劉威, 阮三星

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卷煙機(jī)風(fēng)室負(fù)壓調(diào)節(jié)的改進(jìn)

劉威, 阮三星

(常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司研究所, 湖南常德, 415000)

針對傳統(tǒng)卷煙機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)室負(fù)壓的比例節(jié)流閥采購成本過高、能源浪費的問題, 提出了采用基于西門子SIMOTION平臺的伺服變頻驅(qū)動改進(jìn)方案。改進(jìn)后的設(shè)備成本更低, 更加節(jié)能, 且能更好地滿足系統(tǒng)要求。

伺服變頻驅(qū)動; SIMOTION; V/f控制

卷煙機(jī)風(fēng)室負(fù)壓的穩(wěn)定直接影響到煙支的質(zhì)量, ZJ116等傳統(tǒng)卷煙機(jī)采用比例節(jié)流閥來調(diào)節(jié)風(fēng)室負(fù)壓的大小。風(fēng)機(jī)抽吸風(fēng)室中的空氣產(chǎn)生負(fù)壓, 使煙絲纖維被吸著在吸絲帶上。風(fēng)室負(fù)壓的大小受比例閥控制而保持在設(shè)定值允許的波動范圍內(nèi)。傳統(tǒng)卷煙機(jī)比例閥的采購成本過高、機(jī)械機(jī)構(gòu)和氣路設(shè)計復(fù)雜, 驅(qū)動風(fēng)機(jī)的電機(jī)只能以固定的最大設(shè)計轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)而造成能源浪費, 為此, 本設(shè)計采用基于西門子SIMOTION平臺的變頻驅(qū)動取代比例閥的控制, 并進(jìn)行實驗驗證。

1 實驗方案設(shè)計

實驗采用基于西門子SIMOTION平臺的伺服變頻驅(qū)動控制方案, 如圖1所示。伺服控制器通過變頻調(diào)速驅(qū)動負(fù)壓風(fēng)機(jī), 為風(fēng)室提供可調(diào)節(jié)的負(fù)壓氣源。負(fù)壓管路安裝有負(fù)壓檢測的/轉(zhuǎn)換器, 將工作負(fù)壓(0～20 kPa)轉(zhuǎn)換為0～10 V的電壓信號反饋給伺服控制器, 伺服控制器再根據(jù)負(fù)壓電壓信號調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速, 將工作負(fù)壓穩(wěn)定地控制在參數(shù)設(shè)定值。

圖1 改進(jìn)的風(fēng)室負(fù)壓調(diào)節(jié)方案

2 伺服變頻驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

SIMOTION是西門子開發(fā)的一種全新的運動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)實際需要可以對電機(jī)進(jìn)行同步控制、矢量控制、V/f控制等。其中SIMOTION D是基于驅(qū)動器設(shè)計的控制系統(tǒng)[1–3], 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, 并得到了廣泛應(yīng)用[4–6]。本文基于SIMOTI- ON D設(shè)計了伺服變頻驅(qū)動系統(tǒng)?？紤]到伺服控制系統(tǒng)的控制精度和實時性, 本設(shè)計使用西門子SIZER軟件進(jìn)行功能模塊的配置選型和評估, 選用D455為中央處理器, 配置1個55 kW調(diào)節(jié)型電源模塊, 1個18 A的單軸電機(jī)模塊, 選用西門子交流異步電機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)。伺服變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 伺服變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在SIMOTION SCOUT軟件中配置風(fēng)機(jī)電機(jī)軸, 并指定風(fēng)機(jī)電機(jī)軸為無編碼器的速度控制模式, 打開電機(jī)軸的V/f控制模式進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置即可對風(fēng)機(jī)進(jìn)行V/f控制。

3 風(fēng)機(jī)給定速度的算法設(shè)計

交流電機(jī)變頻調(diào)速動態(tài)響應(yīng)較慢, 開環(huán)的速度控制精度低, 因此根據(jù)負(fù)壓反饋, 對其速度輸出采取調(diào)節(jié)控制, 盡量提高其對氣流壓力的動態(tài)響應(yīng)和控制精度。風(fēng)機(jī)給定速度算法如圖3所示。將風(fēng)室設(shè)定負(fù)壓與實際負(fù)壓的差值, 經(jīng)過調(diào)節(jié)計算出風(fēng)機(jī)速度的修正值D, 最后將其疊加到當(dāng)前風(fēng)機(jī)速度o上, 給出最新的風(fēng)機(jī)輸出速度。當(dāng)設(shè)定負(fù)壓與實際負(fù)壓的差值為0時, 說明風(fēng)室負(fù)壓達(dá)到設(shè)定值的穩(wěn)定狀態(tài), 此時風(fēng)機(jī)以恒定的速度運行。改變計算中的比例因子和積分因子, 可調(diào)整風(fēng)機(jī)對壓力波動的響應(yīng)特性。該算法通過在SIMOTION SCOUT軟件中運用ST高級編程語言來實現(xiàn)。

圖3 風(fēng)機(jī)給定速度算法

4 實驗結(jié)果與分析

本實驗?zāi)M機(jī)器在帶料情況下的卷煙生產(chǎn)。在機(jī)器恒速和變速2種情況下, 測量風(fēng)機(jī)在伺服控制系統(tǒng)的變頻控制下所產(chǎn)生負(fù)壓的相關(guān)數(shù)據(jù), 實驗結(jié)果如表1和表2所示。

表1 機(jī)器在1 000支/min恒速運轉(zhuǎn)時改變負(fù)壓設(shè)定值實驗結(jié)果

由表1和表2可知: (1) 機(jī)器在恒速運轉(zhuǎn), 改變負(fù)壓設(shè)定值時, 風(fēng)室負(fù)壓均能在較短的時間內(nèi)到達(dá)目標(biāo)值, 且負(fù)壓的波動范圍小于0.1 kPa; (2) 機(jī)器在變速運轉(zhuǎn), 不改變負(fù)壓設(shè)定值時, 風(fēng)室負(fù)壓均能穩(wěn)定在設(shè)定值附近, 且負(fù)壓波動范圍小于0.1 kPa。實驗結(jié)果表明, 該伺服控制系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)電機(jī)的V/f控制具有響應(yīng)速度快、控制精度高等特點, 滿足卷煙生產(chǎn)對負(fù)壓穩(wěn)定性的要求。

表2 機(jī)器在1 000～20 000支/min變速運轉(zhuǎn)時不改變負(fù)壓設(shè)定值實驗結(jié)果/kPa

風(fēng)機(jī)的耗能跟轉(zhuǎn)速的1.7次方成正比, 因此風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越低耗能也就越少。

實驗還在風(fēng)機(jī)驅(qū)動電機(jī)相同的情況下, 對比了在比例閥調(diào)節(jié)控制和伺服變頻調(diào)節(jié)控制下風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速情況, 結(jié)果如表3所示。

表3 2種調(diào)節(jié)方案下風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速測定值

由表3可知, 在比例閥調(diào)節(jié)控制下風(fēng)機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)速運行, 而在伺服變頻調(diào)節(jié)控制下相同負(fù)壓目標(biāo)值時風(fēng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)速更低, 因此更加的節(jié)能。由于伺服變頻調(diào)節(jié)控制下取消了物理的比例節(jié)流閥, 使得機(jī)械氣路和電氣電路得到了簡化, 因而成本更低。

5 結(jié)語

實踐證明, 改進(jìn)的風(fēng)室負(fù)壓調(diào)節(jié)方案能夠滿足卷煙生產(chǎn)的要求。機(jī)械結(jié)構(gòu)和氣路得到了簡化, 取消了比例節(jié)流閥, 降低了采購成本, 且采用變頻驅(qū)動后更加節(jié)能。后續(xù)可以對該控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化得到最佳的比例因子和積分因子, 從而進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的控制精度。

[1] 劉威, 阮三星. 基于SIMOTION的多軸同步控制技術(shù)在卷煙機(jī)組中的應(yīng)用[J].湖南文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2016, 28(2): 87–90.

[2] 宮悅, 尤晨. SIMOTION D在飲料自動裝箱系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2013, 32(1): 59–66.

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(責(zé)任編校:劉剛毅)

The improvement design of the negative pressure regulation of the air chamber in cigarette making and tipping machine combination

Liu wei, Ruan Sanxing

(Changde Tobacco Machinery Co Ltd, Changde 415000, China)

As to the problems of the traditional cigarette making and tipping machine combination which used proportional throttle valve to adjust the negative pressure of the air chamber such as high cost, energy waste, etc. The paper proposed an improvement scheme which use the servo variable frequency drive system based on the SIEMENS SIMOTION platform. The improved equipment is lower cost, more energy saving and can better meet the system requirements.

Servo variable frequency drive; SIMOTION; V/f control

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.01.013

TS 43

A

1672–6146(2017)01–0058–02

劉威, skygod2008@163.com。

2016–11–11

國家煙草專賣局資助項目(11020143270104)。