摘要：新余新钢金属制品有限公司钢丝盘料生产在隧道酸洗工艺条件下利用行车进行盘料的搬运操作，原先厂家设计采用ACS800-11系列变频器进行卷扬电机的控制，现场受酸雾挥发影响，环境恶劣，多年以来，行车上使用变频器存在故障率高，厂家停产导致备件采购困难，电气柜内剩余空间窄小，维修人员更换困难，针对此，进行变频器的重新选型改造。

　　关键词：行车；ACS880变频器；制动电阻

　　1行车现有情况
      1.1酸洗工艺介绍

　　新余新钢金属制品有限公司酸洗车间处于整个生产过程的中间流程，钢丝厂酸洗采用隧道酸洗模式，生产过程中由四部行车协力运行，生产工艺包括酸洗、冲洗、磷化、碱液、烘干，大致流程如下：钢丝坯料→酸洗漕浸泡→酸后水洗槽浸泡→酸后水洗槽高压水冲洗→酸后水洗槽浸泡→潜行小车转运→磷化池浸泡→磷化池水洗→碱液池浸泡→烘干箱烘干→下料。整个生产线工艺生产布局呈“U”型，四部行车负责盘元在各个化学槽进行搬运。

　　1.2酸洗行车电气控制设计

　　酸洗车间生产主要由四部行车在每个化学槽之间需进行大车移位以及卷扬的上下动作，主控PLC采用的AB的1756系列PLC，隶属AB的ControlLogix标准控制器系列，具有以下特点：①支持基于EtherNet/IP的集成运动、集成Sercos运动和模拟量运动；②支持完全控制器冗余和拔除，支持带电插拔(RIUP)；③支持通过EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet、Data Highway Plus、远程I/O、SynchLink以及第三方过程和设备网络进行通信；④支持使用继电器梯形图逻辑、结构化文本、功能块及顺序功能图语言进行编程。

　　主控PLC发布任务通过EtherNet/IP总线通讯方式发送给四部行车独立的PLC执行任务，行车负责执行位移操作，行车电气控制部分主要构成。

　　行车PLC，AB1769系列PLC，隶属AB的CompactLogix 5370控制器系列；大车驱动器，AB PowerFlex70系列，PowerFlex70系列变频器；卷扬驱动器，ABB ACS800系列，ACS800系列变频器；位置反馈元件，SICK DME4000系列激光测距仪；大量接口，SSI、RS-422、PROFIBUS、HIPERFACE、CANopen、DeviceNet。

　　系统内部通过DeviceNet现场总线的方式进行数据交互，保证数据的实时性，行车运行通过PLC建立运动控制模式方式控制变频器运行，其中运动偏差由PID调节进行补偿，依靠测距仪反馈回来的数据确定当前的位置，运动控制定位曲线采用S曲线进行控制，保证速度的平滑性。

　　在行车卷扬部分进行提升及下降时对于电机来说是典型的位能性负载，位能性负载的特点是无论速度是正向还是反向，转矩的方向始终为正，PLC在卷扬做定位控制时要求运行过程中设定位置与实际值偏差在10cm以内，最终误差控制在2mm以内，尤其是在吊物下降时，整体重量4t左右，变频器需遵照运动控制指令给出的速度进行电机控制，要求变频器具有极好的转矩响应能力以及高精度的动静态速度以控制位置偏差满足系统要求，原厂家选择ABB公司的ACS800-11系列，ACS800-11传动具有ABB的高级传动控制方式DTC--直接转矩控制，此类控制方式即便是在没有编码器反馈的情况下仍具有精确的动、静态速度和力矩控制以及快速的负载响应能力，同时ACS800-11配置了有源供电单元它是封装紧凑的能量可再生式传动，包括LCL进线侧滤波器和EMC滤波器的所有重要特性和选项全部内置于传动单元中，无需考虑制动问题，同时也降低了对其他电气设备的电磁干扰。

　　2卷扬传动ACS800变频器使用过程中存在的问题

　　（1）电气柜安装在行车上，受环境酸雾影响，酸雾附着在空调散热片上，造成空调经常性损坏，寿命低至半个月，导致柜内温度高，散热不佳，加速电子元器件老化，致使变频器出现损坏。

　　（2）原变频器选用的是Un=500VAC电压等级对应功率，现场实际使用电源电压Un=400V，变频器无法达到设计额定功率，变频器长期处于过负载情况，变频器发热量大，电控柜内温度夏季达到55℃以上，致使变频器出现降容运行，严重缩短使用寿命。

　　（3）电柜门维护不到位，加上行车运行过程中产生震动，铰链脱落，电柜门无法正常关闭，电柜门密封不严，内部受酸腐蚀严重，变频器出现短路打火情况。

　　3解决措施

　　3.1电气柜门重新制作安装

　　行车电柜门在多年使用过程中缺乏养护，轴销合页已损坏，电柜门无法正常关闭到位，致使酸雾容易进入电柜门内，现重新制作安装新的电柜门，确保电柜门能达到良好的密封效果，定期检查电柜门的密封型，润滑轴销，做好定期维护工作。

　　3.2保证酸雾塔抽风机正常工作

　　增加点检隧道酸洗顶抽风机是否正常工作、定期排除管道内积水、补焊破损管道、安全门保持常闭状态，保证风机运行时隧道内处于负压状态，降低酸雾飘散至行车对

　　电气元器件造成的影响。

　　3.3变频器升级改造

　　3.3.1变频器选型

　　原卷扬机构变频器采用ABB ACS800-11系列30kW变频器，变频器自带有能量回馈单元，无须考虑大惯量负载快速减速及下行时电机处于发电状态导致直流侧电压过高问题，在使用过程中，存在变频器发热量大，加上空调本身无法正常工作，柜内空间狭小，致使电柜内部温度过高，严重影响变频器使用寿命，另外ACS800-11系列变频器已停产，采购周期长、维修成本高、维修耗时长、维修后二次故障率居高不下，针对于此情况，我们重新考虑选择新的变频器进行替换。

　　在尽量保证原有系统无需大规模的改动情况下，我们需求变频器应具有以下特点：①转矩响应快，尤其低速阶段需提供很大的提升转矩；②速度控制精度高，工艺要求做定位控制，良好的速度控制非常有必要；③带有DeviceNet现场总线适配器，方便与原系统集成；④安装尺寸要小，原柜内空间已不足，不得大于原ACS800-11尺寸；⑤可选中文语言操作面板，方便员工查看参数及对应故障处理；⑥发热量尽可能小，降低温度对电气元器件的影响；⑦安全转矩切断功能，保证在紧急情况下，PLC控制出现问题的情况下仍能有效切断变频器输出，保证人员安全；⑧良好的可靠性，备件采购周期短，尽量选择市场上通用型产品。

　　对比市场上各品牌变频器，可在施耐德品牌ATV930与ABB ACS880之间选择，最终选用ABB公司的ACS880-01系列变频器，ACS880-01系列变频器有以下特点：①更直观的控制盘和PC工具，ACS880控制盘内置语言增加了中文选项、分层的参数布局排版、方便员工查看参数，免费的Drive Composer工具，增强了PC端与变频器的交互能力，给变频器的调试带来便利；②优化的DTC控制，相对于ACS800系列，在零速时的转矩稳定性能更强，带来更好的速度精度控制，在转矩响应上更加地迅速；③新的DeviceNet现场总线适配器FDNA-01，同时支持ABB Drives控制协议，带来尽量少的系统程序修改；④相比ACS800-11系列同功率变频器，尺寸更小，散热量更小，对电柜内温度影响也更小；⑤内置的安全转矩切断功能，不再需要类似于ACS800-11系列另外附加模块，减少了故障点，也降低了备件采购费用；⑥采购周期短至一个月，相比较ACS800-11能量反馈型传动，ACS880-01系列传动市场应用面更广，价格优势明显。

　　3.3.2变频器电阻制动

　　将原来ABB ACS800-11系列变频器改用ACS880-01系列变频器以后，大部分参数相同，区别主要在于电阻制动、启动模式、通讯配置、辨识运行等几部分相关参数。由于ACS880-01系列变频器不含有能量回馈单元，所以在卷扬电机提升下降及快速减速过程中，电动机处于发电状态，变频器会出现直流电压过高问题，极易对变频器造成损坏，原ACS800-11系列变频器内含能量反馈单元，不会出现直流电压过压问题，无需考虑制动问题。针对于ACS880-01系列变频器，我们必须选择合适的制动组件以解决制动问题。

　　（1）推荐电阻制动参数。①设置参数30.30过压控制使变频器的过压控制失效。②设置参数31.01外部指向制动电阻热保护开关连接的数字输入。③设置参数31.02外部事件1类型为Fault。④设置参数43.06使制动斩波器有效。如果选择使能热保护模型，根据应用设置制动电阻过载保护参数43.08和43.09。⑤设置参数43.10制动电阻的阻值。

　　在ACS880-01硬件手册上应用电阻制动推荐参数上只需参数号43.06制动斩波器功能使能即可，未对参数号43.07进行说明，但在调试过程中发现参数号43.07制动斩波器未使能的情况下变频器会出现直流过压报警，只有在参数43.07制动斩波器运行使能为1的情况下电阻制动才能正常工作，手册上描述43.07参数号为“选择快速进行制动斩波器开/关控制的电源，只有当传动电源缺失而使用再生电源单元的情况下，该参数才可以用于允许斩波器操作。”容易引起误解，实际应用过程中，在使能电阻制动功能时必须打开斩波器开关，斩波器才能正常进行工作。

　　（2）制动电阻选择。常用的制动电阻分为波纹电阻和铝壳电阻。波纹电阻是在圆柱形的陶瓷管上固定了两个引出端子，瓷管表面上缠绕了扁带波浪形状的合金电阻丝，并在其表面涂覆一层具有阻燃，耐高温特性的涂层，涂料为无机材料，环保、无烟、无异味。陶瓷管作为电阻丝骨架的同时，又具有散热器的功效；铝壳电阻外壳采用铝合金制造，表面有散热沟槽体积小功率大，耐高温、过载能力强，电阻芯通常采用金属箔、金属膜、碳膜等材料制成，具有一定的电阻值和功率，内部填充耐高温有机硅树脂和硅粉，结构密封，抗震动能力强，相比波纹电阻，具有更小的寄生电感和坚固的外壳，更能适应现场酸洗车间的环境。最终考虑选择铝壳电阻作为变频器的制动电阻。

　　ACS880-01 30kW以下变频器内置标配制动单元，无需考虑制动斩波器选型，硬件手册上推荐对应功率电阻最小为13Ω,不得低于此值，低于此值会造成电流过大，损毁变频器，电阻值太大在短时间内无法消耗电机在快速制动过程中产生的电能，无法达到快速制动的要求。制动电阻功率根据公式P=ED%*U^2/R进行选择。

　　其中，ED%制动使用率；U制动单元工作电压；R制动电阻阻值。

　　ED%=制动时间/刹车周期，根据酸洗行车运行工况，制动时间大约20s,最短刹车周期大约120s,按最短时间计算得出ED%≈17%。U为变频器制动开始电压，ACS880-01系列变频器0%脉宽下的内部制动斩波器直流电压为648V,100%脉宽下的内部制动斩波器直流电压为694V。R制动电阻选择3个40Ω电阻并联，电阻值为13.3Ω,接近手册定义的13Ω最小值，尽可能快速地达到停车效果。

　　经过计算电阻需要功率大约为5.5kW,实际选用三根40Ω,功率为2kW的铝壳电阻器，外部配置温敏开关，进行并联使用，经由现场信号采集曲线得出最大的直流电压大概是670V左右，根据硬件手册上指示当前斩波器打开在50%脉宽左右。试车时车间环境温度在40℃时测量电阻表面温度达120℃左右，根据电阻厂家提供的资料显示电阻负荷率在表面温升120℃时为50%，可以正常满足设计要求。

　　3.3.3变频器启动模式选择

　　ACS880变频器在ACS800变频器的基础上增加了飞车启动选项，原ACS800选择的启动方式是恒定励磁时间启动,时间设定为600ms，但在ACS880上设定相同的启动方式，卷扬在定位时位置偏差过大，经常出现位置误差报警情况，经过对比发现，采用“快速启动”方式相比较于“恒定时间启动”方式，变频器预励磁时间由变频器建立的电机模型计算得出，可以提供更高的起动转矩，启动模式改为“快速启动”，此类报警没有再发生，从现场采集信号的曲线上我们也可以看到转矩基本处于一四象限，意味着转矩为正向，实际位置偏差一直在设定范围内。

　　3.3.4变频器通讯模块配置

　　ACS880变频器采用新一代DeviceNet通讯模块FDNA-01,它作为2类从设备，提供预定义的主从连接设置服务。其中包括显式消息传送、轮询响应服务和状态/循环更改服务。该适配器支持具备附加功能的ODVA AC/DC传动功能配置文件与ABB传动配置文件。DeviceNet适配器模块是一种用于ABB传动的可选模块，它可使传动连接到一个DeviceNet系统上。在这儿传动被当作DeviceNet网的一个从机。通过FDNA-01 DeviceNet适配器模块可实现发送控制命令给传动（起动、停车、运行允许等）、发送电机速度或转矩给定给传动、发送一个过程实际值或一个过程给定给传动的PID控制器、由传动读取状态信息和实际值、读写参数值、将传动的故障复位。

　　不同的总线适配器根据总线协议方定义了不同的识别文件，在PLC的硬件配置上必须加载这些文件才能正确硬件组态，DeviceNet总线协议采用电子数据单（EDS）文件，只有正确的EDS文件，才能通过DeviceNet Scanner工具进行辨识，我厂采用AB的1769-SDN模块扫描器进行硬件配置。FDNA-01总线适配器与RDNA-01（ACS800变频器适用）适配器在功能应用上大致相同，FDNA-01适配器取消了DeviceNet总线硬件地址拨码以及波特率传输设置、优化了通讯故障处理等内容。

　　4结语

　　通过ACS880变频器对ACS800变频器进行替换升级改造，经过大约长达一个星期的跟踪调试，有效地解决了行车运行的瓶颈故障点，降低了设备故障率，延长了维护周期和使用寿命，节约了大量的人力物力，提升了生产效率，保证了酸洗生产线的正常运行。