趙清榮 劉文烽

(1.廣西科技大學(xué)，廣西 柳州545001；2.柳州自動(dòng)化科學(xué)研究所,廣西 柳州545001）

臺(tái)達(dá)H E S系列在注塑機(jī)節(jié)能改造系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙清榮1劉文烽2

(1.廣西科技大學(xué)，廣西 柳州545001；2.柳州自動(dòng)化科學(xué)研究所,廣西 柳州545001）

本文介紹了注塑機(jī)的工作原理，論述了注塑機(jī)節(jié)能改造的可行性，分析了伺服節(jié)能效果,選擇用臺(tái)達(dá)HES系列伺服節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行伺服調(diào)速,包括控制信號(hào)的選取與處理,伺服主電路和控制電路的設(shè)計(jì)從而使注塑機(jī)達(dá)到良好的節(jié)能效果。

注塑機(jī)；節(jié)能改造；HES系列伺服

0 引言

近幾年塑料行業(yè)正迎來一個(gè)飛速發(fā)展的機(jī)遇，發(fā)展越來越迅速。對(duì)于塑料制品行業(yè)來說，電耗是其生產(chǎn)成本的主要部分，而注塑機(jī)是塑料制品廠的主要能耗設(shè)備之一，因此降低注塑機(jī)的能耗成為注塑行業(yè)降低成本、提高產(chǎn)品競爭力的有效途徑。目前絕大多數(shù)的注塑機(jī)都屬于液壓傳動(dòng)注塑機(jī)，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的動(dòng)力由電機(jī)帶動(dòng)油泵提供。在注塑周期的過程中，注塑機(jī)在不同工序下需要的流量和壓力不同，必須依靠流量閥和壓力閥調(diào)節(jié)不同工序所須的流量和壓力，所以液壓系統(tǒng)的負(fù)荷變化很大。由于定量泵不可調(diào)節(jié)輸出功率，因此多余的能量只能在油的回流、油路泄露、油的溫升中消耗掉。這樣既加劇了各種閥門的磨損，又造成油溫過高，電機(jī)噪音過大，以及機(jī)械壽命縮短等現(xiàn)象。并且通常在設(shè)計(jì)中，用戶油泵電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成電能的大量浪費(fèi)。因此推廣交流變頻調(diào)速裝置在注塑機(jī)上的應(yīng)用，對(duì)于減少能源浪費(fèi)具有重要意義。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的推廣，伺服調(diào)速在電氣傳動(dòng)控制和節(jié)能領(lǐng)域已日漸得到了廣泛應(yīng)用，尤其在泵類負(fù)載場合采用伺服控制節(jié)能效果顯著。

1 注塑機(jī)工序及各階段所需壓力分析

注塑機(jī)主要用于熱塑性塑料的成型加工。注塑機(jī)成型工藝是一個(gè)按照預(yù)定的周期性動(dòng)作過程，經(jīng)過仔細(xì)地觀察和分析，注塑機(jī)的一個(gè)周期內(nèi)的工作順序如下：合模，鎖緊，注射、保壓一冷卻、射儲(chǔ)，塑化、開模一頂出制品、合模。

一個(gè)周期工作流程中，負(fù)載的變化導(dǎo)致系統(tǒng)壓力變化比較大，在電機(jī)輕載和電機(jī)日空載的時(shí)候油泵電機(jī)仍在50Hz運(yùn)行，其供油量是恒定不變的，多余的液壓油經(jīng)溢流閥流回油箱，大量的電能被浪費(fèi)掉，造成能源的損失。因此，若對(duì)油泵電機(jī)進(jìn)行伺服調(diào)速，將定量泵改變?yōu)轭愃谱兞勘玫奶匦?，?dāng)系統(tǒng)所需壓力較高時(shí)，油泵電機(jī)以50Hz運(yùn)行，系統(tǒng)所需壓力較小時(shí)，伺服裝置對(duì)油泵電機(jī)進(jìn)行降頻控制運(yùn)行。電機(jī)輸出的軸功率與油泵的出口壓力和流量的乘積正比，油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速降低后，輸出軸功率降低，就可以達(dá)到有效節(jié)能。

對(duì)注塑機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造有一個(gè)前提是：改造后不能影響設(shè)備的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，所以要求所選取的信號(hào)要準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠、及時(shí)。對(duì)電機(jī)而言，要在射膠時(shí)刻把轉(zhuǎn)速提到額定速度，在倒索完畢時(shí)把轉(zhuǎn)速降到能滿足開合模等工序即可;對(duì)電機(jī)日而言，要在開始射儲(chǔ)時(shí)刻把電機(jī)的轉(zhuǎn)速提起來，而在塑化完畢時(shí)刻把電機(jī)的轉(zhuǎn)速降下去，這樣就能達(dá)到良好的節(jié)能效果。考慮到電機(jī)從低速到高速切換要有一定的時(shí)間差，針對(duì)這一事實(shí)，電機(jī)全速運(yùn)行的控制信號(hào)要選在射膠開始前一時(shí)刻的工作信號(hào)，而電機(jī)日全速運(yùn)行的控制信號(hào)要選在射儲(chǔ)開始前一時(shí)刻的工作信號(hào)。注塑機(jī)上與工序有關(guān)的電子器件比較多，有接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力開關(guān)、限位開關(guān)、電子尺、電磁閥和編碼器等。其中電磁閥的控制信號(hào)來自于PLC的輸出，經(jīng)過信號(hào)放大板后由24VDC電源來驅(qū)動(dòng)電磁閥，滿足穩(wěn)定、可靠的要求。

圖1

2 節(jié)能型注塑機(jī)控制結(jié)構(gòu)示意圖（如圖1）

通過上位機(jī)采集現(xiàn)場閥門的壓力信號(hào)和流量信號(hào)、電機(jī)后部編碼器速度反饋信號(hào)，實(shí)時(shí)修正伺服裝置內(nèi)部運(yùn)行指令，控制電機(jī)運(yùn)行、加減速時(shí)間、啟動(dòng)和停止。

節(jié)能型注塑機(jī)控制方式：

圖2

3 調(diào)試中常出現(xiàn)的問題及處理方法

3.1 調(diào)試前注意事項(xiàng)

注塑機(jī)伺服節(jié)能電氣改造相對(duì)比較簡單，但在改造前應(yīng)詳細(xì)了解注塑機(jī)工況，熟悉注塑機(jī)工藝流程，調(diào)試時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：安裝前查清注塑機(jī)原有電路接線方式，包括主電路和控制電路；仔細(xì)觀察注塑機(jī)工頻運(yùn)行是否正常，油泵馬達(dá)是否經(jīng)常處于過載狀態(tài)；根據(jù)注塑機(jī)的模具及注塑工藝觀察注塑機(jī)節(jié)電改造的潛能；控制信號(hào)線路注意正負(fù)極性不要接反；信號(hào)線與主回路線要分開布線等。

3.2 調(diào)試常見問題及處理方法

由于注塑機(jī)工藝的特殊性，在改造中會(huì)遇到各種故障，以下在注塑機(jī)伺服改造中遇到的問題及處理方法。

3.2.1 伺服裝置頻率無變化

由于伺服裝置采用注塑機(jī)閥控電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)速，伺服裝置運(yùn)行后出現(xiàn)頻率顯示為0.0（有的伺服裝置顯示為0）現(xiàn)象，其主要原因?yàn)樾盘?hào)極性接反；信號(hào)取錯(cuò)；信號(hào)接線端口與參數(shù)設(shè)定不符；注塑機(jī)輔助電源故障等，出現(xiàn)這種故障應(yīng)先查明注塑機(jī)閥控制的類別是電流信號(hào)、電壓信號(hào)還是脈沖控制信號(hào)，及信號(hào)正負(fù)極性是否與伺服控制端子對(duì)應(yīng)。

3.2.2 油泵噪音大

1)提高泵站壓力。將泵站壓力由31.4 MPa提高至37.0 MPa，保證支架具有足夠初撐力，可以抑制頂板早期下沉。

伺服裝置運(yùn)行后有些注塑機(jī)會(huì)發(fā)出異常的噪音，這時(shí)應(yīng)判斷噪聲源在何處，是來自電機(jī)還是油泵，若為油泵的噪音則可能原因有：注塑機(jī)液壓油過少，有空氣吸入：注塑機(jī)濾油器或油路阻塞；注塑機(jī)油泵葉片磨損較嚴(yán)重；遇到以情況應(yīng)檢查注塑機(jī)油泵，排除故障后方可運(yùn)行，另外當(dāng)注塑處于低速高壓運(yùn)行工作狀態(tài)時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)油泵噪音異常情況，這時(shí)適當(dāng)提高速度信號(hào)。

3.2.3 溫度控制干擾

注塑機(jī)伺服裝置改造中常遇到的問題是改造后因干擾注塑機(jī)不能正常運(yùn)行，注塑機(jī)加熱單元采用熱電偶檢測溫度，這種檢測元件容易受諧波干擾從而造成注塑機(jī)溫度顯示和控制不準(zhǔn)確，這時(shí)可以下方面排除干擾：盡量縮短伺服裝置與注塑機(jī)電機(jī)之間的連線，動(dòng)力線用金屬軟管套裝，動(dòng)力線與溫度檢測線不要靠近走線，在伺服裝置近端主回路線纜加裝電抗器或磁環(huán)；伺服裝置可靠接地：或給注塑機(jī)內(nèi)部溫控電偶供電電源加阻容濾波電路。

4 伺服節(jié)能改造后的節(jié)電率分析與計(jì)算

對(duì)改造后的注塑機(jī)進(jìn)行長時(shí)間的觀察，分別統(tǒng)計(jì)電機(jī)和電機(jī)日的滿載與輕載運(yùn)行時(shí)間，把統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)取平均值，得出如下結(jié)果，電機(jī)1滿載時(shí)間6.6S，輕載時(shí)間6.2S;電機(jī)2滿載時(shí)間6.1S，輕載時(shí)間6.7S;生產(chǎn)周期仍取平均周期12.8S。根據(jù)電機(jī)功率、電機(jī)輕載時(shí)間和生產(chǎn)周期，則可對(duì)節(jié)電率進(jìn)行估算。

伺服裝置內(nèi)部有濾波電容，使得cosφ=1從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的功功率，從另外一個(gè)角度來看，這點(diǎn)也達(dá)到了節(jié)能效果。在進(jìn)行變頻節(jié)能改造之前，注塑機(jī)上兩臺(tái)電機(jī)每個(gè)工作日的耗電量為1753.5kWh(平均值)。對(duì)伺服節(jié)能改造后的注塑機(jī)進(jìn)行日耗電量的統(tǒng)計(jì)，在每天早上8：00換班時(shí)刻記錄注塑機(jī)工頻配電柜內(nèi)電度表讀數(shù)并乘于倍數(shù)4.5得出電度數(shù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 變頻節(jié)能改造后注塑機(jī)日耗電量統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)際節(jié)電率：

根據(jù)統(tǒng)計(jì)實(shí)際節(jié)電率達(dá)27.33%可知，將臺(tái)達(dá)HES系列變頻器變頻用于注塑機(jī)節(jié)能改造能達(dá)到良好的節(jié)能效果。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)實(shí)際節(jié)電率達(dá)27.33%可知，將臺(tái)達(dá)HES系列變頻器變頻用于注塑機(jī)節(jié)能改造能達(dá)到良好的節(jié)能效果。

從以上的分析計(jì)算可以看出實(shí)際節(jié)電率27.33%比估算節(jié)電率31.86%有少許偏差，造成這一偏差的主要因素如下：伺服裝置內(nèi)部有一定的功率損耗;伺服控制柜內(nèi)其它電氣元件存在功率損耗;估算節(jié)電率是用公式分析計(jì)算的,存在一定的誤差。

5 伺服節(jié)能注塑機(jī)的系統(tǒng)特色

1）超省電節(jié)能：比變量泵油壓系統(tǒng)省電27.33%，比傳統(tǒng)定量泵油壓系統(tǒng)省電60%。在保持冷卻階段精密油電節(jié)能系統(tǒng)比傳統(tǒng)射出機(jī)節(jié)能，亦可保證產(chǎn)能及精度。

2）系統(tǒng)油溫低：油溫降低5-10度，用油可減少50%-60%，可減少50%郵箱容積；并可省去冷卻器或減小冷卻器規(guī)格。

3）重復(fù)精度高：除省電功能，成品重量偏差范圍在0.09%以下，更實(shí)現(xiàn)了精密的流量壓力控制。

4）保壓時(shí)間長：對(duì)壁厚制品十分有利。

5）頻率響應(yīng)佳：采用交流同步伺服電機(jī)，流量響應(yīng)可達(dá)50ms。

6）耐惡劣環(huán)境：采用防震、防油、防塵Resolver(旋轉(zhuǎn)變壓器)。

7）舊機(jī)改造易：支援頻比命令0-10V及線性三點(diǎn)校正，無需更換注塑機(jī)電腦控制。

8）簡易多幫合流：省配管線，加大系統(tǒng)流量，省電效果更明顯。

6 結(jié)束語

因注塑機(jī)的負(fù)載性質(zhì)是恒轉(zhuǎn)矩類，機(jī)械特性較硬，動(dòng)態(tài)特性要求較高，需要選用矢量控制高性能伺服裝置。要有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、沖擊電流小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快(加減速時(shí)間少)、速度控制精度高、保護(hù)功能齊全、性價(jià)比高的特點(diǎn)。臺(tái)達(dá)HES系列伺服裝置是為注塑設(shè)備開發(fā)，其設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)正好滿足注塑機(jī)節(jié)能改造的工藝要求和技術(shù)要求。

目前，隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高和能源全球性短缺，伺服裝置越來越廣泛地應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵等的節(jié)能場合，應(yīng)取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)伺服的整機(jī)技術(shù)落后，雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。臺(tái)達(dá)機(jī)電產(chǎn)品的一體化解決方案為用戶產(chǎn)品開發(fā)節(jié)約了大量的成本和時(shí)間，其完善的售后服務(wù)體系為用戶解除了很多的實(shí)際問題。

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