變頻伺服技術(shù)在卷裝袋生產(chǎn)線改造中的應(yīng)用

陳小兵

(江門市新會(huì)成人中等專業(yè)學(xué)校，廣東 江門 529100)

摘要：對(duì)卷裝袋生產(chǎn)線控制電路進(jìn)行詳細(xì)的研究分析，采用伺服系統(tǒng)對(duì)制袋機(jī)送膜驅(qū)動(dòng)和熱封驅(qū)動(dòng)進(jìn)行改造，用變頻器對(duì)印刷驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行升級(jí)。改造后機(jī)器運(yùn)行更加可靠，故障率更低，維護(hù)更方便。

關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng)；直流驅(qū)動(dòng)；變頻器

收稿日期：2015-05-19

作者簡(jiǎn)介：陳小兵(1970—)，男，廣東新會(huì)人，電子電工講師，研究方向：電氣自動(dòng)化控制。

0引言

卷裝袋生產(chǎn)線是生產(chǎn)塑料袋的專用設(shè)備，是20世紀(jì)90年代自德國(guó)、丹麥等國(guó)進(jìn)口的相當(dāng)先進(jìn)的設(shè)備。但隨著使用年限的增加，各種控制電路和驅(qū)動(dòng)電路都有老化的跡象，性能下降，從而導(dǎo)致機(jī)器出現(xiàn)跳閘、速度不穩(wěn)等軟故障，維修起來(lái)十分困難，而且維修效果也不理想。因此，筆者決定采用伺服系統(tǒng)和變頻系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造。

1卷裝袋生產(chǎn)線設(shè)備的組成和工作原理

如圖1所示，卷裝機(jī)由放卷機(jī)、印刷機(jī)、角撐機(jī)、制袋機(jī)、收卷機(jī)等幾部分組成。

圖1　卷裝生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)圖

放卷機(jī)正常工作時(shí)，薄膜由前面的印刷機(jī)牽引，浮動(dòng)輥在薄膜拉力作用下上浮，裝在浮動(dòng)輥軸端的電位器在齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使膜卷穩(wěn)定開(kāi)卷送到印刷機(jī)進(jìn)行印刷。然后送到角撐機(jī)進(jìn)行折邊處理。制袋單元工作原理是在人機(jī)介面輸入溫度、袋長(zhǎng)、生產(chǎn)速度、每卷個(gè)數(shù)等參數(shù)后起動(dòng)機(jī)器，PLC內(nèi)部運(yùn)算后將數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)傳送給送膜驅(qū)動(dòng)器和熱封驅(qū)動(dòng)器。送膜驅(qū)動(dòng)電機(jī)恒速傳送薄膜，熱封驅(qū)動(dòng)恒速傳動(dòng)熱封單元和沖切單元，熱封單元和沖切單元共用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，保證機(jī)器平穩(wěn)運(yùn)行。收卷器主要功能是收卷和換卷。

2卷裝袋生產(chǎn)線存在的問(wèn)題及改造

由上面分析可知，制袋單元、印刷單元、生產(chǎn)過(guò)程中負(fù)荷較重，且對(duì)電機(jī)速度的控制要求較高，決定將送膜直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和熱封直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分別用三菱MR-J2S200和MR-J2S350伺服系統(tǒng)進(jìn)行改造。

2.1制袋單元送膜系統(tǒng)的改造

送膜單元采用丹麥CONTRAVES EGB220.15D直流驅(qū)動(dòng)器加直流電機(jī)及測(cè)速電機(jī)構(gòu)成，組成的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)精度比較高，因而必須采用性能比其更好的調(diào)速系統(tǒng)改造才能達(dá)到生產(chǎn)要求。經(jīng)過(guò)多種牌子和型號(hào)分析計(jì)算，決定采用三菱(mitsubishi)伺服驅(qū)動(dòng)器MR-J2S200A和伺服電機(jī)HC-SFS202對(duì)其進(jìn)行改造。PLC控制系統(tǒng)由三菱CPU A2N、數(shù)字量輸出模塊AY82和模擬量輸出模塊A62DA組成，控制直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的起動(dòng)和運(yùn)行速度。改造后伺服系統(tǒng)的接線如圖2所示。

伺服變壓器的電源輸出用F2.1空氣開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護(hù)。K2.1連接于伺服驅(qū)動(dòng)器報(bào)警輸出端alm，當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器報(bào)警時(shí)，斷開(kāi)alm輸出信號(hào)，K2.1失電同時(shí)斷開(kāi)K1.1控制電源，伺服驅(qū)動(dòng)器的三相電源被斷開(kāi)，防止發(fā)生安全事故和擴(kuò)大故障范圍。K3.1來(lái)自設(shè)備急停回路控制觸點(diǎn)，當(dāng)機(jī)器的任何一個(gè)急停開(kāi)關(guān)被按下后，急停環(huán)路斷開(kāi)，急停繼電器停止有所輸出，同時(shí)急停繼電器觸點(diǎn)K3.1斷開(kāi)，K1.1失電斷開(kāi)主電源。

卷裝機(jī)制袋單元運(yùn)行時(shí)電機(jī)都是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的，伺服驅(qū)動(dòng)器的正轉(zhuǎn)行程末端開(kāi)關(guān)lsp和反轉(zhuǎn)行程末端開(kāi)關(guān)lsn用不上，因而將其對(duì)com短接。電機(jī)任何時(shí)候都只作一個(gè)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，因而fwd與com接通保證任何情況下都是正方向運(yùn)行。son為伺服系統(tǒng)起動(dòng)信號(hào)，當(dāng)PLC接到開(kāi)機(jī)信號(hào)后，如果機(jī)器沒(méi)故障并且各安全裝置到位、各個(gè)單元都處于自動(dòng)狀態(tài)，則數(shù)字量輸出模塊AY82的Y82端口輸出高電平，繼電器K5得電吸合，伺服驅(qū)動(dòng)器起動(dòng)端son得電，伺服電機(jī)按給定速度穩(wěn)定運(yùn)行。在直流驅(qū)動(dòng)器的輸入端口中，有兩路輸入信號(hào)，一路給主速度控制，另一路為微調(diào)信號(hào)，當(dāng)使用袋長(zhǎng)控制或電眼控制時(shí)，PLC給定主信號(hào)的同時(shí)還必須給定微調(diào)信號(hào)，發(fā)生袋長(zhǎng)變化或電眼跟蹤不良時(shí)，PLC通過(guò)微調(diào)端口調(diào)整電機(jī)的速度，對(duì)速度偏差進(jìn)行修正。由于三菱伺服驅(qū)動(dòng)器的速度模擬給定只有一個(gè)端口，不能同時(shí)輸入主速度信號(hào)和微調(diào)信號(hào)，因而采用一個(gè)模擬量加法模塊2289對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行相加，結(jié)果輸入驅(qū)動(dòng)器。由模擬量輸出模塊A62DA第8、9腳輸出主速度信號(hào)，13、14腳輸出微調(diào)信號(hào)輸入2289模塊的5、6、7腳，在2289模塊內(nèi)部進(jìn)行相加，再由1、3腳輸出相加后的模擬信號(hào)經(jīng)電位器R分壓后進(jìn)入伺服驅(qū)動(dòng)器的LG和VC腳。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，由于轉(zhuǎn)換訂單等原因出現(xiàn)實(shí)際袋長(zhǎng)與設(shè)定袋長(zhǎng)有偏差時(shí)，通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)板的最大速度電位器Nmax校正速度。改伺服系統(tǒng)后，為方便操作，增加了電位器R用于校準(zhǔn)偏差速度，生產(chǎn)者都說(shuō)方便又實(shí)用。

圖2　送膜伺服系統(tǒng)接線圖

2.2制袋單元熱封系統(tǒng)的改造

熱封系統(tǒng)的直流驅(qū)動(dòng)部分基本與送膜部分相同，只是熱封系統(tǒng)的功率要比送膜系統(tǒng)的功率大，運(yùn)行時(shí)負(fù)荷重，選擇MR-J2S350A和伺服電機(jī)HC-SFS352對(duì)其進(jìn)行改造，熱封系統(tǒng)的速度不用微調(diào)信號(hào)，只用一路速度信號(hào)輸入就滿足要求。電路如圖3所示。

圖3　熱封伺服系統(tǒng)接線圖

參數(shù)設(shè)定和伺服系統(tǒng)調(diào)試完成后，起動(dòng)運(yùn)行各個(gè)系統(tǒng)，各個(gè)動(dòng)作環(huán)節(jié)都干凈清脆，沒(méi)有速度不穩(wěn)帶來(lái)的遲滯感。再看伺服驅(qū)動(dòng)器顯示的速度，面板顯示值幾乎不動(dòng)，說(shuō)明速度控制環(huán)節(jié)相當(dāng)穩(wěn)定，達(dá)到機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)要求。

2.3印刷單元直流系統(tǒng)用變頻器改造

印刷機(jī)采用直流驅(qū)動(dòng)器TK-4和直流電機(jī)及測(cè)速電機(jī)組成，驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4　印刷直流系統(tǒng)接線圖

此類型驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但性能不是很好，而且高低壓沒(méi)用隔離，曾經(jīng)發(fā)生多次由于測(cè)速電機(jī)對(duì)地短路而引起燒壞驅(qū)動(dòng)，VLT5000系列變頻器為直接力矩型變頻器，比一般的變頻器性能更好，功能強(qiáng)大，變頻電路如圖5所示。

丹佛斯DANFUSS VLT5006變頻器用三相380 V電源，F(xiàn)1.2用于過(guò)載和短路保護(hù)。27腳編程定義為轉(zhuǎn)矩極限并停止功能，由于沒(méi)使用轉(zhuǎn)矩檢測(cè)，此腳連接到com端，18腳為起動(dòng)/停止端，當(dāng)機(jī)器起動(dòng)時(shí)，K4得電接通，變頻器按給定速度運(yùn)行。K3為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換繼電器，當(dāng)機(jī)器處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，K3得電閉合，常開(kāi)觸點(diǎn)接到R1的中心點(diǎn)，變頻器53腳接收R1中點(diǎn)電壓信號(hào)，R1為手動(dòng)調(diào)速電位器，此時(shí)機(jī)器按R1給定速度手動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)機(jī)器處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，R3失電，常閉觸點(diǎn)接到R2的中心點(diǎn)，變頻器53腳接收R2中點(diǎn)電壓信號(hào)，R2浮動(dòng)輥?zhàn)詣?dòng)調(diào)速電位器，此時(shí)機(jī)器按R2給定速度自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)浮動(dòng)輥升高時(shí)，電位器R2的輸出電壓增加，電機(jī)速度加快，浮動(dòng)輥在重力作用下下降，反之電機(jī)速度減慢，與變頻器組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)使印刷機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。變頻器01、02端子為內(nèi)部報(bào)警繼電器輸出，當(dāng)變頻器發(fā)生故障或跳閘時(shí)，輸出報(bào)警信號(hào)。變頻器39、42為模擬信號(hào)輸出端，通過(guò)參數(shù)設(shè)定輸出電流信號(hào)或電壓信號(hào)，或外接速度表或電流表顯示對(duì)應(yīng)的參數(shù)。

變頻器的參數(shù)F100選擇閉環(huán)速度控制，F(xiàn)306、F307設(shè)定為編碼器輸入的A、B端口，F(xiàn)329設(shè)定編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，再根據(jù)表1設(shè)定好反饋參數(shù)及變頻器輸出的上限頻率、下限頻率、最大頻率、加減速時(shí)間等一些基本參數(shù)后，即可通電調(diào)試。

下面是調(diào)試方法：

(1) 先用手動(dòng)功能試運(yùn)轉(zhuǎn)變頻器，從低速慢慢加速，觀察變頻器輸出是不是從低速慢慢開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，如果變頻器突然加速過(guò)快，就是反饋信號(hào)的相位不對(duì)，將編碼器輸出端A、B對(duì)調(diào)。這時(shí)變頻器應(yīng)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2) PI參數(shù)的調(diào)整。在一般的速度控制中，用P、I參數(shù)基本可以滿足控制要求，如果應(yīng)用D參數(shù)，在調(diào)得不是很理想的情況下可能會(huì)引起系統(tǒng)振蕩，因此大多數(shù)情況下將D參數(shù)設(shè)為0(不用)。通電運(yùn)行后，如果系統(tǒng)加速過(guò)快而發(fā)生振蕩，則將P值逐漸減小，反之則增大P值；如果系統(tǒng)快速振蕩，則調(diào)大I值，反之調(diào)小I值。反復(fù)調(diào)整PI參數(shù)，直到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。通常情況下，將PI參數(shù)稍修改或保持系統(tǒng)默認(rèn)值，系統(tǒng)都可以穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5　印刷變頻系統(tǒng)接線圖

功能參數(shù)功能參數(shù)F1001F4170.02F2000F4188msF2010.0HzF4190F20250HzF4205F2030F42110F4140F329500p/rF4151500F306AF2040F307BF20550

(3) 速度跟蹤的調(diào)整。變頻器運(yùn)行參數(shù)調(diào)好后，還要調(diào)整輸入信號(hào)與輸出頻率的增益，正常運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)器，觀察浮動(dòng)輥的位置，正常情況下在中點(diǎn)附近為宜。當(dāng)偏離中點(diǎn)值時(shí)可通過(guò)調(diào)整F205最大給定值來(lái)調(diào)整增益，當(dāng)浮動(dòng)輥過(guò)高時(shí)，調(diào)小F205的值，使變頻器增益增大，降低浮動(dòng)輥；反之則調(diào)大F205的值。

變頻器參數(shù)調(diào)整完畢后，整機(jī)試運(yùn)行，機(jī)器起動(dòng)和停止時(shí)，印刷機(jī)的速度都能平穩(wěn)跟隨制袋機(jī)運(yùn)行，沒(méi)發(fā)生起動(dòng)過(guò)快或停止過(guò)慢等情況，說(shuō)明加減速時(shí)間等參數(shù)都符合要求，機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定后，觀察變頻器的頻率，都幾乎穩(wěn)定在一個(gè)頻率值，印刷機(jī)浮動(dòng)輥也穩(wěn)定在中間位置，可見(jiàn)印刷機(jī)的穩(wěn)速性能非常好，改造取得成功。

3結(jié)語(yǔ)

制袋單元和印刷單元是機(jī)器的最主要部分，袋長(zhǎng)變化、熱封不良、沖孔線走位等問(wèn)題都出在制袋單元，印刷套色不準(zhǔn)、圖案不清、圖案跳泡等問(wèn)題都出在印刷單元。經(jīng)過(guò)對(duì)制袋機(jī)和印刷機(jī)進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)和變頻改造后，機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定，袋長(zhǎng)偏差都不會(huì)超過(guò)2 mm，制袋機(jī)生產(chǎn)的袋子各項(xiàng)指標(biāo)都十分理想，印刷機(jī)的運(yùn)行也十分穩(wěn)定，印刷效果令人滿意。改造后，由于伺服系統(tǒng)和變頻系統(tǒng)都采用無(wú)刷電機(jī)，節(jié)省了維護(hù)成本。通過(guò)這個(gè)事例我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)備達(dá)到一定年限后就必須進(jìn)行技術(shù)革新和改造，使其保持最佳狀態(tài)，這樣才能產(chǎn)生最大經(jīng)濟(jì)效益。