伺服技術(shù)在卷煙機(jī)煙支重量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

李建勛，喬 敬，李 勇

（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 駐馬店卷煙廠，河南 駐馬店 463000）

伺服技術(shù)在卷煙機(jī)煙支重量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

李建勛，喬 敬，李 勇

（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 駐馬店卷煙廠，河南 駐馬店 463000）

目前主流卷接機(jī)組煙支重量控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分均采用 110 V普通單相電機(jī)，存在著重量控制精度偏低、維修費(fèi)用較高的問(wèn)題．通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和改造，在ZJ15XG型機(jī)組上構(gòu)建了由伺服系統(tǒng)、微型PLC組成的控制系統(tǒng)，有效地解決了原系統(tǒng)存在的問(wèn)題，一臺(tái)機(jī)組每年可節(jié)約費(fèi)用近5萬(wàn)元．

伺服控制；重量控制；平準(zhǔn)器

1 煙支重量控制系統(tǒng)的工作原理及存在的問(wèn)題

1.1 煙支重量控制系統(tǒng)的工作原理

近代卷接機(jī)組的煙支重量控制系統(tǒng)都是由煙支密度檢測(cè)器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、平準(zhǔn)器、升降控制電機(jī)等組成．平準(zhǔn)器上升時(shí)，劈刀對(duì)煙絲束的切削量增大，煙支重量減小，反之煙支重量將增大．工控機(jī)根據(jù)檢測(cè)到的煙絲密度大小輸出控制脈沖，驅(qū)動(dòng)一單相電機(jī)帶動(dòng)平準(zhǔn)器的升降來(lái)實(shí)現(xiàn)煙支重量的控制．煙支重量控制系統(tǒng)如圖1所示．

圖1 煙支重量控制系統(tǒng)的組成

1.2 現(xiàn)有煙支重量控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

目前在用的MOLINS和PROTOS系列主流機(jī)型，均通過(guò)單相交流電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)平準(zhǔn)器的升降，由于單相電機(jī)轉(zhuǎn)速高，扭矩小，不能直接驅(qū)動(dòng)相對(duì)沉重的平準(zhǔn)器，所以制造廠家又疊加了一組齒輪箱以增加輸出扭矩．齒輪箱在增大電機(jī)扭矩的同時(shí)，由于多個(gè)齒輪工作間隙的存在而放大了傳動(dòng)誤差，輸出與輸入相比在時(shí)間上和位移上都存在滯后現(xiàn)象．實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)在向電機(jī)發(fā)出一個(gè)控制脈沖后，必須等待 100～300 ms后才能發(fā)出下一個(gè)控制脈沖，以確保平準(zhǔn)器升降機(jī)構(gòu)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)加在電機(jī)上的重量調(diào)整控制脈沖寬度小于100 ms時(shí)，齒輪箱輸出端沒(méi)有動(dòng)作．另外，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，因此在正反轉(zhuǎn)切換時(shí)還需要延時(shí)，這也制約了系統(tǒng)的響應(yīng)速度．

齒輪箱內(nèi)的尼龍齒輪組，在電機(jī)的頻繁正反轉(zhuǎn)切換中磨損較快，從而傳動(dòng)精度和控制精度越來(lái)越低，當(dāng)傳動(dòng)部分出現(xiàn)較大響應(yīng)死區(qū)時(shí)，煙支重量變異系數(shù)增大，從而不能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求，不得不更換齒輪組．這一電機(jī)總成的換件周期約為6個(gè)月，每臺(tái)進(jìn)口電機(jī)總成的價(jià)格約2.6萬(wàn)元，維修費(fèi)用很高．

2 利用伺服技術(shù)控制平準(zhǔn)器升降的改造方案

2.1 伺服控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

伺服控制系統(tǒng)由伺服控制器和伺服電機(jī)構(gòu)成，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體．伺服控制器將其輸出的三相交流電加載到電機(jī)定子繞組，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)．伺服電機(jī)自帶的編碼器將電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)和速度信號(hào)反饋給伺服控制器，二者構(gòu)成了一個(gè)很完善的閉環(huán)控制系統(tǒng)．在這種自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出．

伺服系統(tǒng)的控制精度取決于編碼器的分辨率（線(xiàn)數(shù)），而采用增量型編碼器時(shí)分辨率一般可以達(dá)到131 072 ppr，因此伺服電機(jī)的控制精度非常高，被譽(yù)為電子齒輪．伺服電機(jī)調(diào)速范圍寬，響應(yīng)快，可以頻繁地進(jìn)行正反向轉(zhuǎn)動(dòng)切換，且具有恒轉(zhuǎn)矩特性，帶負(fù)載能力強(qiáng)（能夠直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載），也不需要減速機(jī)構(gòu)．此外，伺服系統(tǒng)為通用電器件，價(jià)格較低（只有專(zhuān)用件的1/3），性能穩(wěn)定可靠，免維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)．

根據(jù)伺服系統(tǒng)的上述特點(diǎn)，我們決定先在一臺(tái)改造型ZJ15XG機(jī)組上進(jìn)行試驗(yàn)，即用伺服系統(tǒng)替代單相交流電機(jī)作驅(qū)動(dòng)，以提高煙支重量控制精度和系統(tǒng)響應(yīng)速度，降低維修費(fèi)用．

2.2 系統(tǒng)改造方案及工作原理

與一般的單相電機(jī)相比，伺服電機(jī)的控制要復(fù)雜一些．一般單相電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，可簡(jiǎn)單地由主控PLC發(fā)出的兩個(gè)指令信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)．伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，不僅需要給伺服控制器加使能信號(hào)，而且要給伺服控制器的正反轉(zhuǎn)控制端子加組合信號(hào)．因此，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，需要把主控PLC輸出的正反轉(zhuǎn)指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成伺服控制器需要的組合信號(hào)．

2.2.1 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

考慮到輸出扭矩、體積等方面的要求，我們選用了日本安川公司生產(chǎn)的SGDH-04AE型伺服控制器和SGMAH-04AAA61型伺服電機(jī)．系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2所示．由于伺服電機(jī)的軸直徑和安裝尺寸與原單相電機(jī)不同，我們制作了配套的聯(lián)軸器，把伺服電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)變?yōu)槠綔?zhǔn)器升降的動(dòng)力．為了便于調(diào)整和維修，伺服控制器安裝在控制面板后面的電柜中，微型PLC安裝在卷煙機(jī)主電柜中．

圖2 改造后系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 電氣控制原理及控制流程

改造后的系統(tǒng)控制流程見(jiàn)圖3，電氣聯(lián)接見(jiàn)圖4．設(shè)備啟動(dòng)后，電機(jī) M4運(yùn)行，M4接觸器的輔助觸點(diǎn)K4接通，伺服控制器40端得到0 V的使能電壓信號(hào)，伺服控制器處于準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)．當(dāng)主控PLC發(fā)出正轉(zhuǎn)指令時(shí)，Q1246輸出24 V電壓，微型PLC的I1端輸入為高電平，Q1導(dǎo)通，伺服控制器的45腳電位被置0，伺服控制器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)主控PLC發(fā)出反轉(zhuǎn)指令時(shí)，Q1247輸出24 V電壓，微型PLC的I2端輸入為高電平，Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，伺服控制器的41和45腳電位置0，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)．

圖3 改造后系統(tǒng)的控制流程框圖

圖4 伺服控制器和信號(hào)轉(zhuǎn)換控制器接線(xiàn)圖

3 應(yīng)用效果

實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)經(jīng)改造后，有效地消除了原來(lái)的遲滯現(xiàn)象，在接收寬度10 ms間隔50 ms的控制脈沖時(shí)仍然可以穩(wěn)定、連續(xù)地控制平準(zhǔn)器的升降動(dòng)作，控制精度得到大幅度提高．首臺(tái)機(jī)組改造后已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行近1年，沒(méi)有發(fā)生過(guò)任何故障，預(yù)計(jì)設(shè)備其他部分報(bào)廢前平準(zhǔn)器系統(tǒng)都可正常工作．該技術(shù)改造項(xiàng)目已應(yīng)用于駐馬店卷煙廠的7臺(tái)卷接機(jī)組上，項(xiàng)目總投資約6萬(wàn)元，每年可節(jié)約電機(jī)等購(gòu)置費(fèi)用34萬(wàn)元，按大修周期8年計(jì)算，累計(jì)總共可節(jié)約備件投資282萬(wàn)元．更重要的是，由于控制精度的提高，使得煙支重量均勻穩(wěn)定，既降低了煙絲消耗，也提高了產(chǎn)品質(zhì)量．

[1] 田永杰，范培學(xué)．卷煙生產(chǎn)技術(shù)工人培訓(xùn)教材[G]．

[2] 西門(mén)子公司．LOGO小型PLC說(shuō)明書(shū)[K]．

[3] 李禮．交流伺服系統(tǒng)在 ZJ15卷接機(jī)組中的應(yīng)用[J]．煙草科技，2003(4)：16―17．

[4] 湯旭晶，江志凌，胡業(yè)偉，等．PROTOS 70卷接機(jī)組主電機(jī)交流伺服系統(tǒng)改造[J]．煙草科技，2005(8)：19―20．

TS43

A

1006-5261(2011)02-0018-02

2011-03-13

李建勛（1968―），男，河南上蔡人，工程師．

〔責(zé)任編輯 張繼金〕