伺服技術在卷煙機煙支重量控制系統中的應用

李建勛，喬 敬，李 勇

（河南中煙工業有限責任公司 駐馬店卷煙廠，河南 駐馬店 463000）

伺服技術在卷煙機煙支重量控制系統中的應用

李建勛，喬 敬，李 勇

（河南中煙工業有限責任公司 駐馬店卷煙廠，河南 駐馬店 463000）

目前主流卷接機組煙支重量控制系統的執行部分均采用 110 V普通單相電機，存在著重量控制精度偏低、維修費用較高的問題．通過技術創新和改造，在ZJ15XG型機組上構建了由伺服系統、微型PLC組成的控制系統，有效地解決了原系統存在的問題，一臺機組每年可節約費用近5萬元．

伺服控制；重量控制；平準器

1 煙支重量控制系統的工作原理及存在的問題

1.1 煙支重量控制系統的工作原理

近代卷接機組的煙支重量控制系統都是由煙支密度檢測器、工業控制計算機、平準器、升降控制電機等組成．平準器上升時，劈刀對煙絲束的切削量增大，煙支重量減小，反之煙支重量將增大．工控機根據檢測到的煙絲密度大小輸出控制脈沖，驅動一單相電機帶動平準器的升降來實現煙支重量的控制．煙支重量控制系統如圖1所示．

圖1 煙支重量控制系統的組成

1.2 現有煙支重量控制系統存在的問題

目前在用的MOLINS和PROTOS系列主流機型，均通過單相交流電機來驅動平準器的升降，由于單相電機轉速高，扭矩小，不能直接驅動相對沉重的平準器，所以制造廠家又疊加了一組齒輪箱以增加輸出扭矩．齒輪箱在增大電機扭矩的同時，由于多個齒輪工作間隙的存在而放大了傳動誤差，輸出與輸入相比在時間上和位移上都存在滯后現象．實驗表明：系統在向電機發出一個控制脈沖后，必須等待 100～300 ms后才能發出下一個控制脈沖，以確保平準器升降機構進入穩定狀態；當加在電機上的重量調整控制脈沖寬度小于100 ms時，齒輪箱輸出端沒有動作．另外，電機轉子的轉動慣量較大，因此在正反轉切換時還需要延時，這也制約了系統的響應速度．

齒輪箱內的尼龍齒輪組，在電機的頻繁正反轉切換中磨損較快，從而傳動精度和控制精度越來越低，當傳動部分出現較大響應死區時，煙支重量變異系數增大，從而不能滿足生產工藝要求，不得不更換齒輪組．這一電機總成的換件周期約為6個月，每臺進口電機總成的價格約2.6萬元，維修費用很高．

2 利用伺服技術控制平準器升降的改造方案

2.1 伺服控制系統的特點

伺服控制系統由伺服控制器和伺服電機構成，伺服電機的轉子是永磁體．伺服控制器將其輸出的三相交流電加載到電機定子繞組，形成旋轉磁場，轉子在此磁場的作用下轉動．伺服電機自帶的編碼器將電機轉子的位置信號和速度信號反饋給伺服控制器，二者構成了一個很完善的閉環控制系統．在這種自動控制系統中，伺服系統用作執行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出．

伺服系統的控制精度取決于編碼器的分辨率（線數），而采用增量型編碼器時分辨率一般可以達到131 072 ppr，因此伺服電機的控制精度非常高，被譽為電子齒輪．伺服電機調速范圍寬，響應快，可以頻繁地進行正反向轉動切換，且具有恒轉矩特性，帶負載能力強（能夠直接驅動負載），也不需要減速機構．此外，伺服系統為通用電器件，價格較低（只有專用件的1/3），性能穩定可靠，免維護，使用壽命長．

根據伺服系統的上述特點，我們決定先在一臺改造型ZJ15XG機組上進行試驗，即用伺服系統替代單相交流電機作驅動，以提高煙支重量控制精度和系統響應速度，降低維修費用．

2.2 系統改造方案及工作原理

與一般的單相電機相比，伺服電機的控制要復雜一些．一般單相電機的正反轉控制，可簡單地由主控PLC發出的兩個指令信號來實現．伺服電機的正反轉控制，不僅需要給伺服控制器加使能信號，而且要給伺服控制器的正反轉控制端子加組合信號．因此，實現伺服電機的正反轉控制，需要把主控PLC輸出的正反轉指令信號轉換成伺服控制器需要的組合信號．

2.2.1 機械傳動結構

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的SGDH-04AE型伺服控制器和SGMAH-04AAA61型伺服電機．系統的機械傳動結構如圖2所示．由于伺服電機的軸直徑和安裝尺寸與原單相電機不同，我們制作了配套的聯軸器，把伺服電機的扭矩轉變為平準器升降的動力．為了便于調整和維修，伺服控制器安裝在控制面板后面的電柜中，微型PLC安裝在卷煙機主電柜中．

圖2 改造后系統的機械傳動結構示意圖

2.2.2 電氣控制原理及控制流程

改造后的系統控制流程見圖3，電氣聯接見圖4．設備啟動后，電機 M4運行，M4接觸器的輔助觸點K4接通，伺服控制器40端得到0 V的使能電壓信號，伺服控制器處于準備運行狀態．當主控PLC發出正轉指令時，Q1246輸出24 V電壓，微型PLC的I1端輸入為高電平，Q1導通，伺服控制器的45腳電位被置0，伺服控制器驅動伺服電機正轉；當主控PLC發出反轉指令時，Q1247輸出24 V電壓，微型PLC的I2端輸入為高電平，Q1和Q2同時導通，伺服控制器的41和45腳電位置0，伺服電機反轉．

圖3 改造后系統的控制流程框圖

圖4 伺服控制器和信號轉換控制器接線圖

3 應用效果

實驗表明，系統經改造后，有效地消除了原來的遲滯現象，在接收寬度10 ms間隔50 ms的控制脈沖時仍然可以穩定、連續地控制平準器的升降動作，控制精度得到大幅度提高．首臺機組改造后已連續穩定運行近1年，沒有發生過任何故障，預計設備其他部分報廢前平準器系統都可正常工作．該技術改造項目已應用于駐馬店卷煙廠的7臺卷接機組上，項目總投資約6萬元，每年可節約電機等購置費用34萬元，按大修周期8年計算，累計總共可節約備件投資282萬元．更重要的是，由于控制精度的提高，使得煙支重量均勻穩定，既降低了煙絲消耗，也提高了產品質量．

[1] 田永杰，范培學．卷煙生產技術工人培訓教材[G]．

[2] 西門子公司．LOGO小型PLC說明書[K]．

[3] 李禮．交流伺服系統在 ZJ15卷接機組中的應用[J]．煙草科技，2003(4)：16―17．

[4] 湯旭晶，江志凌，胡業偉，等．PROTOS 70卷接機組主電機交流伺服系統改造[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．

〔責任編輯 張繼金〕