板框厢式隔膜压滤机
引言
自动厢式压滤机是株洲冶炼集团股份有限公司重要的液固分离及排渣设备，因其具有投资成本低、排渣量大等优点,在许多行业得以广泛应用。但其拉板系统由于各种原因，经常出现冲击力大、拉钩不平衡、拉板无力、高速传感器损坏，甚至链条、传动轴被拉断等现象,对生产造成了较大影响，且大大增加了设备本身的维护成本。经分析，该拉板系统在机械、电气方面基本上都为刚性结构,其工作过程及原理大致如下:拉开板框的过程分为拉板器前进送钩,碰上滤板后，机械方面的设计使得拉钩反方向钩住滤板，此时可编程控制器（PLC）获得一个信号，拉板电机反方向运转，拉板器后退，完成一次拉板过程。然后PLC再次获得电机换向信号，经过几秒钟的延时（可调）后，开始第二次送钩……该过程的刚性表现为:（1）驱动拉钩的电机为直接50Hz工频启动，势必对各传动部件形成机械冲击;（2）拉板器换向信号的获取是建立在电机被完全堵转的基础上的，即依靠机械阻力使得电机负载在电动状态下被强行制动，且该堵转过程至少维持50ms以上。由此引起的机械冲击及强制反作用力对各部件的损伤更是致命的。虽然机械设计在传动部分采用了摩擦传动以减少冲击，但仍不能从根本上解决该问题。而且摩擦片的调整必须依赖丰富的现场经验，调得太紧，起不到减少冲击的作用;调得太松，则造成拉板无力，拉钩反复换向。在该系统中引入变频驱动，采用一套新的控制方法，能够较好地解决这一系列的问题。
1变频器在电机控制中的应用
交流调速系统按其原理可分为转差功率消耗型、转差功率回馈型和转差功率不变型三种。其中以变频调速为代表的转差功率不变型的交流调速技术因其效率最高，调速范围广，且属于无级调速等优点,成为近年来发展最快应用最广的交流调速系统。
1.1利用变频器改善电动机的起动性能
由电机学原理可知，电机在直接工频启动时，启动电流通常是其额定电流的4~7倍。对于经常启动的电动机，过大的启动电流将造成电机发热，影响电机寿命;同时电动机绕组（特别是端部）在电动力的作用下，会发生变形，可能造成短路而烧坏电机。拖动负载时，直接启动还将对负载产生强烈的机械冲击。
带变频驱动的电机起动时，其同步转速（与电机电源频率成正比）的控制变得极其方便，可以通过简单的参数设置获得多种不同的起动性能来达到起动平滑且机械特性好的目的，满足不同的负载要求。
1.2变频器对电动机的多段速控制
多段速控制是变频控制中的一项重要内容。它既可以通过预先设定好的运行程序控制电机的转速和方向，也可以通过变频器的多功能输入端子上ON/OFF信号的组合选择所需要的运行状态。
1.3变频器对电机的状态监控和信号反馈
变频器作为一种智能控制设备,除了对电机实现高性能控制外，还可对电机的状态进行十分全面的监控，如当前的实际输出频率、电机转速、输出电流、负载转矩，输出功率、直流电压等，并将其监控结果通过变频器的多功能输出端子输出信号。
2变频拉板系统的控制过程和原理
基于以上所述变频器的几项重要性能和特点，在自动厢式压滤机原拉板系统中引入变频驱动，即可达到该系统电气柔性化改造的目的。本试验所用变频器为富士公司的FRNGllS系列的1.5kW容量的变频器。所用拉板电机仍为原系统中的SEW公司的DT80K4型的0.55kW电机。
2.1变频拉板系统的控制过程
与原系统一样，厢式压滤机完成相应的程序步骤，进入卸渣加序时，应进行如前言中所述的送钩拉板过程。与原系统通过接触器的交替通断对拉板电机进行直接起动和正方转控制所不同的是，在变频拉板系统中，送钩信号（由PLC给出）到来时，拉板电机从0Hz匀加速至50Hz运行，加速时间7\=3s;在50Hz（高速段）运行鸟=4s后,减速至20Hz（低速段）运行（以上频率和时间参数均在变频器或PLC程序中可调,应根据现场多次调试以获得最佳配置）。在此过程中，拉板器将运行完一个行程，拉钩碰上滤板。因滤板不能再向前推进,必然导致电机负载转矩增大，电流上升。此时变频器将输出一个0N信号至PLC作为拉板电机停止及换向的信号，并由此控制拉板电机开始进行反向拉板过程。拉板和送钩过程相似，同样分为高速、低速和过流换向。由该过程描述可知,与原系统相比，后者在电机起动方式上为软启动模式，在拉钩碰撞滤板前速度减小60%（参数设置合理的话，可减速更多）。显然，该方法对增加机械运动过程的平滑性，对减少系统传动部件的冲击是相当有效的。
2.2变频拉板系统的控制原理
该变频拉板系统的控制原理可粗略概括为PLC对变频器的控制和变频器对电机的控制两部分。即PLC程序根据实际的动作要求输出开关量信号到变频器的控制端，变频器输出相应的频率和方向信号来控制拉板电机的转速和方向。其对应关系列于表1。
表1变频器控制端信号组合与电动机状态对应关系表
| FWD | 变频器控制端 | -电动机状态 | ||
| REV | X2 | XI | ||
| 1 | 0 | 0 | 1 | 正向髙速 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 正向低速 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 反向高速 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 反向低速 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 停止运行 |
该控制方案中的关键点还在于电机换向的控制。其原理如下:在变频器中根据现场调试数据设置电机过载预报水平，拉钩碰上滤板后待电流升高至阀值时,变频器输出过载预报信号至PLC,后者执行程序控制变频器减速停止，经过数秒延时后电机换向。作为现场电机状态的反馈信号，其过载水平的高低直接影响到电机强行制动时间的长短。如阀值设置过高，则如前言所述的强制反作用力将持续过长时间,容易造成机械张力过大而引发疲劳损伤;阀值设置过低，则容易造成在拉钩正常运行过程中遭遇某些轻微外来阻力时，变频器也输出过载预报信号使拉板器反复停止和换向。
变频器与PLC控制电机转速与换向的过程变化情况如图1所示（注：FWD、REV、X1、X2为变频器控制端，由PLC输出其信号,Y5为变频器的继电器接点输出端子，作为PLC的输入信号）。
由于变频器在接受到停止信号时是匀减速停止的,在减速过程中电机仍有转速，拉板器仍有一定的行进距离，而这个行进距离，正是造成机械张力和疲劳损伤的重要因素。因此，要做到换向过程的柔性化,需对变频器的减速时间加以严格的控制。根据现场试验，这一点还是较为容易做到的。一是由于拉板系统本身是一个小惯量系统，减速时间短（设为18）也不容易造成变频器过电压跳闸;二是电机在碰上滤板前已经是低频率运行，则从运行到停止的时间不到实际设置的减速时间的一半，其持续过载造成的影响基本可以忽略;三是在变频器的选型上选择比所拖动的电机高两个容量级别，则更能确保变频器能适应很短的减速时间；四是可以为变频器增加外部制动电阻，以达到快速制动的目的。
在减速时间设置为极短的情况下，即使过载阀值设置偏高，电机的堵转行进距离也是相当短的。因此，与原系统由滚动摩擦堵转成滑动摩擦以获得反向信号相比，该控制系统中换向过程的柔性化改造也是很有效果的。
3与原系统的程序连锁及故障保护
由于该变频拉板系统仅仅是原自动厢式压滤机电控系统的一部份，且考虑到程序改动后不影响原来的操作习惯，必须将改造后的拉板系统中的PLC程序与原主程序进行衔接和连锁，并将变频器的故障报警输出作为主系统的一个报警信号编入程序。
4结束语
虽然该控制方案可以基本解决原拉板系统中机械冲击等问题，但对于拉板器或传动链条调整不平衡以及因此引起的误差累计导致的机械扭损现象不能起根本性的作用。尽管如此，柔性化改造仍然可以极大地延缓这种误差累计和机械扭损。改造前,一台厢式压滤机拉板传动轴每月因机械扭损弯曲而报废的故障平均达3次,累计故障处理时间达10h,用于检测电机转速的高速传感器基本上每月都需要更换。从改造后运行一年多的情况来看，至今没有出现过传动轴损坏的现象。此外，该变频控制系统的改造成本低，只需增加一台0.75kW的小功率通用变频器和一根10芯控制电缆,费用在3000元左右。且拆除原系统中的高速传感器和一套带摩擦传动的专用减速箱后，拉板系统元器件损坏率几乎为零,设备作业率由原来的89%提高至95%以上，年节约维护维修费用达6万元以上。同时由于关键设备作业率的提高,本改造方案对整个生产工艺流程方面所产生的效益则更为显著。
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