變頻伺服技術在卷裝袋生產線改造中的應用

變頻伺服技術在卷裝袋生產線改造中的應用

陳小兵

(江門市新會成人中等專業學校，廣東 江門 529100)

摘要：對卷裝袋生產線控制電路進行詳細的研究分析，采用伺服系統對制袋機送膜驅動和熱封驅動進行改造，用變頻器對印刷驅動電路進行升級。改造后機器運行更加可靠，故障率更低，維護更方便。

關鍵詞：伺服系統；直流驅動；變頻器

收稿日期：2015-05-19

作者簡介：陳小兵(1970—)，男，廣東新會人，電子電工講師，研究方向：電氣自動化控制。

0引言

卷裝袋生產線是生產塑料袋的專用設備，是20世紀90年代自德國、丹麥等國進口的相當先進的設備。但隨著使用年限的增加，各種控制電路和驅動電路都有老化的跡象，性能下降，從而導致機器出現跳閘、速度不穩等軟故障，維修起來十分困難，而且維修效果也不理想。因此，筆者決定采用伺服系統和變頻系統對設備進行改造。

1卷裝袋生產線設備的組成和工作原理

如圖1所示，卷裝機由放卷機、印刷機、角撐機、制袋機、收卷機等幾部分組成。

圖1　卷裝生產線結構圖

放卷機正常工作時，薄膜由前面的印刷機牽引，浮動輥在薄膜拉力作用下上浮，裝在浮動輥軸端的電位器在齒輪傳動機構的帶動下一起轉動，使膜卷穩定開卷送到印刷機進行印刷。然后送到角撐機進行折邊處理。制袋單元工作原理是在人機介面輸入溫度、袋長、生產速度、每卷個數等參數后起動機器，PLC內部運算后將數字信號經數模轉換模塊轉換成模擬信號傳送給送膜驅動器和熱封驅動器。送膜驅動電機恒速傳送薄膜，熱封驅動恒速傳動熱封單元和沖切單元，熱封單元和沖切單元共用一個電機驅動，保證機器平穩運行。收卷器主要功能是收卷和換卷。

2卷裝袋生產線存在的問題及改造

由上面分析可知，制袋單元、印刷單元、生產過程中負荷較重，且對電機速度的控制要求較高，決定將送膜直流驅動系統和熱封直流驅動系統分別用三菱MR-J2S200和MR-J2S350伺服系統進行改造。

2.1制袋單元送膜系統的改造

送膜單元采用丹麥CONTRAVES EGB220.15D直流驅動器加直流電機及測速電機構成，組成的閉環調速系統精度比較高，因而必須采用性能比其更好的調速系統改造才能達到生產要求。經過多種牌子和型號分析計算，決定采用三菱(mitsubishi)伺服驅動器MR-J2S200A和伺服電機HC-SFS202對其進行改造。PLC控制系統由三菱CPU A2N、數字量輸出模塊AY82和模擬量輸出模塊A62DA組成，控制直流驅動系統的起動和運行速度。改造后伺服系統的接線如圖2所示。

伺服變壓器的電源輸出用F2.1空氣開關進行保護。K2.1連接于伺服驅動器報警輸出端alm，當伺服驅動器報警時，斷開alm輸出信號，K2.1失電同時斷開K1.1控制電源，伺服驅動器的三相電源被斷開，防止發生安全事故和擴大故障范圍。K3.1來自設備急停回路控制觸點，當機器的任何一個急停開關被按下后，急停環路斷開，急停繼電器停止有所輸出，同時急停繼電器觸點K3.1斷開，K1.1失電斷開主電源。

卷裝機制袋單元運行時電機都是連續運轉的，伺服驅動器的正轉行程末端開關lsp和反轉行程末端開關lsn用不上，因而將其對com短接。電機任何時候都只作一個方向運轉，因而fwd與com接通保證任何情況下都是正方向運行。son為伺服系統起動信號，當PLC接到開機信號后，如果機器沒故障并且各安全裝置到位、各個單元都處于自動狀態，則數字量輸出模塊AY82的Y82端口輸出高電平，繼電器K5得電吸合，伺服驅動器起動端son得電，伺服電機按給定速度穩定運行。在直流驅動器的輸入端口中，有兩路輸入信號，一路給主速度控制，另一路為微調信號，當使用袋長控制或電眼控制時，PLC給定主信號的同時還必須給定微調信號，發生袋長變化或電眼跟蹤不良時，PLC通過微調端口調整電機的速度，對速度偏差進行修正。由于三菱伺服驅動器的速度模擬給定只有一個端口，不能同時輸入主速度信號和微調信號，因而采用一個模擬量加法模塊2289對兩路信號進行相加，結果輸入驅動器。由模擬量輸出模塊A62DA第8、9腳輸出主速度信號，13、14腳輸出微調信號輸入2289模塊的5、6、7腳，在2289模塊內部進行相加，再由1、3腳輸出相加后的模擬信號經電位器R分壓后進入伺服驅動器的LG和VC腳。在直流調速系統中，由于轉換訂單等原因出現實際袋長與設定袋長有偏差時，通過調整驅動板的最大速度電位器Nmax校正速度。改伺服系統后，為方便操作，增加了電位器R用于校準偏差速度，生產者都說方便又實用。

圖2　送膜伺服系統接線圖

2.2制袋單元熱封系統的改造

熱封系統的直流驅動部分基本與送膜部分相同，只是熱封系統的功率要比送膜系統的功率大，運行時負荷重，選擇MR-J2S350A和伺服電機HC-SFS352對其進行改造，熱封系統的速度不用微調信號，只用一路速度信號輸入就滿足要求。電路如圖3所示。

圖3　熱封伺服系統接線圖

參數設定和伺服系統調試完成后，起動運行各個系統，各個動作環節都干凈清脆，沒有速度不穩帶來的遲滯感。再看伺服驅動器顯示的速度，面板顯示值幾乎不動，說明速度控制環節相當穩定，達到機器運轉要求。

2.3印刷單元直流系統用變頻器改造

印刷機采用直流驅動器TK-4和直流電機及測速電機組成，驅動電路如圖4所示。

圖4　印刷直流系統接線圖

此類型驅動器結構簡單，但性能不是很好，而且高低壓沒用隔離，曾經發生多次由于測速電機對地短路而引起燒壞驅動，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，F1.2用于過載和短路保護。27腳編程定義為轉矩極限并停止功能，由于沒使用轉矩檢測，此腳連接到com端，18腳為起動/停止端，當機器起動時，K4得電接通，變頻器按給定速度運行。K3為手動/自動轉換繼電器，當機器處于手動狀態時，K3得電閉合，常開觸點接到R1的中心點，變頻器53腳接收R1中點電壓信號，R1為手動調速電位器，此時機器按R1給定速度手動運行。當機器處于自動狀態時，R3失電，常閉觸點接到R2的中心點，變頻器53腳接收R2中點電壓信號，R2浮動輥自動調速電位器，此時機器按R2給定速度自動運行，當浮動輥升高時，電位器R2的輸出電壓增加，電機速度加快，浮動輥在重力作用下下降，反之電機速度減慢，與變頻器組成一個閉環控制系統使印刷機穩定運行。變頻器01、02端子為內部報警繼電器輸出，當變頻器發生故障或跳閘時，輸出報警信號。變頻器39、42為模擬信號輸出端，通過參數設定輸出電流信號或電壓信號，或外接速度表或電流表顯示對應的參數。

變頻器的參數F100選擇閉環速度控制，F306、F307設定為編碼器輸入的A、B端口，F329設定編碼器的每轉脈沖數，再根據表1設定好反饋參數及變頻器輸出的上限頻率、下限頻率、最大頻率、加減速時間等一些基本參數后，即可通電調試。

下面是調試方法：

(1) 先用手動功能試運轉變頻器，從低速慢慢加速，觀察變頻器輸出是不是從低速慢慢開始運轉，如果變頻器突然加速過快，就是反饋信號的相位不對，將編碼器輸出端A、B對調。這時變頻器應能正常運轉。

(2) PI參數的調整。在一般的速度控制中，用P、I參數基本可以滿足控制要求，如果應用D參數，在調得不是很理想的情況下可能會引起系統振蕩，因此大多數情況下將D參數設為0(不用)。通電運行后，如果系統加速過快而發生振蕩，則將P值逐漸減小，反之則增大P值；如果系統快速振蕩，則調大I值，反之調小I值。反復調整PI參數，直到系統穩定運行。通常情況下，將PI參數稍修改或保持系統默認值，系統都可以穩定運行。

圖5　印刷變頻系統接線圖

功能參數功能參數F1001F4170.02F2000F4188msF2010.0HzF4190F20250HzF4205F2030F42110F4140F329500p/rF4151500F306AF2040F307BF20550

(3) 速度跟蹤的調整。變頻器運行參數調好后，還要調整輸入信號與輸出頻率的增益，正常運轉機器，觀察浮動輥的位置，正常情況下在中點附近為宜。當偏離中點值時可通過調整F205最大給定值來調整增益，當浮動輥過高時，調小F205的值，使變頻器增益增大，降低浮動輥；反之則調大F205的值。

變頻器參數調整完畢后，整機試運行，機器起動和停止時，印刷機的速度都能平穩跟隨制袋機運行，沒發生起動過快或停止過慢等情況，說明加減速時間等參數都符合要求，機器運行穩定后，觀察變頻器的頻率，都幾乎穩定在一個頻率值，印刷機浮動輥也穩定在中間位置，可見印刷機的穩速性能非常好，改造取得成功。

3結語

制袋單元和印刷單元是機器的最主要部分，袋長變化、熱封不良、沖孔線走位等問題都出在制袋單元，印刷套色不準、圖案不清、圖案跳泡等問題都出在印刷單元。經過對制袋機和印刷機進行伺服驅動和變頻改造后，機器運行穩定，袋長偏差都不會超過2 mm，制袋機生產的袋子各項指標都十分理想，印刷機的運行也十分穩定，印刷效果令人滿意。改造后，由于伺服系統和變頻系統都采用無刷電機，節省了維護成本。通過這個事例我們可以發現，當設備達到一定年限后就必須進行技術革新和改造，使其保持最佳狀態，這樣才能產生最大經濟效益。