、PLC等各种上位控制系统和控制电路相匹配。目前在旧型冷弯机组中应用变频调速技术是针对变频器的速度参数设定几个固定的运行频率（例如高速、中速、低速三种频率），根据冷弯机组上实际产品的控制要求由PC或PLC对变频器的三种（频率）速度进行切换，达到调速和停准的目的。但当具体产品对冷弯机组的位置停准精度要求提高后，这种开环式的有级调速就不能满足产品的位置精度控制要求而采用变频无级调速闭环控制技术。对如此复杂的位置控制系统，变频技术必须能克服以下技术问题：（1）将复杂的交流异步电机的数学模型简单化；（2）考虑位置旋转编码器反馈信号的延后和超调；（3）将冷弯轧制控制过程的动态参数描述成时变函数；实际上均采取位置比较和现场调试延时来简单化处理；（4）保证位置闭环的抗波动能力高和即时调节性好（5）考虑前后工序速度匹配反馈信号的传递与控制上的协调；（5）、机械加工与配合精度等。
4变频调速闭环控制技术及原理
4.1要实现货架冷弯成型机组的闭环无级控制，必须根据变频器和异步电机的特性，即：在一定载荷下变频器所存在的理想加速和减速特性曲线，或根据不同的品牌和规格的变频器的特性参考资料、冷弯机组加工件的负荷特性、电机的负荷特性等进行适时调整。对于货架冷弯成型机组主电机的变频调速而言，需要对其进行PID控制，需正确选择速度反馈方式和PID的各类参数、加减速时间0～100%的设定、变频器的设定输入值需具有二至多端的输入并能进行基本运算，反馈信号需具有接收模拟信号或脉冲信号的端口等等。基本控制原理如图一所示：
图一 PC上位控制系统闭环无级交流变频调速原理图
4.2基本控制思想为：1）、根据旋转编码器测量反馈的当前速度信号适时调整变频器的输出驱动频率值，从而保证变频电机能以要求的速度平稳运行；其还表现在必须根据具体冷弯产品的成型工艺要求、负荷波动规律等选择相应的速度控制模式，即初时运动加速度与加速控制时间、平稳运行速度与距离、减速运动加速度与控制时间等进行变频器的适时调整，确保主机运行及控制反馈运行过程的平稳，消除不稳定形成的系统超差故障；2）、根据旋转编码器的脉冲测量数反馈当前冷弯机组主电机的位移信号及预先设定的控制方案适时调整变频器的输出驱动频率值，使变频电机先以较高的速度运行到接近冷弯产品控制切断长度的位置后将速度平稳降到较低的速度下工作，并在切断控制处准确制动停准，必要时可采取机械抱闸系统来辅助快速定位，再通过输出控制点发出切断控制信号实现液压停剪；PC控制系统在工作过程中实时采集运行数据，并不断地与存放在软件控制数据块里的标准位置参数进行比较和控制决策，从而达到快速准确定位、提高作业效率的目的，并与监控系统交换工作信息以实现生产管理系统的全面动态管理；PLC上位控制系统的交流变频调速原理类似，其反馈信号同样来自旋转编码器；即反映位置反馈信号，又反映速度反馈信号。通过PLC内置的PID控制模块等实施对变频器和异步电机的控制。
5变频器的选型依据及容量的确定
5.1货架冷弯成型设备的电气拖动主要是驱动冷弯轧辊运动，其阻力矩TL取决于冷弯轧辊与钢卷料之间的摩擦力FL与冷弯轧辊半径r的乘积，即 TL=FL×r。在这里，冷弯轧辊的半径r是恒定不变的，摩擦力FL的大小与相应的冷弯产品的孔型设计工艺水平、机组的传动效率和相关材料与轧辊间的摩擦系数等有关，与转速高低关系不大。这是典型的恒转矩负载机械特性。这类负载转矩和转速的快慢无关，所以在调节转速过程中，负载的阻转矩保持不变。在选择变频调速系统时，除了按常规要求外，还根据机组运行的调速范围、阻力矩TL的特点、对机械特性的要求等进行选择：（1）选择较为简易的Ｖ／Ｆ控制方式的变频器应用于：开卷机、校平机、压力机等单机运行的变频调速控制与整线速度上的匹配。（2）选择有反馈的矢量变换控制方式应用于冷弯成型机组和在线液压停剪设备系统中，主要是为了实现位置定位和液压停剪功能，目前可实现的位置控制精度可达到±0.1mm以上，精度越高其生产效率会明显下降，甚至产生位置定位震荡，我公司根据货架产品的工艺特点，位置精度控制在±0.5mm左右较合适，货架冷弯机组主动力系统主要采用有反馈的矢量变换控制方式，如图一控制原理。矢量控制通过电动机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之垂直的转矩电流分量，把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制就变为直流量的控制，这样交流电动机便能等同于直流电动机，从而获得直流电动机一样的控制性能。目前，交流电力拖动已完全可以与直流电力拖动相媲美。
5.2其次对冷弯机组成型功率的计算和确定；根据文献2说明，机组驱动动力常由实际经验推定，可参考部分机组的标准规范和经验设计参数，也常用旋转承受成形反力（荷重）的辊所需要的成形扭矩来求，如：成形扭矩T=P（成形荷重）×L（辊间接触长度），且实测值常高于计算值；其中也给出了电缝管的计算经验公式等。实际上不同的厂家对机组功率设计的标准也不同，机组传动效率上也存在一定的差异（如：链传动与齿轮传动），如我公司的进口生产线，其成型宽度为：226mm，成型角为360度，卷料厚度达到3.0mm，选用卷料设计材质为SS490，机组主功率为37KW，而国产设备冷弯产品成型宽度为：336mm，最大成型角为1080度，常规产品成型角为720度，卷料厚度达到4.0mm，选用卷料设计材质为SS490，机组主功率为132KW，类比可发现其差异较大。
5.3最后为选用变频器的容量，其有很多因数决定，例如电动机容量、电动机额定电流、电动机加减速时间等，其中，最主要的是电动机额定电流。
5.4交流变频调速是通过变频器来实现的，对于变频器的容量确定至关重要。合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验，比较简便的方法有三种：
5.5（1） 电机实际功率确定法：首先测定电机的实际功率，以此来选用变频器的容量。
5.6（2） 公式法：设安全系数取1.05，则变频器的容量Pb = 1.05Pm/hm×cosy （kW）
式中，Pm为电机负载；hm为电机功率。计算出Pb后，按变频器产品目录可选出具体规格。
5.7（3） 电机额定电流法：变频器容量选定过程，实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程，最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率，但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少，通常都是设备所选能力偏大，而实际需要的能力小，因此按电机的实际功率选择变频器是合理的，或根据具体选用的变频器品牌和性能进行选用。
6 存在的问题和不足
6.1在应用交流变频调速技术的过程中也存在不足之处。主要表现在有的系统在设计方面还存在有相当不合理的地方。比如设计者没有很好地利用变频调速技术的优点，而是极端肤浅地实现系统的调速，货架冷弯设备在实际的生产运行中（4极）电动机长期稳定地运行在20Hz。无论是变频器还是电动机的能力都只用了40%左右，这是极不合理的。在后期产品的开发过程中还必须限制新冷弯轧辊的外径设计、整线运行线速度的匹配等因素。
6.2系统设计中针对交流变频调速系统的状态反馈设计重视不够，系统故障诊断设计重视不够，系统选用品牌杂乱造成的备件、维修保养困难重视不够等，包括用户对系统调试参数保存与修改经验上的不足等、对交流变频调速系统的认识不足，相关外围设备参数变化对系统参数的重调试等，如：编码器测量辊的磨损与更换；均极大地影响了交流变频调速系统在货架冷弯生产线上的广泛应用。