劉威, 阮三星

(常德煙草機械有限責(zé)任公司 研究所, 湖南 常德, 415000)

基于SIMOTION的多軸同步控制技術(shù)在卷煙機組中的應(yīng)用

劉威, 阮三星

(常德煙草機械有限責(zé)任公司 研究所, 湖南 常德, 415000)

為了解決傳統(tǒng)卷煙機組的接裝機傳動鏈過長、傳動誤差大、維修不方便、機械潤滑系統(tǒng)容易漏油等問題, 采用西門子SIMOTION伺服獨立驅(qū)動系統(tǒng)替代了原來的機械傳動系統(tǒng), 實驗結(jié)果表明, 基于SIOMOTION的伺服獨立驅(qū)動系統(tǒng)有效地提高了卷煙設(shè)備的速度和精度, 滿足設(shè)計要求。

多軸同步控制; SIMOTION; 獨立伺服驅(qū)動

傳統(tǒng)接裝機的傳動系統(tǒng)由主傳動系統(tǒng)和若干獨立的傳動系統(tǒng)組成。為與上游卷煙機保持同步, 接裝機的主傳動系統(tǒng)與卷煙機主傳動由同一電機驅(qū)動。為了使卷接機組連續(xù)正常工作, 其進煙量和出煙量必須相等, 這樣各鼓輪就要滿足同步關(guān)系: 各交接處鼓輪的線速度相等或相近; 各鼓輪在單位時間內(nèi)煙支的輸送量相等; 各鼓輪的轉(zhuǎn)速保持嚴(yán)格的比例關(guān)系。目前我公司的卷接機組大都采用傳統(tǒng)的傳動方式, 整個機組在運行過程中傳動鏈過長、傳動誤差較大而且容易漏油, 隨著多電機同步控制技術(shù)的發(fā)展,獨立伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為了卷煙行業(yè)電氣傳動的熱點之一[1–4]。為了提高國產(chǎn)煙機的品質(zhì),我公司對接裝機鼓輪組進行了獨立驅(qū)動的改造實驗, 采用西門子SIMOTION伺服同步控制系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng), 取得了良好的效果。

1　鼓輪負(fù)載分析及電機選型

本文只對試驗裝置中的煙條分離輪、匯合鼓輪和煙支分離輪進行研究。煙條分離輪的作用是將切開的雙倍長煙條分開以便放入濾嘴, 匯合鼓輪的作用是將雙倍長濾嘴放入切開的單倍長煙條中, 煙支分離輪的作用是將切開的雙倍長煙支分開。3個鼓輪的基本參數(shù)見表1。

一般來說, 加速過程中所需的轉(zhuǎn)矩要大于減速過程中的轉(zhuǎn)矩, 因此, 只要電機的額定轉(zhuǎn)矩大于機構(gòu)在加速過程中的負(fù)載轉(zhuǎn)矩即可滿足要求。

各個鼓輪最大加速轉(zhuǎn)矩的計算公式為 Ta= 2πNm(Jm+ JL)/(60ta) + TL。式中: Ta為加速轉(zhuǎn)矩; Nm為電機正常工作時的轉(zhuǎn)速; Jm為電機轉(zhuǎn)動慣量; JL為負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量; ta為加速時間; TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

參考PROTOS M5相對應(yīng)的鼓輪電機參數(shù), 加速時間設(shè)為10 s, 分別對煙條分離輪、匯合鼓輪、煙支分離輪的最大加速轉(zhuǎn)矩進行了估算, 依次為8.917、4.546、10.359 N·m。

從估算的鼓輪最大加速轉(zhuǎn)矩、實際工況下摩擦力矩及其他載荷力矩參數(shù)可知,普通電機雖然能夠滿足選型電機有較大余量額定輸出扭矩的要求, 但無法滿足系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)緊湊及安裝調(diào)試等的要求。因此,綜合考慮后, 選用直驅(qū)電機[5–6], 其主要參數(shù)見表2。

表1　鼓輪基本參數(shù)

2　控制系統(tǒng)的設(shè)計

SIMOTION[7]是西門子開發(fā)的一種針對機械運動尤其是多軸運動任務(wù)而設(shè)計的控制系統(tǒng), 其中 SIMOTION D是基于驅(qū)動器設(shè)計的控制系統(tǒng),通過控制器與驅(qū)動器的結(jié)合使其具有極快的響應(yīng)速度, 從而大大提高系統(tǒng)性能, 是實現(xiàn)多軸復(fù)雜運動控制任務(wù)的一種解決方案。本文基于SIMOTION D而設(shè)計的多軸同步控制系統(tǒng), 考慮到伺服控制系統(tǒng)的控制精度和實時性, 項目使用西門子SIZER軟件進行功能模塊的配置選型和評估, 選用D455為中央處理器, 配置了一個55 kW調(diào)節(jié)型電源模塊, 一個18 A的雙軸電機模塊和一個9 A的單軸電機模塊。由于驅(qū)動第三方電機, 故系統(tǒng)使用SMC20模塊來對接直驅(qū)電機的Endat編碼器。控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

SIMOTION控制系統(tǒng)在多軸運動方面主要提供了2種耦合方式, 即電子齒輪和電子凸輪。其中電子齒輪多應(yīng)用于軸與軸之間成線性運動比例關(guān)系。卷接機組中各鼓輪之間是嚴(yán)格線性比例運動關(guān)系, 故本文所設(shè)計的多軸同步控制系統(tǒng)采用的控制策略就是電子齒輪耦合方式, 即主軸為虛擬主軸[8–10], 用于提供穩(wěn)定的跟隨控制信號, 從軸為各個實際鼓輪軸(圖2)?？刂葡到y(tǒng)的控制算法通過在SIMOTION SCOUT軟件中運用ST高級編程語言實現(xiàn)。

圖1　鼓輪獨立驅(qū)動控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2　鼓輪獨立驅(qū)動控制系統(tǒng)控制策略

圖3　各鼓輪的速度響應(yīng)曲線

3　實驗結(jié)果與分析

本次實驗是在帶負(fù)載的情況下模擬卷煙生產(chǎn), 測試分2個階段, 即低速和高速。初始時機器速度設(shè)定為10 000支/min(低速), 當(dāng)各鼓輪到達(dá)指定速度后再將機器速度設(shè)定為16 000支/min(高速)。各鼓輪的速度響應(yīng)曲線和位置跟隨誤差如圖3和圖4所示。

圖4　各鼓輪在低速和高速時的位置跟隨誤差曲線

由圖 3可知: (1) 無論是低速還是高速, 各鼓輪電機都能在短時間內(nèi)達(dá)到指定速度而且沒有超調(diào),這體現(xiàn)了該控制系統(tǒng)良好的動態(tài)性能; (2) 在低速或高速的穩(wěn)態(tài)階段, 各鼓輪之間的轉(zhuǎn)速均保持嚴(yán)格的比例關(guān)系, 即煙支分離輪與匯合輪的轉(zhuǎn)速比為1︰2, 匯合輪與煙條分離輪的轉(zhuǎn)速比為1︰1, 與表1中各鼓輪的煙槽數(shù)和轉(zhuǎn)速關(guān)系一致。

由圖4可知: 煙支分離輪在低速和高速時的最大位置跟隨誤差分別為0.024°和0.038°; 匯合輪在低速和高速時的最大位置跟隨誤差分別為 0.004°和 0.003°; 煙條分離輪在低速和高速時的最大位置跟隨誤差分別為0.035°和0.023°。這是因為煙支分離輪和煙條分離輪為雙凸輪結(jié)構(gòu), 負(fù)載慣量大, 負(fù)載不均衡, 摩擦阻力大, 所以負(fù)載的波動對控制系統(tǒng)的控制精度產(chǎn)生了影響, 匯合輪為簡單結(jié)構(gòu), 負(fù)載均衡,電機負(fù)荷主要為風(fēng)阻和軸承的摩擦阻力, 負(fù)載的波動不大, 所以其控制精度相對較高。綜合來看, 各個鼓輪的位置跟隨誤差無論在低速或高速時均遠(yuǎn)小于設(shè)計要求的 0.1°以內(nèi), 這表明該控制系統(tǒng)的同步精度高, 具有良好的抗干擾性, 完全能夠滿足機器的同步控制精度要求。

4　結(jié)語

實驗結(jié)果表明, 基于西門子SIMOTION的伺服獨立驅(qū)動系統(tǒng)完全能夠滿足機器對同步控制精度的要求, 且運行穩(wěn)定, 相對于傳統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)安裝調(diào)試更加方便, 各鼓輪的同步精度更高, 而且解決了機械潤滑系統(tǒng)容易漏油的難題。后續(xù)可以對該控制系統(tǒng)進一步進行硬件和軟件的升級與優(yōu)化, 從而進一步提高控制系統(tǒng)的控制精度。

[1] 常建宏. 交流伺服系統(tǒng)在PASSIM卷煙機供絲系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 科技風(fēng), 2010(2): 167–168.

[2] 蘇發(fā)枝. 交流伺服系統(tǒng)在供絲機中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置, 2004(5): 55–57.

[3] Tang Y, Li L, Gao S, et al. Fuzzy Logic Control of Wind Pressure of Cigarette Making Technological Wind Power [C]// Proceeding of the 3rd World Congress on Intelligent Control and Automation, Hefei, 2000: 1 654– 1 657.

[4] 謝立軍. ZL26A濾棒成型機組伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 湖南文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2013, 25(2): 92–93.

[5] 王成元, 夏加寬, 楊俊友, 等. 現(xiàn)代電機控制技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2006: 156–176.

[6] 阿布德萊扎克·萊佐克, 莫哈邁德·艾爾哈迪·扎依姆. 特種電機[M]. 謝衛(wèi), 湯天浩, 譯. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2015: 20–60.

[7] 王薇. 深入淺出西門子運動控制器: SIMOTION實用手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2013: 1–30.

[8] 季明逸, 游有鵬. 基于虛擬主軸法的同步控制策略研究[J]. 機電一體化, 2012(8): 36–41.

[9] 李小燕. 超高速卷接機多軸同步伺服系統(tǒng)的研究[D]. 長沙: 湖南大學(xué), 2011: 28–49.

[10] 劉增喜, 崔桂華. 多款系統(tǒng)成就粗紗機同步控制[J]. 中國紡織, 2013(12): 126–126.

(責(zé)任編校: 劉剛毅)

Application of multi-motor synchronous control technology based on SIMOTION in cigarette making and tipping machine combination

Liu Wei, Ruan Sanxing
(Institution of Changde Tobacco Machinery Co Ltd, Changde 415000, China)

Due to the problems of the traditional cigarette making and tipping machine combination such as long transmission chain, large error of transmission, mechanical lubrication system easy to leak, maintenance is not convenient, etc, the original mechanical drive system is replaced with independent servo drive system of SIEMENS SIMOTION, experimental results show that this system fully meets the requirements of cigarette making and tipping machine combination which demand for high precision and high speed.

multi-motor synchronous control; SIMOTION; independent servo drive

TS 43

1672–6146(2016)02–0087–04

10.3969/j.issn.1672–6146.2016.02.020

劉威, skygod2008@163.com。

2016–01–23