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伦茨9300ES在纤维滤棒成型机组上的应用
纤维滤棒成型机组是卷烟厂生产过滤嘴棒的设备。近年来，随着卷烟生产技术的不断发展，过滤嘴棒的质量直接影响到香烟的口感和对烟气中有害物质的过滤，而过滤嘴棒的质量很大一部分原因取决于设备动态及稳定运行，特别是卷烟生产自动化水平和生产管理信息化水平的不断提高，各烟厂对滤棒质量和滤棒生产设备的性能提出了更新、更高、更严格的要求。
方案的提出
沈阳市沈飞民品工业公司厂是ZL22A型滤棒成型机组的定点生产厂家之一，该设备生产速度为400m/min，它的主传动采用的是直流调速(后改为交流变频调速)，动力是靠变速箱及同步齿形带来传递，开松辊的三个辊调速是靠无级变速器来实现的。这套机械传动存在一定的不足。例如:无级变速箱工作过程中噪音大、漏油、温度较高，机械传动部件长期工作易磨损及维修困难(其中国产无级变速器断轴)等。
针对上述问题，笔者采用伺服电机代替原有机械传动的方案，去掉同步齿型带传动和无级变速箱，用伺服电机分别带动辊子和增塑剂喷洒装置。
过滤嘴棒的生产过程中，原材料为醋酸纤维束，简称丝束,在成型之前需要开松，机组的开松机有一个输送辊，两个开松辊，为了达到开松的效果，它们跟主传动之间有不同的传动比，即1.05:1.45:1.1(不同丝束、不同工艺指标有所不同)，但无论在恒速还是加减速过程中，都必须分别与主机保持固定的传动比，即必须同步运行，另外，丝束在运行时，为了增加嘴棒的硬度，需对丝束进行甘油的定量喷洒，为了保证喷洒量均匀，喷淋泵电机也必须与主传动同步。在换纸过程中新、旧盘纸的线速度必须相同才能保证盘纸的顺利拼接，即盘纸电机必须与主机同步运行。由此组成一个同步运行系统。
伺服控制器采用伦茨公司的9300ES系列，通过设定数字频率级联控制方式实现各电机之间的转速、相位同步控制，保证各辊轮都按自动/手动设定的比例进行高精度的同步工作。伺服电机的安装全部采用同轴联接方式减少机械传动误差。
依据转向辊和两个开松辊同主电机之间的比例关系及电机的最大转速及负载扭矩等特性的要求，整个系统配置如下：
• 六台伺服电机：一台电机取代原来的主电机，三台电机作为从动电机，分别带动两个开松辊和一个输送辊，依靠电子齿轮与主机实现同步联动，一台配备减速机带动甘油泵，其转速与主机有严格比例关系，一台电机用于换纸加速辊；
• 六台伺服控制器：分别对应控制六台电机；
• 一台制动斩波器：对电压进行斩波处理，实现电机制动控制；
• 两个制动电阻：用于消耗制动过程中产生的能量；
• PROFIBUS-DP总线及2131通讯模板五套:用于伺服控制器和上位机PLC之间的通讯；
• 根据机组的控制要求上位机选用西门子S7-300 PLC，PLC的CPU选用具有PROFIBUS-DP现场总线功能的CPU315-2DP模块，实现与伺服控制器通讯，同时它的MPI口还可与触摸屏通讯；
• 采用两台人机界面分别显示开松机及成型机的各种信息，一台采用西门子的TP170A，通讯形式为PROFIBUS-DP，用于显示开松机各个辊的转速、比例关系、线速度及甘油量。另一台采用DIGITAI公司的GP2500S，用于显示成型机的各种信息。
图1 系统控制框图
主电机与从动电机的速度同步采用LENZE公司伺服控制器特有的数频级联控制如图1所示，主电机的自动给定速度及从动电机的比例可通过PROFIBUS-DP来调节，简单可靠。
9300ES伺服同步控制系统
GDC软件简介
本伺服控制系统采用的是德国伦茨公司的编程调试软件Global Drive Control，简称GDC。通过CAN-BUS总线，对控制器进行读写操作，完成伺服电机各项参数的设定以及对其内部功能块的灵活连接，实现如逻辑运算、比较等以前在PLC里完成的功能，同时还可以进行现场监控，使操作者时刻了解电机当前的运转状况，对现场调试非常方便，尤其对初学者来说，上手特别容易。
信号控制流程
图2 伺服控制信号流程图
图2示出伺服控制的信号流程图。本伺服控制系统是通过Profibus来完成上位机PLC与伺服控制器之间的通讯的，PLC与控制器之间是通过参数通道和过程通道来相互传递数据信息，总线模块(8BYTR+3WORD)参数通道可用字节为8，过程通道可用字为3，参数通道的传送速度比较慢，而过程通道传送速度比较快，所以将过程通道用于速度的给定、比例的调整、速度的读出、急停等控制，而参数通道则用于参数的读写等。
主要功能块的介绍
• NSET 速度设定及斜坡发生器的设定模块
主电机的速度可通过速度给定电位器加到模拟输入端子X6，自动速度的给定则通过总线进行连续速度控制，设定后的速度可通过内部斜坡发生器来控制其平稳的增减速度及启停。
• MCTRL 电机控制模块
它可对电机的速度和相位进行控制，它的内部是一个三闭环控制系统即速度环、相为环、电流环，可通过调节模块中的PI参数来实现调节电机的稳定性。
• DFSET 比例调节模块
用于从机与主机的比例关系的设定。
9300ES系统伺服控制器程序介绍
各电机控制曲线图如图3所示。
图3 各电机的控制曲线图
工作过程
机组的工作方式有两种，一种是手动控制，将速度给定电位器接到模拟输入X6端子上。另一种是自动控制，通过总线模块AIF将工作速度输入到伺服控制器，两种工作方式靠选择模块ASW选择输入到NSET模块，NSET的速度输出端再与电机模块MCTRL连接,从而控制电机。ASW的选择端ASW-SET及电机的转向R/L/Q靠AIF的BOOL量控制。主机靠数字频率输出模块DFOUT将速度及相位量传给从机(三个辊)，从机的速度及相位量依靠X9接收，从机的比例调整则依靠DFSET模块来完成。将比例分子端连到AIF的过程通道，比例分母保持不变。用PLC通过AIF控制比例分母，达到控制从机的目的。
• 换纸电机M6的控制器程序
该从控制器程序与其它从控制器程序不同的是，它有自己的启停曲线要求，即为了保证新旧纸盘的顺利拼接，启动新纸盘时，为了新盘纸不被拉断，启动曲线在NSET的控制下按“S”形爬升，当速度与主机同步运行时通过Profibus总线上位机PLC得到同步信号，产生接纸动作，接纸动作完成后，通过一定的延时，接纸电机停止运行，再通过延时松开使能，准备下次接纸。纸接头的跟踪靠伺服控制器的相位积分PHINT3得到，两个相位积分的差值即为剔出值，由Profibus总线通知上位机PLC打开剔出电磁阀产生剔出动作。
• 甘油泵M15的电机的控制器程序
该从控制器程序与辊控制器程序基本相同，不同的是它的启动信号单独控制，即按钮按下启动信号后，立即跟随主机达到同步速度。
改造效果
改造前后质量对比如表1所示(以下数据来自于云南某卷烟厂品管质检科)。
图4示出了改造前后质量对比的直捧图。表2示出了改造前后设备的有效作业率统计。
图4 改造前后质量对比的直捧图
图4和表1、2的说明如下：
表1质量对比
表2 改前改后设备有效作业率统计
以上数据来自云南某卷烟厂设备管理部，设备的有效作业率提高了1.382个百分点。
• AVG是滤棒吸阻的平均值，用来表明数据中各检测值相对集中较多的中心位置，用于反映数据的集中性，即检测值以某一数值为中心而分布的性质；
• SD是滤棒吸阻的标准差，标准差的大小受数据中每个检测值的影响。如检测值间变异大，求得的标准差也大，反之则小;滤棒吸阻的标准差大小说明了滤棒吸阻检测值偏离目标值程度，数据越大，偏离程度越大，滤棒吸阻的标准差越小说明了滤棒吸阻越稳定；
• CV是滤棒吸阻的变异系数，变异系数是标准差与平均值的比值，是衡量数据中各检测值变异程度的另一个统计量；
• SD、CV用于反映数据的离散性，即检测值分散变异的性质。
从图4示可知，在保持吸阻目标值恒定的条件下，滤棒吸阻的标准差已由原来的9.81%下降到6.95%，滤棒吸阻的变异系数已由原来的2.84下降到1.91。通过对开松辊控制的改造，可以看出滤棒吸阻的稳定性得到了很大的提高。
在应用了伺服系统后，开松机变得简洁宽敞、运转过程中噪音和震动大大降低、机组的平稳性有了大大的改善、电机能够严格按照工艺要求运转。在调速过程中，伺服电机能很快的响应上位信号而做出相应动作，在收到故障停车信号后，电机在带负载情况下能够按要求短时间停车，不仅很大程度减少了原材料的浪费，而且大大提高了安全性。
结束语
从用户反映看，本次设计是比较成功的，得到了众多卷烟厂的肯定，伺服系统的应用保留了原先机组的优点，改进了其不足之处，提高机组的性能。本次改进后的机组不仅可以作为新产品打开市场，也为日后同类机组的升级改造打下了基础。从2001年开始，以伺服控制系统为主的机型已经变成主流机型，并已通入批量生产。