I. Systemstatus 1. Systemübersicht Die Lackieranlage im Karosseriewerk der FAW-Gruppe ist eine Produktionslinie, die Prozesse wie Phosphatierung, elektrophoretische Tauchlackierung und Decklackierung an der Oberfläche von Automobilkarosserien durchführt. Das Schubstangen-Hängefördersystem der Lackieranlage übernimmt den Transport der Werkstücke zwischen den verschiedenen Prozessschritten. Es besteht aus vier Ketten, vier Hochgeschwindigkeitsketten, neun Hubplattformen und einer Bodenkette. Die Ketten 1, 2, 3 und 7 sind Prozessketten. Zusätzlich wird ein Differenzialantrieb zur Drehzahlregelung eingesetzt. Die vier Prozessketten müssen synchron laufen, d. h. die räumliche relative Position der Haupt- und Hilfsschubklauen zwischen den einzelnen Prozessketten muss konstant bleiben, um einen reibungslosen Werkstücktransport zwischen den einzelnen Prozessketten zu gewährleisten. Dieses System ist ein typisches Positionsservosystem, wobei Kette 2 die Hauptkette und die Ketten 1, 3 und 7 die Hilfsketten sind. Die Hilfsketten folgen der Hauptkette. Die Drehzahl- und Positionsrückmeldung bilden ein doppeltes Regelsystem mit einem inneren Drehzahl- und einem äußeren Positionsregelkreis. 2. Bestehende Probleme: Dieses System wurde 1985 von der Firma HADEN (Großbritannien) eingeführt. Nach Installation und Inbetriebnahme wurde es in Betrieb genommen. Obwohl es in den letzten zehn Jahren mehrere Ausfälle gab, lief das System insgesamt relativ stabil. Ab Ende 1997 wurden die Werkstücke aufgrund von Produktmodelländerungen größer und schwerer. In Verbindung mit Modifikationen an den entsprechenden Hebevorrichtungen verdoppelte sich die Gesamtlast auf der Fahrleitung. Daher wurden Fahrleitung und Antriebsstation modifiziert und die Leistung des Differenzialgetriebemotors erhöht. Die Kraftübertragung zwischen Differenzialgetriebemotor und Getriebe wurde von einem Zahnriemen auf eine geräuscharme Kette umgestellt, um das Drehmoment zu erhöhen. Dies führte jedoch zu einem schwerwiegenden und unumgänglichen Problem im Drehzahlregelungssystem des Differenzialgetriebemotors. Wenn die Getrieberäder des Differenzialgetriebemotors und die geräuscharme Kette bei hoher Drehzahl ineinandergreifen, lösen sich große Mengen an Eisenspänen und werden zwischen den stark magnetischen Anker und die Pole gesaugt. Da der Anker sein Magnetfeld durch Wirbelströme erzeugt und selbst eine Wärmequelle darstellt, haften die angesaugten Eisenspäne zusammen mit Staub und Öl aus der Luft unter den hohen Temperaturen schnell an Anker und Polen an. Dies führt zu deren Verklebung und verhindert die Drehzahlregelung. Der Synchronisationszustand der Master-Slave-Kette wird gestört, was zu einem Ausfall des Werkstücktransports und einer Systemstörung führt. II. Änderungsplan 1. Festlegung des Gesamtänderungsplans Um die oben genannten Probleme zu beheben, wurde eine umfassende und gründliche Ursachenanalyse durchgeführt. Verschiedene Methoden, wie z. B. das Einweichen in Waschöl und anschließendes Ausblasen mit Druckluft, wurden angewendet. Obwohl die Probleme teilweise gelindert wurden, konnten sie nicht grundlegend gelöst werden. Schließlich wurde beschlossen, das System grundlegend zu ändern, die herkömmliche Drehzahlregelung des Differenzialgetriebemotors aufzugeben und stattdessen eine Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter einzusetzen. Zusammen mit dem Synchro und dem Tachogenerator bildet es ein doppelt geschlossenes Positionsservosystem. 2. Systemaufbau: Das modifizierte Positionsservosystem besteht aus einem Wechselstrommotor, einem Frequenzumrichter, einem Synchro, einem phasenempfindlichen Verstärker, einem Tachogenerator und einem PI-Regler. 3. Auswahl der Steuersignalparameter: (1) Positionsrückmeldesignal: Das Positionsrückmeldesignal wird vom Synchro erfasst und ausgegeben. Das vom Synchro erzeugte Positionsabweichungssignal ist eine Wechselspannung proportional zum Sinus des Abweichungswinkels. Der phasenempfindliche Verstärker wandelt diese sinusförmige Wechselspannung in positive und negative Gleichspannungen um, die die Polarität (positive und negative Phase) der Positionsabweichung widerspiegeln. Der Spannungsbereich liegt zwischen -10 V und +10 V. (2) Drehzahlrückmeldesignal: Die Drehzahlrückmeldung wird durch Gleichrichtung und Filterung eines Wechselstrom-Tachogenerators gewonnen und dessen Ausgangswert auf 0 bis 10 V eingestellt. (3) Frequenzsteuersignal des Wechselrichters: Die Einstellung der Wechselrichter-Ausgangsfrequenz erfolgt in der Regel über Tasten am Bedienfeld und über einen externen analogen Wert am Steueranschluss. Die analoge Einstellung kann in verschiedene Bereiche unterteilt werden: 0–5 V, 0–10 V und 4–20 mA. Wir haben den japanischen Wechselrichter Fuji FRN7.5G9S-4CE ausgewählt und verwenden hier den analogen Wert 0–10 V zur Einstellung. 4 PI-Regler: Entsprechend den Anforderungen des Produktionsprozesses an die stationäre Genauigkeit und das Nachführverhalten des Systems im Betrieb besteht der Systemregler aus einem Integral-, einem Positions- und einem Drehzahlregler und bildet ein System zweiter Ordnung. Der Positionsregler ist ein Proportionalregler und der Drehzahlregler ein Integralregler. 5 Einstellung der mehrstufigen Wechselrichterfrequenz: Das System kann im Automatik- oder manuellen Betrieb betrieben werden. Die Drehzahlanforderungen beider Betriebsarten unterscheiden sich. Die erste Frequenz wird als automatische Betriebsfrequenz über einen analogen Wert eingestellt. Die zweite Frequenz ist die manuelle Betriebsfrequenz und wird über Tasten am Bedienfeld eingestellt. 6. Festlegung der ersten und zweiten Beschleunigungs-/Verzögerungszeiten des Frequenzumrichters: Das System erfordert einen sanften, ruckfreien Start und Stopp. Dies bedeutet, dass beim Anfahren und Stoppen der Anlage eine Rampenzeit für die Beschleunigung und Verzögerung erforderlich ist. Das ursprüngliche Steuerungssystem nutzte hierfür einen separaten Rampengenerator. Durch die Drehzahlregelung des Frequenzumrichters weisen die Drehzahländerungen selbst jedoch Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten auf, die die Anforderungen des Systems vollständig erfüllen. Da die Haupt- und Nebenketten unterschiedliche Stabilitäts- und Nachführfähigkeiten benötigen – die Hauptkette erfordert hohe Störfestigkeit und Stabilität, die Nebenkette hingegen hohe Nachführfähigkeit und schnelle Reaktionszeiten –, unterscheiden sich die Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten für Frequenzänderungen im Normalbetrieb von denen beim Anfahren und Abschalten des Systems. In diesem System werden die Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten beim Anfahren und Abschalten der Anlage als erste Beschleunigungs- und Verzögerungszeit und die Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten für Drehzahländerungen im Normalbetrieb als zweite Beschleunigungs- und Verzögerungszeit definiert. III. System-Debugging 1. Systemanpassungsgeschwindigkeit Im Betrieb ändert sich die Geschwindigkeit jeder Oberleitungskette in einem Oberleitungssystem aufgrund von Störungen ständig. Obwohl ein Drehzahlregelkreis diese Änderungen stabilisiert, können große, plötzliche Störungen erhebliche Abweichungen in der relativen Position der Master- und Slave-Kette verursachen. Das System muss bei solchen Abweichungen schnell nachjustieren, um sie möglichst schnell auf null zu reduzieren. Theoretisch lässt sich die Geschwindigkeit in Gleichstrom-Drehzahlregelungssystemen durch die Vergrößerung des linearen Arbeitsbereichs des Verstärkers verbessern, was jedoch in der Praxis schwierig ist. Der Einsatz von Frequenzumrichtern ermöglicht dies hingegen problemlos. Beim Debugging kann der Einstellbereich der maximalen Frequenz des Frequenzumrichters der Slave-Kette basierend auf dem Systembetrieb entsprechend erhöht werden. Bei geringfügigen Änderungen des geregelten analogen Signals reagiert die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters schneller, wodurch die Anpassungsgeschwindigkeit des Systems verbessert wird. Die Frequenzumrichtereinstellung für dieses System ist in Abbildung 2 dargestellt. 2. Problem mit Oberwellenstörungen: Der Frequenzumrichter Fuji FRN7.5G9S-4CE nutzt Pulsweitenmodulation (PWM) zur Frequenzregelung mit einer Trägerfrequenz von ca. 2 kHz bis 10 kHz. Diese hohe Schaltfrequenz erzeugt Oberwellen, die den normalen Betrieb anderer elektronischer Geräte stark beeinträchtigen. Die bedeutendsten Störungen sind induzierte und abgestrahlte Störungen. Bei der Installation der Geräte verwendeten wir separate Eisenrohre zur Abschirmung der Verkabelung zwischen Frequenzumrichter und Motor, um Oberwellenstörungen im SPS-Hauptsteuerungssystem zu eliminieren. Im Betrieb stellten wir jedoch fest, dass die von den acht Feldkameras im Hauptleitstand übertragenen Überwachungsbilder unterschiedlich stark beeinträchtigt waren. Um dies zu beheben, passten wir die Trägerfrequenzregelung des Frequenzumrichters an, reduzierten die Trägerfrequenz und beseitigten so die Störungen in den Überwachungsbildern vollständig. IV. Ergebnisse der Nachrüstung: Seit 1987 setzen wir Frequenzumrichter zur Nachrüstung von Anlagen im Werk für die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz ein. Dies ist jedoch das erste Mal, dass wir Frequenzumrichter für ein Positionsfolgesystem eingesetzt haben. Die Praxis hat gezeigt, dass diese Nachrüstung erfolgreich war, insbesondere in folgenden Aspekten: 1. Verbesserte Systemstabilität: Die Aufrüstung mit Frequenzumrichtern beseitigte die durch die Haftung zwischen Anker und Magnetpolen des Schleifringläufermotors verursachten Drehzahlschwankungen der Kette vollständig und verbesserte so die Systemstabilität deutlich. 2. Verbesserte dynamische Justierung und Synchronisationsgenauigkeit: Das modernisierte System bietet im Vergleich zum Originalsystem eine deutlich verbesserte dynamische Justierung und Synchronisationsgenauigkeit. Während das Originalsystem 30–40 Sekunden für die Justierung benötigte, wenn sich Master- und Slave-Kette um eine halbe Teilung unterschieden, benötigt das modernisierte System weniger als 10 Sekunden. Unter normalen Bedingungen gewährleistet die Synchronisationsgenauigkeit eine relative Synchronisationsabweichung von maximal 3 Grad zwischen Master- und Slave-Kette, was einer Längenabweichung von maximal 30 mm entspricht. Dadurch werden Übertragungsfehler vollständig vermieden. 3. Direkte wirtschaftliche Vorteile: Die Modernisierung machte importierte Ersatzteile wie Schleifringläufermotoren und Drehzahlregler überflüssig. Bisher wurden jährlich 3–4 Ersatzschleifringmotoren benötigt (4 wurden 1998 ausgetauscht), die jeweils über 80.000 Yuan kosteten. Durch diese Modernisierung werden jährlich über 300.000 Yuan an Wartungskosten eingespart. Dank der kontinuierlichen Weiterentwicklung und Leistungsverbesserung von Frequenzumrichtern finden diese immer breitere Anwendung. Die Umstellung unserer Prozesskette auf ein frequenzgesteuertes Drehzahlregelungssystem ist nur ein Beispiel von vielen erfolgreichen Anwendungen. Wir hoffen, dass unsere Arbeit unseren chinesischen Kollegen als Inspiration und Unterstützung dienen und einen Beitrag zur Förderung des Einsatzes von Frequenzumrichtern leisten kann. (Informationsquelle: China Equipment Network)