关键词 绳锯机 绳锯机的市场竞争力 EM303B 双核变频器 负荷控制
一、 引言
应用金刚石绳锯开采石材在国外已经有三十多年的历史了，近年来在国内矿山也得到了广泛的应用。其工作原理是在预先打好的水平或竖直方向的对穿孔中穿入金刚石串珠绳，接好后置于绳锯飞轮上，然后用电动机驱动飞轮带动金刚石串珠绳循环转动切削石材，同时向锯缝注以充足的水以冷却金刚石串珠及排除锯切岩粉，在锯切的同时绳锯向后行走，使串珠绳保持一定张力和进给速度，直至完成锯切。
金刚石串珠绳锯开采石材与传统的开采法相比，应用绳锯开采具有以下优势：
（1）适应性广，绳锯适用于所有类型矿山。
（2）功能强、效率高，首先开采深度深，能达到l0～20m甚至更深，常规开采一般只在10m以内；其次切割速度快，一般能达到4～5m2／h，是常规切割的2～3倍。
（3）绳锯能进行垂直、水平、斜面等各个方向的切割，还能进行盲切。
（4）成材率高、综合成本低，首先绳锯的切面非常平整且不会对荒料造成任何内伤，其次锯缝小，只有约11mm，不会造成资源浪费；
（5）安全环保，绳锯开采无噪音无粉尘，且自动化程度高，分离式操控，工人劳强度低、安全性高；常规切割噪音和粉尘都非常大，且工人劳动强度大，安全性相对较低。
2005年，沉寂多年的中国石材矿山开采机械行业有了较大的突破，最突出的表现是金刚石绳锯的国产化。几乎是同时，上海摩根、高时石材开采机械、河南联合旋风、泉州华大超硬工具、福州天石源等数家企业推出了自己的金刚石绳锯机，加上原来研发较早的广东地矿局探矿机械厂等单位，使国产金刚石绳锯机的市场竞争变得十分激烈。同时由于早些年进口的石材加工技术及设备在我国一直占据主导地位，2005年至2012年八年间，在石材加工设备的研发、制造、应用、配件等多方面形成了进口品牌与国产品牌之间，国产品牌与国产品牌之间的混战局面。
随着我国机械加工技术总体水平的不断提升，国产的绳锯机的性能和质量也越来越好，越来越被石材开采企业所接受。但仍有两方面的原因在制约国产绳锯机生产企业的发展。
一是国产绳锯条的质量有待提高。劣质绳锯断绳造成的安全事故时有发生。
二是绳锯机的电控系统及现场施工环境恶劣，以一台37KW绳锯机及配套设备计算，总功率应在60KW左右，一般情况下，考虑到以后大规模开采的需要，开采商要考虑增设100KVA变压器，同时需加配变频控制装置。初期开采为节省投资，一般会采用柴油发电机供电实现开采；绳锯切割时，需要通冷却水，以保护绳锯及锯机；
由于国内的绳锯机厂家多注重机械技术的发展，忽视电控技术的支持以及对施工现场实际应用的综合考虑，所以国产绳锯机往往受制于进口的变频器供应商。从而削弱了国产绳锯机设备与进口绳锯机设备的市场竞争力。
随着国产变频技术的日益发展，目前国内的矢量变频控制技术已达到甚至超越国际水平，在绳锯机变频控制领域已完全能满足石材开采工艺的需求。国产变频器低频力矩的特性明显,很值得在绳锯机应用领域进行推广。
本文重点介绍由正弦电气自主研发生产的矢量型EM303B系列变频器在绳锯机上的应用，以及传统方案与变频控制方案的比较和国产品牌变频解决方案之间的比较。
二、概述
绳锯机是一种石材矿山开采机械,用于开采花岗岩.大理石等石矿,采用一台主电机带动锯绳沿近似跑道型的轨迹运行,锯绳套在已经凿开缝的石头山上,一台移动电机经减速器带动整个锯床以一定的速度沿石头被锯开的方向向后移动,移动速度必须根据主电机的负荷状况和锯绳所需的张紧力适时进行调整。
作业过程中，如果移动速度太快,主电机负载增大,甚至过载,锯绳承受的张力也会增大,如不及时调整速度就会绷断锯绳;反之如果移动速度太慢, 锯绳张力太小,锯绳会在石头上打滑,切割效率降低,并且松驰的锯绳还会打绞,以至绞断锯绳,所以在保证主电机负荷基本均匀和锯绳合适的张紧力下提高锯机切割效率是控制的关键,由于矿山形状的不规则性,横切面自然也时大时小,锯床移动速度必须相应调整。
目前福建,河南,山东,广东云浮及湖南长沙等地都有生产,主机功率一般从11kW到55kW都有,以30kW, 37kW和45kW居多（见附件）,大都采用PLC经电流互感器读取主机电流,然后根据切割过程电流的变化趋势输出0-10VDC来调整移动电机速度,变频器只作为执行机构。
现有传统的两种电气配置方案:
1)主机采用Y-△启动,只有移动电机采用变频控制, 目的是为了降低成本, 但必须外加电流互感器和PLC来进行控制负荷控制和移动电机的速度控制等,国内早期很多是这种配置,一次投资少,但能耗高,现在已很少采用 .
2)主机和移动电机都采用变频器控制, 也必须外加电流互感器PLC来进行控制负荷控制和移动电机的速度控制,还有断绳立即停机等保护动作。
以上两种方案的缺点:
一.电流互感器和模拟量输入输出模块在矿山水,粉尘等恶劣环境下易损坏, 且配置较繁琐,接线多,故障点也多。
二.调试麻烦,必须要PLC编程人员参与,整机成本也较高。
三、正弦EM303B双核矢量变频器的绳锯机控制方案
正弦电气为绳锯机厂家提供两种可选方案，两种方案均可达到控制要求。从方案的简单易用性方面考虑，同时满足控制要求的前提下，正弦电气推荐采用频率源叠加控制方案。
一. PID控制方式:将主电机实际运行电流经高速脉冲输出口给移动变频器作为PID反馈值,手动调节电位器经模拟量AI1端口给移动变频器作为PID的给定值(最大给定与额定电流对应),即手动给定主机负载,移动快慢保证负载平稳,主机转速可另外给定,原理如上图:
PID控制方案的优点:负载控制平稳,精确, 能根据切割面的变化,及时调整移动速度;
缺点:调试较麻烦,特别是PID的合理调整,为了保证移动电机的单动控制，必须单联动控制切换。
二.采用频率源叠加控制方式:将主电机实际运行电流经高速脉冲输出口给移动变频器作为辅助频率源(空载运行电流对应0%,额定电流对应–X%),手动调节电位器经模拟量AI1端口给移动变频器作为主频率源,将两频率源叠加作为移动电机输出频率,即主频率源减辅助频率源,当手动给定和主机运行电流不变时,移动电机移动速度也保持不变,主机转速可另外给定,原理图如下(接线和PID控制方式差不多,只是移动电机单联动控制不需切换):
频率源叠加控制方案优点:原理更简单, 一般电工即可完成调试工作,操作也更方便,完全能满足工艺要求;
在开采现场，施工队伍一般情况下以柴油发电机组发电，经变压器输出供绳锯机工作，正弦电气充分结合现场使用工况，在变频器产品的负载，工况恶劣适应性，供电情况等各个方面均周密考虑。为绳锯机厂家乃至用户定制符合实际应用的全套方案，为绳锯机厂家提升其设备产品的综合性价比。
EM303B参数设置表
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频率源叠加控制方式时的参数配置 |
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功能码 |
参数名称 |
主机(30KW) |
牵引(0.75KW) |
备注 |
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F0.02 |
驱动控制方式 |
3 |
3 |
无PG矢量控制1(SVC) |
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F0.04 |
启动停车控制选择 |
1 |
1 |
端子控制 |
|
F0.05 |
端子启动停车选择 |
0 |
1 |
1：RUN 正转 F/R 反转 |
|
F9.03 |
速度给定方式 |
0 |
102 |
0：主给定、102：主+辅给定(辅为负） |
|
F0.06 |
通用速度给定方式 |
2 |
2 |
2：VS |
|
F9.05 |
辅助速度给定方式 |
0 |
6 |
6：K3*VS+K4*VF |
|
F1.24 |
模拟输入增益K3 |
# |
0.00% |
|
|
F1.25 |
模拟输入增益K4 |
# |
100.00% |
|
|
F0.16 |
最大频率 |
50.00 |
100.00 |
|
|
F0.17 |
上限频率 |
50.00 |
100.00 |
|
|
F0.18 |
下限频率 |
0.00 |
0.00 |
|
|
F0.09 |
加速时间1 |
60.00 |
0.10 |
|
|
F0.10 |
减速时间1 |
60.00 |
0.10 |
|
|
F1.01 |
电机额定功率 |
30KW |
0.7KW |
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|
F1.02 |
电机额定电压 |
380V |
380V |
|
|
F1.03 |
电机额定电流 |
60A |
2.2A |
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|
F1.04 |
电机额定频率 |
50HZ |
50HZ |
|
|
F1.05 |
电机额定转速 |
760(8P) |
1440(4P) |
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|
F2.00 |
多功能输入X1-RUN |
1 |
1 |
|
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F2.01 |
多功能输入X2-F/R |
9 |
2 |
2:反转(牵引机需能正反转） |
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F2.02 |
多功能输入X3-D1 |
0 |
9 |
|
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F2.06 |
多功能输入X7-RST |
10 |
10 |
|
|
F2.17 |
模拟输出M1 |
6 |
|
6：输出电流 |
|
F2.16 |
模拟输出M0 |
0 |
# |
0：输出频率 |
|
F0.20 |
停车方式选择 |
1 |
0 |
0：减速停,1：自由停车 |
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F2.29 |
掉载检测功能选择 |
1 |
|
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|
F2.30 |
掉载检测电流 |
40.00% |
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F2.31 |
掉载判断时间 |
2 |
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四、传统方案与正弦电气EM303B变频方案对比
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传统方案一 |
传统方案二 |
正弦变频优选方案 |
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线路复杂程度 |
电流互感器和模拟量输入输出模块在矿山水,粉尘等恶劣环境下易损坏, 且配置较繁琐,接线多,故障点也多 |
略简单、故障点减少 |
简单、故障点少 |
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技术要求 |
必须要PLC编程人员参与,成本高 |
必须要PLC编程人员参与,成本高 |
无 |
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对电网要求 |
当供电电压降低时，常会导致电机出力不足而堵转、供电线路过流跳闸 |
电网电压波动380V+/-10%时，设备能正常运 |
在电网电压波动380V+/-20%时，设备能正常运 |
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调试 |
固定速度，不方便
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可任意速度，适用于开采初、中、后期全过程无级调速控制 |
可任意速度，适用于开采初、中、后期全过程无级调速控制 |
|
安全保护功能 |
无 |
有过载、缺相 |
有过载、缺相、断绳保护 |
|
启动电流冲击 |
冲击电流为电机额定电流的3-7倍，对接触器、电机冲击大，容易造成损坏，接触器需要频繁更换 |
无冲击电流
|
无冲击电流
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五、正弦EM303B控制方案与其他品牌变频控制方案对比
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对比点 |
正弦EM303B控制方案 |
其他国产品牌方案 |
进口品牌方案 |
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方案严谨程度 |
方案严谨，技术专业。 |
低下（目前流传的很多国内方案错漏百出，图示不正确，见下图） |
无专门解决方案 |
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方案性价比 |
产品的性价比是方案的核心，正弦EM303B双核矢量变频器是一款高性价比产品 |
多以通用产品来做方案主体，方案性价比一般。 |
进口产品价格高，令方案实施成本高 |
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产品性能 |
正弦电气率先以双核产品应用于石材加工行业 |
部分国产品牌产品仍然使用廉价单核芯片 |
较高 |
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产品适应性 |
正弦电气方案并不单纯为设备厂家解决技术问题，方案延伸至设备用户上。绳锯机的实际使用场合粉尘多，高温暴晒，现场一般以发电机供电，用水冷却锯绳和锯机，正弦电气综合考虑现场使用情况拟制方案。 |
仅仅在设备厂家内做测试，极少到用户现场做测试，对真正的环境适应性未知。 |
未知 |
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方案实施（售前） |
正弦电气具备专业售前技术小组负责配合设备厂家的方案实施、技术交流 |
部分国产品牌售前支持不足，靠用户自行摸索解决 |
无售前支持，完全靠用户自行解决 |
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方案实施（售后） |
遍布全国的联保中心及网点，售后服务响应快速、及时。 |
多数国产品牌售后支持不足，服务缓慢、拖延影响工期。 |
服务缓慢、拖延影响工期。 |
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方案附加值 |
高，有助于厂商提升自身品牌 |
一般 |
高，但实施成本高 |